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        水稻秸稈降解菌BCM-9的分解特性及微生物群落動態(tài)研究

        2014-12-28 02:43:34葛長明李海粟張本月趙洪顏
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年31期
        關(guān)鍵詞:水稻

        李 雪,葛長明,李海粟,劉 雙,陳 迪,張本月,趙洪顏

        (延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院,吉林延吉133002)

        木質(zhì)纖維素是地球上最為豐富的生物資源,約占植物總干重的1/3~1/2,它能夠被微生物降解[1]。秸稈是籽粒收獲后耕地上重要的農(nóng)業(yè)廢棄物資源,吉林省每年有超過0.6億t的秸稈廢棄物資源。由于秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物資源在自然狀態(tài)下極難分解,只能就地丟棄或焚燒,不能歸還土壤。大量待分解的秸稈不僅占用耕地還限制營養(yǎng)元素歸還土壤,而且焚燒產(chǎn)生的煙塵影響生態(tài)環(huán)境和人類健康。因此,如何將秸稈變廢為寶是實現(xiàn)環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題[2]。

        崔宗均等突破傳統(tǒng)的微生物純培養(yǎng)分離方法,在不破壞自然界中微生物之間協(xié)同關(guān)系的前提下,將酸堿反應(yīng)不同的菌群優(yōu)化組合,篩選和馴化了高效而穩(wěn)定的纖維素分解復(fù)合菌系 MC1、XCD-2、WDC-2 等復(fù)合系[1,3-4]。此復(fù)合系的降解能力遠遠高于純培養(yǎng)的單個菌株,在8 d內(nèi)可完全降解水稻秸稈[5]。而且這些復(fù)合系對在厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程中有顯著的優(yōu)勢,但是這些復(fù)合系都是從畜禽糞便堆肥環(huán)境中篩選出來的。因此,該研究是從沼液厭氧環(huán)境中篩選出BCM-9復(fù)合系,為秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的酸化處理提供基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料 以筆者實驗室構(gòu)建的木質(zhì)纖維素分解復(fù)合菌系BCM-9作為菌種,培養(yǎng)基為蛋白胨纖維素培養(yǎng)液(PCS),其成分為5 g蛋白胨,5 g NaCl,2 g CaCO3,1 g 酵母粉及1 L 的去離子水。配制800 ml PCS培養(yǎng)基于1 L的三角瓶中,添加8 g水稻秸稈,121℃滅菌15 min。水稻秸稈經(jīng)1.5%NaOH堿液浸泡48 h后,用自來水沖洗到pH為7.0左右,105℃烘干后,將其剪到合適的長度以便放入300 ml的三角瓶中。調(diào)節(jié)pH試驗中,需配制1%、2%、3%NaOH溶液用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH。更換培養(yǎng)基試驗中需配制新鮮的PCS培養(yǎng)基。

        1.2 培養(yǎng)條件 每個300 ml的三角瓶中裝入238 ml PCS培養(yǎng)基,稻稈的添加量分別為培養(yǎng)基體積的5%(W/V)。培養(yǎng)基在121℃下滅菌15 min后備用。將培養(yǎng)3 d的BCM-9菌種按照5%體積的接種量接種到新鮮培養(yǎng)基中,60℃下靜置培養(yǎng)。

        1.3 水稻秸稈分解過程中pH的測定 pH的測定方法:取0.2 ml培養(yǎng)液,滴于HORIBA微型pH計(model B-212,HORIBA,Japan)中進行測定。

        1.4 BCM-9分解后秸稈各成分測定 將烘干后的秸稈殘渣粉碎并過1 mm的篩子,稱取0.5 g裝入濾袋,3個重復(fù),按照ANKOM220纖維分析儀操作規(guī)程及技術(shù)資料測定秸稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量。

        1.5 BCM-9發(fā)酵液中有機酸含量測定 發(fā)酵液樣品經(jīng)8 000 r/min離心10 min,上清液過0.22μm 濾膜,在 -40℃冰凍下保存,待樣品收集全后,用島津QP2010型氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)測定,測定分析柱為CP-Chirasil-Dex CB(25 m×0.25 mm)毛細管柱;柱箱溫度50℃(1 min)→100℃(1 min),7℃ /min→195℃(2 min),18 ℃ /min,共14 min;進樣口溫度190℃;檢測器溫度200℃;載氣He(60 kPa),流量34 ml/min;分流比1/22;監(jiān)測器電壓115 kV;進樣量1μl。對測定的數(shù)據(jù),利用NIST數(shù)據(jù)庫進行定性分析。根據(jù)出峰物的定性分析結(jié)果,配制相應(yīng)標準樣品的稀釋液作為標準物進樣,用于該物質(zhì)的定量分析[4]。

        1.6 纖維素酶和木聚糖酶活力的測定 纖維素酶活力測定和木聚糖酶活力測定參見[2-3]等方法。其中纖維素酶活力單位定義為:酶液在1 min內(nèi)消耗纖維素產(chǎn)生1 mmol葡萄糖作為1 U;木聚糖酶活力單位(IU)定義為1 min水解木聚糖底物生成1μg木糖所需的酶量為1個酶活力單位。

        1.7 微生物動態(tài)群落動態(tài)分析 培養(yǎng)液經(jīng)8 000 r/min離心15 min,棄上清收集菌體細胞,按照 Benzyl chloride方法[6]提取微生物的總DNA。16SrDNA的PCR擴增使用AmpliTaq GoldTM(Perkin Elmer,Japan),引物為 357F-GC(GC clamp-5'-CCTACGGGAGGCAGCAG-3')和517R(5'-GTGCCAGC(A/C)GCCGCGG-3')。用 PCR 擴增產(chǎn)物進行 DGGE 分析[7-8]。從膠上回收DNA條帶,測定其序列,GenBank數(shù)據(jù)庫檢索,進行相似性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水稻秸稈降解過程中p H的變化 據(jù)報道,纖維素降解pH 范圍為5.9 ~8.5[6]。由圖1 可知,水稻秸稈降解過程中2 d內(nèi)發(fā)酵液的pH迅速地從7.4下降到6.2,隨著培養(yǎng)時間的增加,pH逐漸上升,第12天時達到8.3。

        圖1 水稻秸稈降解過程中pH的變化

        2.2 BCM-9分解后秸稈各成分測定結(jié)果 由圖2可知,水稻秸稈的生物量總干重12 d后下降了75%。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成成分的質(zhì)量分別降低了97.11%、74.70%和48.00%。前期研究報道的MC1的降解率為:生物量總干重減少81%,纖維素含量減少99%,半纖維素減少74%,木質(zhì)素減少24%。比較表明,BMC-9和MC1對水稻秸稈的木質(zhì)纖維素具有很強的分解能力。這為BMC-9降解木質(zhì)纖維素沼氣發(fā)酵酸化階段的機制研究提供了理論基礎(chǔ)。

        2.3 纖維素酶和木聚糖酶活力的測定結(jié)果 為檢測BMC-9對水稻秸稈的降解能力,測定了12 d內(nèi)纖維素酶活性和木聚糖酶活性的變化。結(jié)果表明,木聚糖酶的活性逐漸上升,在第9天時呈現(xiàn)峰值,為1.79 U/ml。纖維素酶活性在第9天達到最大值,0.37 U/ml(圖3)。酶活性的分析表明,BMC-9對水稻秸稈分解能力最強的是在第9天。

        2.4 水稻秸稈降解產(chǎn)物分析 BCM-9降解水稻秸稈過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機酸分析結(jié)果表明:在第9天揮發(fā)性有機酸的總量達到最高值。在水稻秸稈降解過程中主要的成分是甲酸、乙酸、丙酸和乳酸。第9天時乳酸為0.291 mg/L,甲酸為0.31 mg/L,乙酸為 1.93 mg/L,丙酸為 0.73 mg/L(圖 4),與酶活性分析的結(jié)果相類似。

        圖2 BCM-9分解后秸稈各成分測定結(jié)果

        圖3 BCM-9降解水稻秸稈過程中纖維素酶和木聚糖酶活性變化

        圖4 水稻秸稈發(fā)酵液中揮發(fā)性有機酸含量分析

        2.5 細菌DGGE圖譜分析 在第38代培養(yǎng)過程中的第0、1、3、6、9和12天收集培養(yǎng)液,測定細菌菌群的多樣性。由圖5可知,在DGGE圖中譜條帶的出現(xiàn)和消失表明該種群中的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。隨著培養(yǎng)時間的延長,它們的頻帶發(fā)生了顯著變化。DGGE圖譜共出現(xiàn)了16條帶。條帶1、5、14、15和16是第1天到第12 天一直存在的,條帶1、14和15 分別在第1、3、6 和 9 天亮度最高。條帶 2、3、5、6、8 和10出現(xiàn)在整個監(jiān)測過程中。條帶2、5、8的強度逐漸增強,而條帶3、6、10的強度逐漸降低。條帶11和12 在第1、3、9、12天可見,條帶13和占主導(dǎo)地位的微生物種群在第3~12天時以恒定強度出現(xiàn)。根據(jù)這些條帶的出現(xiàn)、消失和強度,可以知道微生物群體的組合物,在發(fā)酵過程中會發(fā)生很大改變[14]。

        為了更加清晰地了解微生物群之間的關(guān)系,對條帶切除、純化,并通過PCR擴增、測序。通過NCBI網(wǎng)站進行比對,結(jié)果見表1。16個條帶對應(yīng)3個屬:Bacillus sp.、Clostridium sp.和 Geobacillus sp.,其中條帶12 對應(yīng)于 Geobacillus sp.,它是在微生物群體中最常見的菌株。該屬通常是需氧或兼性厭氧菌,生長在45~70℃的高溫環(huán)境中[5]。條帶1、8、15對應(yīng)的是Bacillus sp.。以前的研究已經(jīng)表明,Bacillus sp.是一種芽孢桿菌屬,可以簡單地將有機化合物分解為無機物。它能夠降解木質(zhì)素生產(chǎn)生物表面劑,促進難降解有機物的微生物分解,提高堆肥效率,縮短堆肥周期。條帶 2、3、4、5、6、7、9、10、11、13、14、16 是 Clostridium sp.,據(jù)報道在堆肥環(huán)境中導(dǎo)致堆體溫度的快速上升,并具備能力降解纖維素[3]。

        圖5 細菌DGGE圖譜分析

        表1 細菌DGGE條帶16S r RNA序列分析

        3 結(jié)論

        (1)水稻秸稈降解菌在降解過程中,發(fā)酵液pH先降低后升高,趨于穩(wěn)定。

        (2)降解后水稻秸稈的總生物量降低了75%,纖維素降低了97.11%,半纖維素降低了74.70%,木質(zhì)素降低了48.00%。

        (3)降解過程中揮發(fā)性脂肪酸、木聚糖酶活、纖維素酶活在第9天時數(shù)值最高。

        (4)第9天時,發(fā)酵液中細菌微生物群落最為豐富,分別是 Bacillus sp.、Clostridium sp.和 Geobacillus sp.屬菌株。

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        [5]崔宗均,李美丹,樸哲,等.一組高效穩(wěn)定纖維素分解菌復(fù)合系MC1的篩選及功能[J].環(huán)境科學(xué),2002,23(3):36 -39.

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