高效水稻秸秆降解菌群的构建及降解性能研究

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随着农业的高速发展,秸秆作为农业副产物大量产生,每年总量高达9亿吨,其中水稻秸秆约2亿吨。通过构建复合菌群,利用微生物降解秸秆不仅有助于秸秆还田,还可以实现秸秆的资源化利用。这对于生态环境和生物质资源的循环利用都具有重要意义。将不同来源的微生物菌群进行组配,筛选出秸秆降解效果最好的组合,命名为LCW。以水稻秸秆作为碳源对LCW进行限制性培养至菌群达到稳定状态后进行单因素试验,在此基础上,选定温度、蛋白胨浓度和碳酸钙浓度三个因素用响应面法进行降解条件优化,建立表征水稻秸秆降解率的三元二次回归数学模型,得出最优降解条件为温度56℃,蛋白胨浓度4.8 g/L和碳酸钙浓度3.9 g/L,恒温静置培养10 d秸秆降解率达到64.7±1.1%。用宏基因组学技术分析复合菌群在不同温度下对水稻秸秆和玉米秸秆的降解差异,结果显示复合菌群的物种结构组成在门、属和种水平上都发生了变化,并且共生菌和不可培养菌在56℃降解条件下成为了优势菌属。复合菌群在功能代谢方面没有发生太大的差异,KEGG分析表明群体感应和二组分调节系统的丰富度增加。测定了秸秆降解过程中理化性质变化,56℃条件下,复合菌群经过15 d的降解对水稻秸秆和玉米秸秆的降解率分别为65.1±2.4%和55.2±2.3%。傅里叶红外光谱(FTIR)分析表明与秸秆降解有关的多个特征峰发生了变化,发酵液p H值在降解过程中由中性变为碱性,发酵过程中产生的小分子酸以乙酸为主,后期被微生物所利用。利用透明圈法和酶活测定从LCW中筛选出16株具有纤维素降解能力的单菌,其中3株单菌具有高效降解纤维素和半纤维素的能力,分子学技术鉴定表明这3株菌分别为A1枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),A14贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)和A18解硫胺素芽孢杆菌(Aneurinibacillus thermoaerophilus)。A14与菌群LCW混合培养,可以使LCW降解水稻秸秆的能力提高9.65±1.2%。
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