(1.河北省科學(xué)院生物研究所， 石家莊 050081； 2.浙江科技學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院， 杭州 310023；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

我國(guó)是世界生產(chǎn)抗生素最多的國(guó)家，隨著制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，抗生素菌渣產(chǎn)量越來(lái)越大，如果處置不當(dāng)將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染和生態(tài)環(huán)境惡化。厭氧發(fā)酵技術(shù)是抗生素菌渣無(wú)害化、資源化的一種有效處理方式[1]。目前，針對(duì)以畜禽糞污、秸稈等為原料的厭氧發(fā)酵沼液應(yīng)用研究較多，相對(duì)比較成熟，但以抗生素菌渣為原料厭氧發(fā)酵沼液的相關(guān)報(bào)道較少[2-4]。經(jīng)檢測(cè)，抗生素菌渣厭氧發(fā)酵沼液，也含有植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀等，且含有促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)的腐殖酸、氨基酸、植物生長(zhǎng)素等，未檢測(cè)到抗生素殘留[5]。本實(shí)驗(yàn)室前期以蔬菜作物為原料，研究了頭孢菌素C菌渣厭氧發(fā)酵沼液對(duì)黃瓜種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用效果良好[5]。因此，為進(jìn)一步評(píng)估抗生素菌渣厭氧發(fā)酵沼液對(duì)植物種子生長(zhǎng)毒性以及為研制生物有機(jī)肥提供數(shù)據(jù)支撐，本研究以園林植物早熟禾種子為供試材料，通過(guò)催芽和浸種試驗(yàn)，分別檢測(cè)青霉素菌渣厭氧發(fā)酵沼液對(duì)早熟禾種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

種子為早熟禾種子(PoapratensisL.)，來(lái)自河北省科學(xué)院生物研究所。

供試沼液為青霉素菌渣厭氧發(fā)酵沼液，來(lái)自以青霉素菌渣為原料正常運(yùn)行的中溫發(fā)酵罐，水力停留時(shí)間20 d，沼液理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 沼液理化性質(zhì)

pH化學(xué)需氧量COD/(mg·L-1)氨氮NH4+-N/(mg·L-1)揮發(fā)性有機(jī)酸VFA/(mg·L-1)總無(wú)機(jī)碳TIC/(mg·L-1)7.874814193418097607

1.2 方 法

選取飽滿早熟禾種子，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的KMnO4溶液對(duì)其表面消毒30 min，用蒸餾水沖洗3次晾干后，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

1.2.1沼液催芽

分別用稀釋倍數(shù)為0，5，10，20，40，60，80，100倍及200倍的沼液作為培養(yǎng)液(編號(hào)分別為T(mén) 1至T 9)，以清水為對(duì)照(ck)，各取30粒飽滿種子置于鋪3層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑90 mm)內(nèi)，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。每天早晚2次用不同稀釋度的沼液作為培養(yǎng)液濕潤(rùn)濾紙，對(duì)照組用清水浸濕濾紙，以無(wú)明顯積水為準(zhǔn)。每種處理3個(gè)重復(fù)。

1.2.2沼液浸種

分別用稀釋倍數(shù)為0、5、10、20、40、60、80、100倍及200倍的沼液浸種8 h[6-7](編號(hào)分別為T(mén)N 1至TN 9)，以清水浸種為對(duì)照(ckN)。浸種后用蒸餾水將種子表面殘留沼液沖洗干凈、晾干，每種處理各取30粒飽滿種子置于鋪3層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑90 mm)內(nèi)，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。每天早晚2次補(bǔ)充適量清水以保證其正常生長(zhǎng)，以無(wú)明顯積水為準(zhǔn)。每種處理3次重復(fù)。

表2 不同稀釋度沼液催芽對(duì)早熟禾種子萌發(fā)的影響

處理發(fā)芽勢(shì)/%發(fā)芽率/%發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)ck48.90±10.61ab90.33±1.63ab31.14±4.27abc93.67±17.76bcT10.00±0.00e0.00±0.00e0.00±0.00f0.00±0.00fT27.80±4.85de23.33±12.61d6.61±3.83ef8.35±4.65efT320.00±1.91cde56.67±5.11c17.28±0.75de36.71±2.37deT448.87±8.68ab77.23±4.34b29.81±6.07abc78.46±14.20cT532.23±9.09bc82.20±1.10ab24.19±3.06cd70.64±6.14cdT627.77±7.79bcd80.10±0.10ab25.52±4.46bcd83.93±15.79bcT756.67±5.07a91.07±1.12ab36.99±3.99ab118.48±16.69abT860.00±7.68a94.27±1.93a37.82±1.37a145.07±10.54aT955.53±2.23a90.60±2.04ab35.82±1.50abc120.91±7.97ab

注：表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。同列不同字母表示經(jīng)Duncan氏新復(fù)極差法檢驗(yàn)在p<0.05水平差異顯著。下同。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在種子萌發(fā)24 h后，按時(shí)觀察并記錄種子發(fā)芽數(shù)(胚芽長(zhǎng)度達(dá)到種子1/2為種子發(fā)芽的判斷標(biāo)準(zhǔn))。于第3天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第7天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。公式如下：

發(fā)芽勢(shì)(%)=(初次統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(7 d發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt；

活力指數(shù)=苗長(zhǎng)度×發(fā)芽指數(shù)。

式中：Gt為在第t日種子的發(fā)芽數(shù)；Dt為種子發(fā)芽天數(shù)。

試驗(yàn)第7天，每種處理隨機(jī)選取20株發(fā)芽幼苗，測(cè)定其根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、鮮重和干重，來(lái)衡量種子幼苗的生長(zhǎng)狀況。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件和DPS 軟件(Version 7.05)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理錄入和統(tǒng)計(jì)分析，用鄧肯氏新復(fù)級(jí)差法(p=0.05)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稀釋度沼液催芽對(duì)早熟禾種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)是反映發(fā)芽能力、種子質(zhì)量及種子活力的重要指標(biāo)。由表2可知，沼液稀釋10倍以下催芽對(duì)早熟禾種子4項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)有顯著抑制作用，沼液稀釋20倍以上催芽時(shí)，早熟禾種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與對(duì)照差異不顯著，其中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)最大值均為T(mén) 8(稀釋100倍)處理，另外，沼液稀釋100倍時(shí)，幼苗的活力指數(shù)比對(duì)照提高了35.43%，與對(duì)照存在顯著性差異。因此，高濃度沼液對(duì)種子萌發(fā)有明顯抑制作用，當(dāng)沼液稀釋20倍以上時(shí)，抑制作用逐漸解除，尤其在稀釋100倍時(shí)，可有效提高種子萌發(fā)的綜合指標(biāo)。

圖1可知，采用不同沼液濃度催芽會(huì)影響幼苗生長(zhǎng)。由于在T 1(原液)處理下早熟禾種子未萌發(fā)，即早熟禾種子根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)均為0，之后隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加，根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)均呈上升趨勢(shì)。T 8～T 9處理下對(duì)根長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用，其中促進(jìn)作用最明顯的為T(mén) 8，根長(zhǎng)為0.881 cm，與對(duì)照相比提高了42.91%；T 6和T 8處理下對(duì)芽長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，其中在T 8(稀釋100倍)處理下，芽長(zhǎng)達(dá)到最大值2.945 cm，比對(duì)照提高了16.37%。綜上所述，高濃度沼液對(duì)早熟禾幼苗傷害較大，抑制作用較強(qiáng)，而在T 8處理下(即沼液稀釋100倍時(shí))，對(duì)早熟禾幼苗的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)有較強(qiáng)促進(jìn)作用。

圖1 沼液催芽對(duì)早熟禾幼苗生長(zhǎng)的影響

圖2 沼液催芽對(duì)早熟禾生物量的影響

圖2可知，不同稀釋度沼液催芽對(duì)早熟禾干重的影響較鮮重大。在T 1(原液)處理后，種子未萌發(fā)，未測(cè)早熟禾種子鮮重和干重，在T 8(稀釋100倍)處理下，鮮重和干重優(yōu)于其它處理，分別達(dá)到最大值0.020 g和0.006 g，與對(duì)照相比存在顯著差異性，分別比對(duì)照提高了5%和33.33%，因此，在T 8處理下(即沼液稀釋100倍時(shí))，對(duì)早熟禾幼苗有較好的促進(jìn)作用。

表3 不同稀釋度沼液浸種對(duì)早熟禾種子萌發(fā)的影響

處理發(fā)芽勢(shì)/%發(fā)芽率/%發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)ckN54.43±4.83abc90.00±1.73a30.44±1.46c87.72±2.83cTN124.43±2.94d65.57±5.88c19.47±0.38d45.30±1.93dTN242.23±4.00c77.57±1.23b32.22±2.79bc92.09±8.72cTN352.23±4.00abc78.90±2.20b33.42±2.41bc119.90±9.97bTN460.00±5.10ab81.13±1.08b34.74±2.89bc121.52±11.38abTN546.67±3.84bc80.03±3.33b31.44±2.37bc119.94±9.45bTN646.67±6.93bc80.77±3.03b33.44±2.18bc111.73±6.52bcTN762.23±12.80a91.63±3.12a35.89±4.86bc127.58±18.59abTN864.43±4.83a93.30±2.02a42.91±1.79a144.96±8.61aTN963.33±1.93a90.23±0.19a37.54±1.75ab110.96±6.44bc

2.2 不同稀釋度沼液浸種對(duì)早熟禾種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

由表3可以看出，不同濃度沼液浸種對(duì)早熟禾種子萌發(fā)的影響存在一定差異。在TN 1(原液)、TN 2處理下，種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均顯著低于對(duì)照，即高濃度沼液顯著抑制早熟禾種子的萌發(fā)；TN 3之后，抑制作用逐漸消除，TN 7～TN 9的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均高于對(duì)照，且在TN 8處理下各發(fā)芽參數(shù)均為最高值，分別比對(duì)照提高了15.52%、3.54%、29.06%及39.49%；因此，在沼液稀釋100倍用來(lái)浸種最有利于早熟禾種子的萌發(fā)，而高濃度沼液對(duì)種子萌發(fā)有顯著抑制作用。

圖3為沼液浸種對(duì)早熟禾幼苗生長(zhǎng)的影響。由圖3可知，早熟禾根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)在TN 1(原液)處理下均較低，之后隨著沼液稀釋倍數(shù)的增加呈先上升后下降趨勢(shì)。TN 2～TN 9處理下對(duì)根長(zhǎng)起促進(jìn)作用，其中促進(jìn)作用最明顯的為T(mén)N 5，根長(zhǎng)為0.94 cm，比對(duì)照提高了104.35%，且與其它處理存在顯著差異性；TN 3～TN 8處理下對(duì)芽長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，其中促進(jìn)作用最明顯的為T(mén)N 5，芽長(zhǎng)為2.875 cm，比對(duì)照提高了18.36%。因此，用原液浸種對(duì)早熟禾的幼苗生長(zhǎng)有明顯抑制作用，而在沼液稀釋40倍進(jìn)行浸種時(shí)，最有利于幼苗生長(zhǎng)。

圖3 沼液浸種對(duì)早熟禾幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖4可知，不同稀釋度沼液浸種對(duì)早熟禾干重的影響較鮮重大。在TN 1和TN 2處理下，早熟禾種子鮮重、干重均為最低值，對(duì)早熟禾幼苗生長(zhǎng)有明顯抑制作用；當(dāng)在TN 8處理，即沼液稀釋100倍時(shí)，幼苗的鮮重和干重均為最大值，分別為0.029 g、0.005 g，比對(duì)照組提高了34.48%、60%。由此說(shuō)明，無(wú)論鮮重還是干重，當(dāng)沼液稀釋100倍進(jìn)行浸種時(shí)，對(duì)早熟禾種子生長(zhǎng)有較好的促進(jìn)作用。

圖4 沼液浸種對(duì)早熟禾生物量的影響

3 討 論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的抗生素菌渣量約為130萬(wàn)t，其中青霉素菌渣的產(chǎn)生量約為 97.5萬(wàn)t，若長(zhǎng)期不處理或處置不當(dāng)，既會(huì)釋放有毒物質(zhì)污染環(huán)境，也會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)[8-9]。通過(guò)厭氧發(fā)酵技術(shù)使抗生素菌渣產(chǎn)生清潔能源沼氣的同時(shí)產(chǎn)生大量沼液，沼液的有效利用是抗生素菌渣沼氣資源化利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

沼液浸種作為一種簡(jiǎn)便、安全、高效的種子處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在農(nóng)林業(yè)種植各領(lǐng)域。本試驗(yàn)結(jié)果表明，高濃度沼液浸種和催芽對(duì)種子的萌發(fā)及生長(zhǎng)具有顯著抑制作用，隨著稀釋倍數(shù)的增加，抑制作用逐漸減弱。沼液稀釋80～200倍時(shí)，早熟禾種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率與對(duì)照相比差異不顯著，但幼苗生長(zhǎng)優(yōu)于對(duì)照，說(shuō)明低濃度沼液雖然對(duì)早熟禾種子萌發(fā)影響不大，但對(duì)幼苗的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，最適稀釋倍數(shù)為100倍。這與饒碩[5]等研究結(jié)果一致，但與魏素珍等[10]和雍山玉等[11]在適宜濃度上存在差異。魏素珍等研究發(fā)現(xiàn)，濃度為10%的沼液可有效促進(jìn)油菜發(fā)芽[10]；雍山玉等研究表明，沼液濃度為60%時(shí)浸種可顯著提高柴胡種子的發(fā)芽率[11]。適宜濃度不一致的原因可能是：一方面與種子本身因素有關(guān)，不同種子易發(fā)芽程度不同，且不同種子對(duì)沼液的適宜濃度臨界點(diǎn)不同[12-13]；另一方面，可能與發(fā)酵物料來(lái)源有關(guān)，不同進(jìn)料物質(zhì)導(dǎo)致沼液的微量元素、水解酶、重金屬含量、植物激素、pH值等不同成分差異，進(jìn)而影響了種子的萌發(fā)及生長(zhǎng)[14]。

適宜的沼液濃度對(duì)早熟禾種子萌發(fā)及生長(zhǎng)有一定程度的促進(jìn)作用，提高種子生理代謝，進(jìn)而提高種苗的品質(zhì)和產(chǎn)量，主要原因是沼液含有作物種子生長(zhǎng)發(fā)育所需的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，種子吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后能刺激細(xì)胞分裂生長(zhǎng)，從而促進(jìn)種子萌發(fā)；濃度過(guò)高，沼液中的成分超過(guò)種子所能承受閾值，造成種子吸水困難，產(chǎn)生嚴(yán)重抑制作用，進(jìn)而破壞種子正常生長(zhǎng)[15-16]。綜上所述，青霉素菌渣厭氧發(fā)酵沼液稀釋到適宜濃度時(shí)，對(duì)早熟禾種子萌發(fā)抑制作用解除，并呈現(xiàn)出一定促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)作用，完全可以作為研制園林生物有機(jī)肥的一種優(yōu)質(zhì)原料。

4 結(jié) 論

1) 青霉素菌渣厭氧發(fā)酵沼液對(duì)早熟禾種子催芽試驗(yàn)結(jié)果表明，高濃度沼液對(duì)其具有顯著抑制作用，沼液稀釋100倍時(shí)，對(duì)早熟禾種子萌發(fā)的影響不明顯，但可有效促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。

2) 青霉素菌渣厭氧發(fā)酵沼液對(duì)早熟禾種子浸種試驗(yàn)得出，沼液稀釋40倍時(shí)，對(duì)幼苗胚根、胚芽生長(zhǎng)具有顯著促進(jìn)作用，沼液稀釋100倍浸種時(shí)，對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)促進(jìn)作用顯著，提高了種子活力。

3) 適當(dāng)?shù)那嗝顾鼐鼌捬醢l(fā)酵沼液對(duì)早熟禾種子不僅無(wú)毒害作用，而且可以顯著促進(jìn)種子萌發(fā)生長(zhǎng)。該研究可為抗生素菌渣厭氧發(fā)酵沼液研制園林生物有機(jī)肥提供數(shù)據(jù)和理論支撐。