高效降解玉米秸秆复合菌群的构建及其降解效果研究

论文摘要

我国秸秆的年产总量高达8×108 t。作物秸秆是多功能性和再生性的生物资源,传统的秸秆焚烧处理方式不仅污染空气、破坏土壤结构,也导致了生物质资源的浪费。如何构建高效降解秸秆纤维素的菌群,通过微生物降解的方式处理秸秆,探索解决农业秸秆降解效率低下的问题,对于提高我国农业秸秆资源的循环利用和实现绿色循环农业稳步提升具有重要的理论和实践意义。本研究以玉米农田土壤为菌源材料,选取玉米秸秆为碳源,通过筛选纤维素降解菌,构建高效纤维素降解菌群,分析液体发酵条件下复合菌群的秸秆降解效能,并最终通过盆栽模拟大田试验,探讨自然条件下秸秆降解效果,旨在通过高效的微生物降解方式,实现秸秆纤维素材料的资源化利用。主要研究结果如下:（1）采用CMC-Na培养基从土壤中分离菌株,并通过刚果红染色和滤纸崩解试验进行初筛,获得12株纤维素降解能力较强的菌株;对菌株进行羧甲基纤维素酶活力（CMCase）、滤纸酶活力（FPA）和β-葡萄糖苷酶活力（β-Gase）测定,最终筛选出3株高效纤维素降解真菌菌株;经分子生物学鉴定,菌株Y-2和Y-6均为枝孢菌（Cladosporium sp.）,菌株Y-7为镰刀菌（Fusarium sp.）;将3株高效纤维素降解菌与实验室保存的优势菌株Y-R（绿色木霉Trichoderma sp.）进行拮抗试验,并将无拮抗作用的菌株进行复配组合,测定各组合菌群的酶活力,最终筛选了一组互相无拮抗作用且酶活力较高的复合菌群（Y-6+Y-7+Y-R）,标记为Y-M。（2）对复合菌群Y-M的产酶条件进行研究,确定了复合菌群Y-M产酶最适条件,即培养时间4 d、培养温度为30℃、初始pH为7.5、产酶接种量为5%。（3）通过30d液体发酵试验,分析复合菌群Y-M对玉米秸秆的降解特征。结果显示,复合菌群Y-M酶活力峰值远高于各单菌株,其CMC酶活、FPA酶活和β-葡萄糖苷酶活力最高分别为:37.71 U/mL、37.12 U/mL和38.93 U/mL;经过30 d的液体发酵,复合菌群Y-M对玉米秸秆的降解效果高于单一菌株,秸秆总降解率达到66.57%,分别比单菌株Y-6、Y-7和Y-R高6.56%、24.36%和12.05%,比空白对照组高53.36%;复合菌群Y-M对玉米秸秆三种纤维素成分降解效果均高于各单菌株,纤维素、半纤维素和木质素的总降解率分别为39.02%、57.69%和25.79%,比单菌株降解率分别高达16.25%、17.37%和9.50%,比空白对照组分别高33.92%、46.20%和17.55%。（4）通过60d的盆栽模拟秸秆还田试验,探究复合菌群Y-M在实验生产中的应用效果。结果表明,复合菌群Y-M的玉米秸秆降解效果高于各单菌株,盆栽试验玉米秸秆总降解率达到55.34%,分别比空白对照组、菌株Y-6、Y-7和Y-R高46.93%、5.02%、14.67%和6.78%。在盆栽试验中,复合菌群Y-M仍然有较高的玉米秸秆降解能力,说明复合菌群Y-M降解能力稳定可靠,具有较高的实际应用价值,建议未来将复合菌群应用于农田实际工作,提高秸秆降解能力,促进资源循环利用。

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摘要

英文摘要

1 前言

1.1 研究背景目的及意义

1.2 农作物秸秆概述

1.3 秸秆生物降解研究概况

1.3.1 纤维素结构及其降解机理

1.3.2 半纤维素结构及其降解机理

1.3.3 木质素结构及其降解机理

1.4 农作物秸秆处理及资源利用现状

1.5 国内外研究进展

1.5.1 纤维素降解单菌株筛选研究进展

1.5.2 秸秆纤维素降解复合菌系构建研究进展

1.5.3 秸秆纤维素降解菌的产酶特性研究进展

1.5.4 秸秆纤维素降解菌的降解效果及应用研究

1.6 研究内容及技术路线

1.6.1 研究内容

1.6.2 技术路线

1.7 课题来源

2 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 样品来源

2.1.2 培养基

2.1.3 主要试剂及配制方法

2.1.4 试验仪器设备

2.2 试验方法

2.2.1 纤维素降解菌的富集分离

2.2.2 纤维素降解菌的初筛

2.2.3 纤维素降解菌的复筛

2.2.4 菌种的鉴定

2.2.5 复合菌群的构建

2.2.6 构建复合菌群产酶条件研究

2.2.7 构建复合菌群降解效果研究

2.2.8 模拟秸秆还田盆钵试验

2.2.9 数据统计与分析

3 结果与分析

3.1 纤维素降解菌的筛选及鉴定

3.1.1 纤维素降解菌的初筛

3.1.2 纤维素降解菌的复筛

3.1.3 菌种的鉴定

3.2 纤维素降解复合菌群Y-M构建

3.2.1 拮抗试验

3.2.2 构建复合菌组酶活性研究

3.3 纤维素降解复合菌群Y-M产酶条件研究

3.3.1 培养时间对复合菌群Y-M产酶的影响

3.3.2 培养温度对复合菌群Y-M产酶的影响

3.3.3 初始pH对复合菌群Y-M产酶的影响

3.3.4 接种量对复合菌群Y-M产酶的影响

3.4 纤维素降解复合菌群Y-M对秸秆降解效果研究

3.4.1 玉米秸秆降解过程中发酵液pH及 OD值变化

3.4.2 玉米秸秆降解过程中酶活力变化

3.4.3 玉米秸秆降解过程中复合菌群对玉米秸秆降解能力

3.5 盆栽模拟秸秆还田试验

4 讨论

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘霄

导师: 单德鑫

关键词: 玉米秸秆,纤维素降解菌,复合菌群构建,降解率,盆栽试验

来源: 东北农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用,农业基础科学

单位: 东北农业大学

基金: 2016年农业部农村能源综合建设项目(09162130126249008)

分类号: X172;X712

总页数: 71

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高效降解玉米秸秆复合菌群的构建及其降解效果研究

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