秸秆高效原位腐解菌复合系的选育及其特性研究

【摘要】：作为一种重要的农业资源,每年全世界秸秆产量达到22亿吨,其中我国每年的作物秸秆产量达到了7亿多吨,总量接近世界总量的1/3。目前,一些不合理对秸秆资源的利用方式,如秸秆就地焚烧等不仅造成资源浪费,还污染环境、危害人们的身体健康、影响陆路交通和飞行安全。因此,如何高效利用秸秆资源已成为我国资源循环利用和环境保护中必须要解决的主要问题之一。作物秸秆含有大量有机质、氮、磷、钾和微量元素,可通过微生物的腐解将其腐殖质化,为农田提供大量有机肥料,可有效增加土壤有机质和土壤肥力。秸秆原位还田是有效实现秸秆资源化、无害化的重要方式,是一项重要的农业推广举措,具有良好的经济、环境和社会效益。但由于秸秆组成结构稳定,在自然条件下腐解较慢,秸秆原位还田后大量的未充分腐解的秸秆残体会影响下茬作物的耕作、发芽以及生长,从而限制着该项技术的推广。因此,研究和应用秸秆腐熟菌剂成为有效促进秸秆直接还田技术的关键环节。本研究分别针对我国北方农区旱地及长江中下流域淹条件下主要作物秸秆类型,采用限制性外淘汰与温度梯度诱导法相结合,分别筛选得到对玉米秸秆和小麦秸秆腐解效果好的复合菌系,并进行腐解特性研究,结果如下:1、玉米秸秆原位腐解菌系CSS-1的筛选:以山西、山东、北京等省市玉米秸秆连续多年还田的土壤样品为菌源,采用限制性外淘汰技术与温度梯度诱导相结合,筛选获得高效、稳定的玉米秸秆腐解复合菌系CSS-1。模拟田间腐解试验表明,该菌系在22℃条件下玉米秸秆的CMC平均酶活和最高酶活比目前广泛应用的菌剂A分别提高82%和79%,玉米秸秆的失重率比菌剂A和空白对照分别提高62.62%和173.65%,显示出该腐解菌系具有良好的促腐性能:CSS-1连续继代培养过程中,纤维素酶活和变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)分析结果分别标明其秸秆腐解效能和其菌系组成均稳定;安全性评价表明该复合菌系无毒无害,具有较高的安全性;用克隆文库方法分析该菌系的细菌和真菌组成结果显示:CSS-1优势菌群由多种细菌、真菌和少量放线菌构成;其主要细菌菌群分别归属Enterobacter、Cellulomonas、Streptomyces、Bacillaceae、Pantoea、Cellvibrio等6个属;主要真菌菌群则归属Trichoderma、Gibberella 2个属;此外,还存在一部分在分解纤维素的混合群体中占到相对比例的菌群,如Pseudoxanthomonas和Rhizobium sp.,显示克隆文库分析方法得到的菌系组成比CSS-1平板分离培养法更全面。玉米秸秆腐解特性试验显示,该复合菌系CSS-1的生长曲线和纤维素酶活、pH及复合菌系的菌群组成变化规律具有很好的一致性。整个腐解过程划分为三个时期:即0-2 d的对数生长期、2-10 d的稳定期、10-16 d的衰亡期。利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)对复合菌系的菌群组成及其动态进行分析表明:该复合菌系的细菌菌群主要由18个微生物种群组成;真菌菌群主要由9个微生物种群组成;随着玉米秸秆的降解进程,其菌群构成出现了一定的变化。DGGE指纹图谱的聚类分析显示,整个降解过程同样可以划分为三个阶段:0d-2d为降解初期,2d-10d为降解中期,10d-16d为降解末期,与复合系生长曲线一致。在腐解初期各微生物菌群快速生长;在腐解中期纤维素分解有关的微生物Streptomyces sp.、Micrococcus sp.、Bacillus megaterium strain、Pseudomonas sp.,Trichoderma sp.、Fusarium sp大量增殖后保持稳定;腐解后期一些功能菌群数量减少如Streptomyces sp.,Actinomycetales,一些兼性厌氧细菌(如Clostridium sp.,)数量逐渐增加而有些种群一直保持较多数量Trichoderma sp.,Fusarium sp.2、小麦秸秆原位腐解菌系CSS-1的筛选:采用限制性培养技术和温度梯度诱导法,模拟淹水条件,从四川成都平原多年还田的土壤中筛选得到了常温条件(28℃)下对小麦秸秆具有高效腐解功能的复合菌系WSS-1。该复合菌系在28℃、4d可完全崩解滤纸,进一步的腐解麦秆的试验效果表明:接种WSS-1处理在第6天左右达到CMC酶活最高值,这比目前广泛使用的菌剂A提前了4d;经WSS-1腐解处理20d后,麦秆的断裂拉力值从最开始的88N减小到23N,降低幅度达到73.66%,而菌剂A从开始的88N减小到31N,降低幅度为64.75%,空白对照从88N减小到53N,降低幅度仅有39.92%。采用16S rDNA克隆文库法对其细菌组成进行解析,结果表明WSS-1的优势菌群为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、球形芽孢杆菌(Bacillus sphaericus)、粪产碱菌(Alcaligenes faecalis)双酶梭菌(Clostridium bifermentans)和粪肠球菌(Enterococcus faecalis)。对腐解物的pH值分析测定表明,第6d~12d是麦秸腐解过程的重要阶段,腐解液的pH的逐渐下降反应出菌系的代谢较为活跃; 【作者单位】：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 农业部微生物肥料与食用菌种质检验测试中心
【关键词】：微生物复合系 小麦秸秆 玉米秸秆 原位腐解 克隆文库
【基金】：国家科技支撑项目(2006BAD25B04) 中央级公益性科研院所科研业务费专项2008-10项目资助
【分类号】：X172
【正文快照】： 秸秆高效原位腐解菌复合系的选育及其特性研究@李力$中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 农业部微生物肥料与食用菌种质检验测试中心!北京100081 @李俊$中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 农业部微生物肥料与食用菌种质检验测试中心!北京100081 @沈德龙$中国农

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