農(nóng)業(yè)廢物堆肥化中木質(zhì)素的降解及其微生物特性研究.pdf

1、木質(zhì)素是農(nóng)業(yè)廢物堆肥化過程中的主要限速有機(jī)物，其降解被認(rèn)為是快速堆肥的關(guān)鍵。本文系統(tǒng)研究了農(nóng)業(yè)廢物堆肥化中木質(zhì)素的降解過程及其微生物特性，首先分別運(yùn)用傳統(tǒng)方法、Biolog法、PLFA法、醌指紋法研究木質(zhì)素降解微生物群落演替規(guī)律，其次篩選高效優(yōu)勢的木質(zhì)素降解微生物，并研究非白腐真菌簡青霉(P.simplicissimum)、黑曲霉(A.niger)的木質(zhì)素降解特性和降解機(jī)理，最后研究一株高效優(yōu)勢的木質(zhì)素降解放線菌栗褐鏈霉菌對腐殖質(zhì)產(chǎn)生的

2、作用。 傳統(tǒng)方法研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素降解主要發(fā)生在高溫期和二次發(fā)酵期。多酚氧化酶PPO和過氧化物酶POD是木質(zhì)素降解的主要酶系，其中PPO的催化氧化作用較強(qiáng)。木質(zhì)素降解細(xì)菌、放線菌、真菌在堆肥化各階段變化復(fù)雜，其中，放線菌是主要的木質(zhì)素降解者，從整個過程看，各類群微生物對木質(zhì)素降解的貢獻(xiàn)為放線菌>真菌>細(xì)菌。 細(xì)菌群落在堆肥化進(jìn)程中木質(zhì)素的生物降解方面起著重要的協(xié)作作用。應(yīng)用Biolog法檢測堆肥化過程中細(xì)菌群落沿替，并通過

3、多元統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)堆肥初期細(xì)菌生長快速、群落豐富，隨著堆制的進(jìn)行，其平均活性逐漸下降。細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在一次發(fā)酵期間發(fā)生著劇烈變化，二次發(fā)酵期間趨于穩(wěn)定。能轉(zhuǎn)化Biolog GN2板上第一、二、四類碳源的細(xì)菌與木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化有關(guān)，其中第一、二類碳源表征農(nóng)業(yè)廢物堆肥化進(jìn)程中的主要細(xì)菌種群，第四類碳源表征細(xì)菌能夠耐受高溫。 應(yīng)用PLFA-PLS法構(gòu)建了木質(zhì)素含量與PLFA之間的定量回歸模型，分析模型參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)廢物堆肥化過程中木質(zhì)

4、素的有效降解是數(shù)量少、能力強(qiáng)與數(shù)量多、能力弱的微生物共同作用的結(jié)果，前者主要是真菌、放線菌，后者主要是細(xì)菌，其中真菌與放線菌在堆肥化過程中占主導(dǎo)地位。微生物種類較之?dāng)?shù)量對于木質(zhì)素降解更為有利。在高溫期，有效的木質(zhì)素降解微生物群落組成為：革蘭氏陽性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌/放線菌/真菌=42/35/6/17；在二次發(fā)酵期為：革蘭氏陽性細(xì)菌/革蘭氏陰性細(xì)菌/放線菌/真菌=58/23/4/15。微生物濃度數(shù)量級為10<'8>cells/g dw。

5、 醌指紋法證實(shí)堆肥化過程中發(fā)生著劇烈的群落演替，且微生物群落結(jié)構(gòu)隨著堆肥成熟逐步趨于復(fù)雜。MK-7指示的細(xì)菌和Q-9指示的真菌在堆肥化初期為優(yōu)勢菌群，主要降解易降解有機(jī)物，與木質(zhì)纖維素降解無關(guān)。部分飽和、長鏈的甲基萘醌指示的放線菌是高溫期優(yōu)勢微生物，這類微生物是木質(zhì)素降解的主要作用者。放線菌、真菌和小部分細(xì)菌在二次發(fā)酵期間共同協(xié)作，對木質(zhì)素降解有一定作用。Q-9與Q-10(H2)指示的微生物是纖維素與半纖維素降解的主要微生物，而

6、木質(zhì)素的有效降解是一些還未被廣泛認(rèn)識的含Q-9(H2)為主要醌的微生物與高溫放線菌共同協(xié)作的結(jié)果。篩選到幾株較強(qiáng)的木質(zhì)素降解菌，包括Aspergillus niger F4-1， Aspergillus oryzae F 1-4、Penicillium simplicissimum F1-1、Streptomyces badiusA4-2以及高溫放線菌Thermoactinomyces sp.A2-2。對黑曲霉的研究發(fā)現(xiàn)該菌能攻擊木質(zhì)素

7、酚型、非酚型結(jié)構(gòu)和苯環(huán)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)條件下，該菌主要依靠胞外LiP、Lac、MnP共同作用降解木質(zhì)素，并表現(xiàn)出次級代謝降解機(jī)制。簡青霉具有較強(qiáng)的攻擊木質(zhì)素酚型結(jié)構(gòu)的能力，降解木質(zhì)素主要依靠胞外Lac，表現(xiàn)出明顯的初級代謝機(jī)制。pH值對降解系統(tǒng)有較大的影響，Mn<'2+>不利于降解，而Cu<'2+>對木質(zhì)素降解有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。 對簡青霉產(chǎn)酶調(diào)控機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，附加碳源抑制漆酶Lac活性，適量氮源可顯著提高酶活，常用的Lac誘導(dǎo)劑

8、ABTS和二甲苯胺并不能促進(jìn)簡青霉產(chǎn)生Lac。在發(fā)酵過程中，前期Lac主要起聚合作用，而后期可能在某些降解產(chǎn)物的協(xié)同作用下，Lac表現(xiàn)出較好的降解能力。各種附加營養(yǎng)條件誘使簡青霉在第3d出現(xiàn)Lac活性峰，該峰值下漆酶聚合能力特別強(qiáng)，直接影響最后木質(zhì)素的降解率。 比較黃孢原毛平革菌和栗褐鏈霉菌對腐殖質(zhì)形成的作用，結(jié)果表明，接種木質(zhì)素降解菌能促進(jìn)發(fā)酵體系中腐殖質(zhì)的形成，栗褐鏈霉菌的促進(jìn)作用更強(qiáng)。由于黃孢原毛平革菌和栗褐鏈霉菌具有不同