蚯蚓堆制处理玉米秸秆机理研究

【摘要】：蚯蚓堆制处理技术就是在生物堆肥法的基础上接种蚯蚓，利用蚯蚓自身的特点，经蚯蚓消化代谢及与“蚓触圈”（drilosphere）内微生物相互作用，把秸秆等有机废弃物转化为物理、化学和生物学特性优良的蚓粪和稳定腐殖质的过程，是近几年研究较多的一项利用蚯蚓处理农作物秸秆等有机废弃物的有效技术。 深入对不同种类蚯蚓“蚓触圈”内微生物构成分析和酶谱特征分析，了解蚯蚓共生微生物木质纤维素降解酶系、降解机理及高效降解木质纤维素的微生物菌种，寻找催化活性高、成本低的降解木质纤维素酶，不但可以提高堆肥的效率和品质，而且还大大减少了环境污染，对农作物秸秆和畜禽粪便的利用具有实际意义。 本研究以碳氮比为35的玉米秸秆和鸡粪混合物为物料，以表栖类蚯蚓赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)和深栖类蚯蚓湖北远盲蚓(Amynthas hupeiensis)为供试蚓，以未接种蚯蚓为对照，设置对照组即不接种蚯蚓(CK)、接种深栖类蚯蚓组(A)、接种表栖类蚯蚓组(E)，深栖类与表栖类蚯蚓共同接种组(M)4个处理，其中A1、E1、M1表示对应蚯蚓处理在第15天的取样，A2、E2、M2表示对应蚯蚓处理在第30天的取样，A3、E3、M3表示对应蚯蚓处理在第60天的取样。研究了玉米秸秆在蚯蚓堆制处理期间理化性质变化、木质纤维素相关酶酶活性变化、木质纤维素降解情况及微生物组成。研究结果如下： 1.蚯蚓堆制处理后物料物理化学性质的变化：pH值均有所降低，pH值下降较快的为A组；有机碳含量均下降，A组下降最快，60d时为375.65g/kg；碳氮比低于CK，A组在第45d最小碳氮比为30.58，其次是E组，为32.27；全氮含量随时间均呈先下降再波动升高趋势，第15d A组全氮含量最高为13.27g/kg；全磷含量均高于CK，在第15d时M组物料中全磷含量最大，为6.58g/kg；全钾含量随时间呈增加趋势，E组与A组在第60d全钾含量分别为6.45g/kg和6.23g/kg；速效氮含量随时间呈增加趋势，第60d时A与E组速效氮含量分别为1195.67mg/kg、1112.55mg/kg；速效氮含量均高于CK，在第15d M组最大，为5.69g/kg；速效钾含量均高于CK，E、M和A组的速效钾含量分别在第45d、30d、60d最大，分别为107.36mg/kg、109.85mg/kg、106.22mg/kg。 2.蚯蚓堆制处理物料酶谱特征分析：测定降解木质纤维素的7种酶的酶活力在蚯蚓堆制处理的物料中随时间均呈先升后降趋势，且在蚯蚓处理前期均高于CK。M组的羧甲基纤维素(CMC)酶、微晶纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、乙酰酯酶(AE)、阿魏酸酯酶(FAE)和锰过氧化物酶(MnP)的最高酶活力均高于其它组，并分别在第45d、15d、45d、30d、15d、15d和30d，最大酶活力为32.74U/g、185.96U/g、29.09U/g、72.82U/g、2.18U/g、0.32U/g、21.69U/g。纤维素、半纤维素、木质素含量均随时间呈下降趋势，蚯蚓堆制处理组纤维素含量均低于CK。在试验结束时E、M和A组物料中纤维素含量分别为10.77%、8.13%、10.11%，半纤维素含量分别为21.37%、21.38%、22.41%，木质素含量分别为6.68%、7.65%、8.07%。 3.蚯蚓堆制处理后物料中微生物群落结构变化：在97%相似水平的细菌物种多样性最高的为E2，最低的为M1。真菌物种多样性最高的为M2，最低的为A3。E、M和A组堆制物料中黄杆菌科(Flavobacteriaceae)、莫拉菌科(Moraxellaceae)和假单胞菌科(Pseudomonadaceae)相对丰度随时间延长均呈先升高后降低趋势。试验结束时各组物料中细菌菌群在科的水平上相对丰度相差不大，没有出现优势细菌物种。相对丰度较高的细菌菌群均集中在不动杆菌属(Acinetobacter)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、节细菌属(Arthrobacter)、假单胞杆菌属(Pseudomonas)、假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas)和链霉菌属(Streptomyces)细菌中。 E、M和A组物料中毛霉菌科(Mucoraceae)、鬼伞科(Psathyrellaceae)和小壶菌科(Spizellomycetaceae)的相对丰度随时间均呈先降后升趋势，Mitosporic_Cystofilobasidiales的相对丰度在E和A中呈升高趋势，在M中呈先升后降趋势，Pseudeurotiaceae的相对丰度随时间延长均呈升高趋势。蚯蚓堆制处理结束时E、M和A组的优势真菌菌群分别为毛霉菌科(Mucoraceae)(36.82%)、毛霉菌科(Mucoraceae)(71.42%)和Mitosporic_Cystofilobasidiales(39.04%)。相对丰度较高的真菌菌群主要有鬼伞属(Coprinopsis)、Gaertneriomyces、Guehomyces、毛霉菌属(Mucor)、尾梗霉属(Cercophora)假裸囊菌属(Pseudogymnoascus)、Parascedosporium、隐球菌(Cryptococcus)、镰刀菌属(Fusarium)、枝鼻菌属(Cladorrhinum)、被孢霉属(Mortierella)、青霉菌属(Penicillium)。 【关键词】：玉米秸秆 蚯蚓堆制 理化性质 酶活力 高通量测序
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S141.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 立题意义12-13
• 1.2 研究进展13-19
• 1.2.1 蚯蚓堆制处理底物13
• 1.2.2 影响蚯蚓堆制处理因素13-15
• 1.2.3 降解木质纤维素的蚯蚓共生微生物及其酶系15-17
• 1.2.4 蚯蚓堆制物料微生物研究方法17-19
• 1.3 研究内容19-20
• 1.4 本研究的技术路线20-21
• 1.5 研究创新点21-22
• 第2章 蚯蚓堆制物料物理化学性质变化22-38
• 2.1 引言22
• 2.2 材料22-23
• 2.2.1 供试材料22-23
• 2.2.2 试验试剂23
• 2.2.3 试验仪器23
• 2.3 试验设计23-24
• 2.4 理化指标测定方法24-26
• 2.4.1 含水量测定24
• 2.4.2 pH 测定24
• 2.4.3 有机碳的测定24-25
• 2.4.4 全氮测定25
• 2.4.5 速效氮测定25
• 2.4.6 全磷测定25-26
• 2.4.7 速效磷测定26
• 2.4.8 全钾测定26
• 2.4.9 速效钾测定26
• 2.4.10 数据统计分析26
• 2.5 结果与分析26-33
• 2.5.1 蚯蚓堆制物料含水率和 pH 的变化26-27
• 2.5.2 蚯蚓堆制物料有机碳和碳氮比的变化27-29
• 2.5.3 蚯蚓堆制物料全氮和速效氮的变化29-30
• 2.5.4 蚯蚓堆制物料全磷和速效磷的变化30-31
• 2.5.5 蚯蚓堆制物料全钾和速效钾的变化31-33
• 2.6 讨论33-36
• 2.6.1 蚯蚓堆制物料中含水率和 pH 值的变化33-34
• 2.6.2 物料中有机碳和碳氮比的变化34
• 2.6.3 物料中全氮和速效氮的变化34-35
• 2.6.4 物料中全磷和速效磷的变化35-36
• 2.6.5 物料中全钾和速效钾的变化36
• 2.7 小结36-38
• 第3章 蚯蚓堆制物料酶活性变化38-55
• 3.1 引言38
• 3.2 材料38-39
• 3.2.1 试验仪器38
• 3.2.2 试验试剂38-39
• 3.2.3 试剂的配置39
• 3.3 试验方案39-40
• 3.4 试验方法40-43
• 3.4.1 粗酶液的提取方法40
• 3.4.2 葡萄糖标准曲线的制作40
• 3.4.3 CMC 酶活力的测定方法40
• 3.4.4 微晶纤维素酶活力的测定方法40-41
• 3.4.5 β-葡萄糖苷酶活力的测定方法41
• 3.4.6 木糖标准曲线的制定方法41
• 3.4.7 木聚糖酶活力的测定方法41
• 3.4.8 AE 活力的测定方法41-42
• 3.4.9 FAE 活力的测定方法42
• 3.4.10 MnP 活力的测定方法42
• 3.4.11 堆制物料成分分析方法42-43
• 3.4.12 数据统计分析43
• 3.5 结果与分析43-50
• 3.5.1 蚯蚓堆制物料纤维素酶活力的变化43-45
• 3.5.2 蚯蚓堆制物料半纤维素酶活力的变化45-48
• 3.5.3 蚯蚓堆制处理木质素酶活力的变化48
• 3.5.4 蚯蚓堆制处理纤维素、半纤维素和木质素含量的变化48-50
• 3.6 讨论50-53
• 3.6.1 不同蚯蚓堆制中纤维素酶活性的变化50-51
• 3.6.2 不同蚯蚓堆制中半纤维素酶活性的变化51-52
• 3.6.3 不同蚯蚓堆制中木质素酶活性的变化52
• 3.6.4 不同蚯蚓堆制中木质纤维素含量的变化52-53
• 3.7 小结53-55
• 第4章 蚯蚓堆制物料微生物群落结构变化55-73
• 4.1 引言55
• 4.2 试验材料55-56
• 4.2.1 主要设备55
• 4.2.2 主要试剂55-56
• 4.3 实验方案56
• 4.4 试验方法56-59
• 4.4.1 高通量测序流程56
• 4.4.2 堆制物料中基因组 DNA 的提取56-57
• 4.4.3 PCR 扩增57-59
• 4.4.4 荧光定量59
• 4.4.5 Miseq 文库构建59
• 4.4.6 Miseq 测序59
• 4.5 结果与分析59-69
• 4.5.1 细菌群落结构变化59-64
• 4.5.2 真菌群落结构变化64-69
• 4.6 讨论69-71
• 4.7 小结71-73
• 第5章 结论与展望73-75
• 5.1 结论73-74
• 5.2 展望74-75
• 参考文献75-84
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果84-85
• 致谢85

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