复合菌系降解玉米秸秆过程中群落演替与秸秆降解的关系

[目的] 为了获得木质素降解复合菌系LDC降解玉米秸秆的适宜条件,明确秸秆降解过程中可能发挥重要作用的功能微生物类群。[方法] 以培养温度、pH、培养基装液量和接菌量等单因素试验结果为依据,采用响应面法优化复合菌系降解玉米秸秆的培养条件,利用Miseq高通量测序技术,分析不同降解时期复合菌系的群落结构变化规律。[结果] 复合菌系对秸秆最佳降解条件为：培养温度32℃、初始pH为8.2、装液量为40%,接菌量为10%。此条件下木质素最大降解率为44.5%,相比未优化处理提高13.3%。在门水平上,变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）是复合菌系LDC的优势菌门。在玉米秸秆降解过程中,降解初期的优势菌属为Proteiniphilum（11.9%）、Sphaerochaeta（8.4%）、Ruminofilibacter（8.4%）、Pannonibacter（6.7%）、Pseudomonas（6.1%）和Rhizobium（5.7%）;在降解高峰期时,Anaerocolumna（24.0%）、Caenispirillum（9.2%）和Thauera（7.0%）的丰度显著上升,分别是其在降解初期的16.5倍、3.0倍和5.9倍,而Ruminofilibacter（10.9%）的丰度仍然很高且排在第二位。在降解末期的优势菌属为Ruminofilibacter（25.4%）、Pseudomonas（9.7%）、Sphaerochaeta（8.8%）、Caenispirillum（8.4%）、Pannonibacter（4.3%）、Thauera（4.0%）以及Desulfomicrobium（3.4%）。[结论] 明确了玉米秸秆降解复合菌系的最佳培养条件以及在不同降解时期微生物群落结构变化规律,在玉米秸秆降解过程中发挥重要作用的微生物类群为Pseudomonas、Pannonibacter、Thauera、Ruminofilibacter和Anaerocolumna。     

复合菌系降解纤维素过程中微生物群落结构的变化

为明确高效纤维素降解复合菌系降解过程中微生物群落结构的变化规律及关键的降解功能菌,利用该复合菌系对滤纸和稻秆进行生物处理,通过底物降解、微生物生长量、发酵液pH的变化情况,选择不同降解时期复合菌系提取的总DNA进行细菌16S rRNA基因扩增子高通量测序。通过分解特性试验确定在接种后培养第12、72、168 h分别作为降解初期、高峰期、末期。该复合菌系分别主要由1个门、2个纲、2个目、7个科、11个属组成。随着降解的进行,短芽胞杆菌属Brevibacillus、喜热菌属Caloramator的相对丰度逐渐降低;梭菌属Clostridium、芽胞杆菌属Bacillus、地芽胞杆菌属Geobacillus、柯恩氏菌属Cohnella的相对丰度逐渐升高;解脲芽胞杆菌属Ureibacillus、泰氏菌属Tissierella、刺尾鱼菌属Epulopiscium在降解高峰期时相对丰度最高;各时期类芽胞杆菌属Paenibacillus、瘤胃球菌属Ruminococcus的相对丰度无明显变化。上述11个主要菌属均属于厚壁菌门,具有嗜热、耐热、适应广泛pH、降解纤维素或半纤维素的特性。好氧型细菌是降解初期的主要优势功能菌,到中后期厌氧型细菌逐渐增多,并逐步取代好氧型细菌成为降解纤维素的主要细菌。     

低温复配菌系对玉米秸秆的降解特性及稳定性

针对我国北方地区冬季还田秸秆腐解慢导致的出苗率降低及病虫害加重等问题,探究外源促腐微生物在低温条件下对玉米秸秆的降解特性,为低温秸秆降解复配菌系的大田应用提供数据支持.本研究利用单菌株 Achromobacter deleyi(A3)、Pseudomonas plecoglossicida(A4)、Aspergillu...     

利用高通量测序技术对水稻秸秆中、低温降解菌系的比较分析

采用Illumina MiSeq高通量测序技术,对中、低温（中温25 ℃、低温10 ℃）富集驯化所得水稻秸秆降解菌系进行测序;采用生物信息学方法对中、低温秸秆降解菌系群落生物多样性进行分析。结果表明,测序质控后获得601 489条16S rDNA序列,平均长度273 bp,经Silval 132数据库比对,中温降解菌系包括18个门,172个属,302个OTU,其中优势菌属为弓形杆菌属（Arcobacter）、拟杆菌属（Bacteroides）、屠场杆菌属（Macellibacteroides）、假单胞菌属（Pseudomonas）和梭形杆菌属（Lysinibacillus）;低温降解菌系包括16个门,169个属,280个OTU,其中优势菌属为弓形杆菌属、屠场杆菌属、拟杆菌属、丛毛单胞属（Comamonas）和假单胞菌属。温度对降解菌系中优势菌门的相对丰度无显著影响,中、低温秸秆降解菌系主要菌属相对丰度差异显著。     

降解水稻秸秆的复合菌系及其微生物群落结构演替北大核心CSCD

【目的】比较和分析从堆肥中富集的水稻秸秆降解菌系F1和F2的纤维素分解能力、微生物群落结构及其在秸秆降解过程中的演替,从而探究微生物群落结构与秸秆降解效率的相关性。【方法】采用DNS(3,5-二硝基水杨酸,3,5-dinitrosalicylic acid)定糖法测定发酵液中的外切纤维素酶活;采用范氏(Van Soest)洗涤纤维分析法测定发酵前与发酵后的秸秆纤维素、半纤维素、木质素的含量,并计算降解率;采用16S r RNA基因序列分析和实时荧光定量PCR(Quantitative real-time PCR,Q-PCR)对秸秆降解过程中的微生物物种组成及特定的功能微生物进行定性和定量分析。【结果】复合菌系F1的水稻秸秆总降解率、纤维素降解率、半纤维素降解率显著高于复合菌系F2;2种复合菌系的外切纤维素酶活性与cel48基因的拷贝数变化趋势一致;复合菌系F1的物种较丰富,优势物种是好氧细菌,复合菌系F2的物种组成较单一,培养后期具有较高比例的厌氧纤维素分解菌;培养前4天,复合菌系F1和F2的优势物种均为Unclassified Bacillales和Bacillus;第4天之后,不同复合菌系的优势物种及丰度出现差异,F1的优势物种主要属于Bacteroidetes,F2的优势物种主要属于Firmicutes;虽然Petrimonas和Pusillimonas是培养后期的共有优势物种,但是Petrimonas在复合菌系F2中的相对丰度(38.30%)显著高于F1(9.47%),且培养第8天的F2中的Clostridiales OPB54增加至14.85%。【结论】cel48基因拷贝数变化与秸秆纤维素的降解效率、外切纤维素酶活性变化具有一定的相关性,cel48基因可作为潜在的生物分子标记监测秸秆纤维素的降解过程;微生物群落结构对秸秆纤维素的降解效率具有显著影响,Unclassified Bacillales,Bacillus,Petrimonas,Pusillimonas是复合菌系F1和F2降解秸秆纤维素过程中的重要物种。     

有机磷农药敌百虫多菌株复合系降解菌的降解特性研究

从受有机磷农药污染的土壤中驯化筛选出3株能够降解敌百虫的菌株MD-1、MD-2、MD-3,经初步鉴定分别为假单孢菌属、节杆菌属和青霉菌属。本课题拟对单一菌株以及各种不同组合复合体系之间的降解特性差异进行对比研究。实验结果表明:在一定条件下,复合体系的降解效率通常高于单一降解菌。但是如果复合体系存在拮抗作用的时候,复合体系降解效率可能比单一菌株的降解效率还要低。     

纤维素降解菌的筛选与复合菌系的初步构建

目的 针对大庆地区土地盐碱化较严重,盐碱面积较大等现状,从大庆特征性盐碱地区土壤样品中分离出能够降解纤维素的菌株,为降解植物废料以及缓解土壤盐碱化改善土壤环境提供功能菌株。方法 通过刚果红染色法初步筛得到具有纤维素降解能力菌株,进一步用比色法测定其纤维素降解率,同时测定菌株耐盐、耐碱、产酸性能,选择性能优良的3株菌作为纤维素降解菌复合菌系构建菌株,通过耐盐性、耐碱性和纤维素降解率实验测定复合菌系菌株最佳组合,进一步通过上述实验确定复合菌系菌株最佳混合比例。结果 得到由DX-5和DX-9按照2∶3进行组合复合菌系纤维素降解率最高,达到87.96%,且具有较高的耐盐以及耐碱能力。结论 通过实验得到纤维素降解菌的复合菌系,具有较高纤维素降解率以及改善土壤盐碱性能力。     

降解水稻秸秆兼抑制水稻纹枯病菌多功能复合菌系的构建

目的针对稻草直接还田需要,构建能够高效降解水稻秸秆同时又能抑带l水稻纹枯病菌的多功能复合菌系。方法通过将具有高效降解纤维素的天然复合菌群与具有抑制水稻纹枯病菌效果的菌株组合,构建多功能复合菌系;采用失重法检测该复合菌系对水稻秸杆的腐解作用,荧光定量PER法检测其对水稻纹枯病菌的抑制效果。结果成功地构建了一组多功能复合菌系,腐解12d后,水稻秸秆干物质总失重率为41．4％,其中半纤维素降解率为59．5％,纤维素降解率为52．5％,木质素降解率为15．3％,腐解过程中平均CMC酶活为8．1IU／g。该复合菌系对水稻纹枯病菌的抑制效果明显,发酵40d后对水稻纹枯病菌的抑制率为27．1％,对照组抑制率为2．7％。结论该复合菌系能高效降解水稻秸秆,同时又能较好地抑制水稻纹枯病菌,适宜在水稻秸秆直接还田过程中使用。     

低温秸秆降解复合微生物菌剂的研究进展

我国东北地区冬季寒冷,秸秆产量巨大,但综合利用率较低,利用高酶活性微生物将低温环境中的秸秆降解变废为宝,是一项循环利用的有效途径。研究表明,通过生物学技术手段,筛选高酶活性菌株,深入研究降解机理,优化功能微生物培养条件,提高纤维素酶活性,是提高降解率,秸秆资源化利用的最佳途径。复合微生物菌剂产生的酶活值普遍高于单一微生物菌,真菌菌丝体产生的酶活值高于细菌。实际应用中,选择适合的复合菌剂是低温环境下提高秸秆降解效率的有效途径。系统地归纳了低温条件下降解秸秆的微生物技术、分析了不同条件下降解秸秆的菌株类型和促进秸秆纤维素降解菌酶活力特征、并总结了低温环境下生物菌剂降解秸秆的技术应用效果,旨为低温环境下秸秆的资源化利用提供一定的技术参考。     

秸秆降解菌的筛选及对秸秆的降解效果

作物秸秆作处置不当可能严重影响农村生态环境。目前东北地区的秸秆处置方式主要为直接打碎还田,但秸秆在自然环境中不易腐化,影响春耕。从添加外源微生物促进秸秆原位腐化角度开发新型可培养秸秆降解菌,具有重要意义。本实验通过菌种富集培养、刚果红培养基初筛和滤纸条崩解试验复筛的方法,从腐烂的秸秆和牛肠道中分离筛选潜在的高效纤维素降解菌,测定其最适生长温度和pH,在液态发酵培养条件下考察菌株实际降解能力,共获得具有较高玉米秸秆降解能力的降解菌5株。5种菌株的生长峰值均出现在温度20～30℃,pH值7.5～8.5范围内。液态发酵培养15天后,秸秆失重率为菌株NX9(53.88%)>NF6(51.36%)>JF3(46.97%)>JZ8(45.2%)>JX4(35.79%)>CK(23.88%)。其中,菌株NX9(温度30℃、pH 7.5)对秸秆半纤维素和木质素的降解能力最强,15天降解率分别为48%和37.7%;筛选出的NF6和JF3属于耐冷微生物,特别是菌株NF6在4℃条件下也能生长繁殖,为北方开展"外源微生物促进秸秆原位腐化"技术提供了基础。     

促分解菌剂对还田玉米秸秆的分解效果及土壤微生物的影响

为了探明促分解菌剂的应用对还田玉米秸秆的促分解效果及对土壤微生物群落结构的影响,选用3组促分解菌剂,编号依次为ND、NK和NS,于2009年10月至2010年4月期间,在河北省农林科学院辛集实验站冬小麦-玉米轮作田对玉米秸秆还田地进行了接种试验。在接种后的15、25、145和160 d分别测定秸秆残重率和秸秆残渣中C/N,结果表明与未施菌剂对照(CK)相比,3组菌剂均在一定程度上加快了玉米秸秆的分解,其中以菌剂ND促分解效果最好,NK次之,NS较差,三者的最高促分解效果分别比CK提高了14.3%、7.7%和1.6%,主要促分解效果都出现在早期(前25 d),且菌剂促进秸秆残渣中C/N降低的效果也在早期明显。采用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)检测菌剂对玉米秸秆降解过程中土壤细菌和真菌群落结构的影响,结果表明,与不接种CK相比,接种菌剂主要在早期对土壤细菌和真菌的群落结构产生较大的影响,而后期对土壤微生物群的影响不明显。秸秆还田后接种促分解菌剂,能在接种早期有效加快秸秆分解,而随接种后时间的推进,其促进效果逐渐减弱,与之对应,土壤微生物群落结构早期差异明显,其后差异逐渐减小。     

微生物降解秸秆木质素的研究进展

我国秸秆资源丰富,每年产生逾8亿t作物秸秆。通过秸秆直接还田或肥料化还田不仅可以减少化肥的施用量,缓解农业污染压力,还能实现农作物秸秆的循环利用。木质素结构复杂,且与纤维素和半纤维素相互缠绕,因此秸秆的自然腐解过程中,木质素是主要的限速因子,为了提高降解效率,木质素降解菌的发掘和降解机制也逐渐成为研究热点。本文综述了降解木质素的真菌和细菌的研究现状,对比其真菌和细菌降解特性的优缺点并分析复合降解菌群的优势。随后对木质素降解酶系的酶学性质、在不同微生物中的表达特性进行总结,对木质素降解机制及衍生芳烃代谢路径的研究进展进行综述。最后整理木质素降解微生物在秸秆肥料化技术中的应用进展,并探讨了微生物降解秸秆木质素的应用前景和未来的研究方向。     

水稻秸秆低温复合菌系多样性及发酵动态

【目的】为解决中国寒冷地区水稻秸秆大面积废弃问题,加快低温地区水稻秸秆饲料转化,本文筛选了可以低温下加速秸秆发酵过程的微生物复合菌系,研究其微生物组成并跟踪其发酵动态。【方法】通过5℃下连续定向富集筛选,获得低温复合菌系。采用克隆文库方法分析复合菌系的组成。将复合菌系和商业接种剂(由Lactobacillus plantarum,Enterococcus faecium,L.salivarilus,Pediococcus acidilactici组成)分别接入稻秸进行10℃发酵。气质联机(GC-MS)测定发酵产物的同时,通过变性梯度凝胶电泳检测微生物在发酵体系的定殖情况。采用定量PCR方法追踪复合菌系组成菌在发酵过程中的动态。【结果】16S rDNA克隆文库分析结果表明复合系主要由两种微生物组成,一种属乳酸杆菌(Lactobacillus),一种属乳酸球菌(Leuconostoc)。10℃稻秸发酵结果表明,在发酵第6天接种复合菌系处理的pH已经下降到4.3,乳酸菌菌落形成单位为2.9×109CFU/g鲜样,而接种商业接种剂的处理pH为5.3,乳酸菌菌落形成单位为3.6×108 CFU/g鲜样;在发酵30 d时,接种复合菌系处理的乳酸含量为8.1 g/kg鲜样,接种商业接种剂处理的乳酸含量为2.0 g/kg鲜样。变性梯度凝胶电泳结果表明,在接种复合菌系的稻秸中,从发酵的第6天开始,检测到的微生物主要为L.sakei和Leuconostoc inhae,在整个发酵过程中,两菌一直存在;在商业接种剂处理中,发酵第6天检测到的微生物除其四种组成菌外,还包括Uncultured bacterium;而在发酵第16天和第30天,只检测到组成菌中的L.plantarum和E.faecium。定量PCR结果显示,接种复合菌系处理中,L.sakeiDNA在发酵第6天达到41.0%,在发酵第16天已达到65%,Le inhae在发酵的第6天达到整个发酵过程中的最大值(5.5%)。【结论】接种复合菌系,可以有效促进水稻秸秆的低温发酵进程。复合菌系组成菌可以定殖在发酵体系中,并占据优势。复合菌系的关键菌为L.sakei。     

秸秆还田方式对东北水稻土理化性质及微生物群落的影响

【目的】研究秸秆还田方式对东北黑土理化性质及微生物群落的影响。【方法】试验周期为2019年12月至2021年10月,秸秆还田采用2种方式： 秸秆直接还田+微生物菌剂WJ(strawdirect return+microbial agent WJ;MD),秸秆堆肥还田+微生物菌剂WJ(straw compost return +microbial agent WJ;MC)。分析土壤肥力、酶活和微生物群落。【结果】分析两种方式土壤有机质(SOM)、腐殖酸(HS)和富里酸有机碳(FA-C)含量,发现秸秆直接还田+微生物菌剂WJ比秸秆堆肥还田+微生物菌剂WJ分别增加2.28g/kg、7.82g/kg和5.26g/kg。土壤铵态氮(NH4⁺-N)、速效磷(AP)略高于秸秆堆肥还田+微生物菌剂WJ,均在6月份达到峰值。胡敏酸有机碳(HA-C)含量下降。此外,土壤脲酶、转化酶、纤维素酶活性和碱性磷酸酶活性对比发现,秸秆直接还田+微生物菌剂WJ比秸秆堆肥还田+微生物菌剂WJ分别高8.55%、15.46%、4.35%和6.19%。高通量测序结果显示,秸秆直接还田+微生物菌剂WJ中细菌和真菌的多样性均比秸秆堆肥还田+微生物菌剂WJ丰富。其中Anaerolinea、Bacteroidetes、Pseudomonas为优势细菌,Tausonia、Mrakia、Mrakiella为优势真菌。【结论】秸秆直接还田+微生物菌剂WJ比秸秆堆肥还田+微生物菌剂WJ更有利于土壤有机质、腐殖酸、土壤酶活性和微生物多样性的增加,这说明秸秆添加WJ菌剂直接还田可以减少有机养分的流失,保持田间土壤肥力。     

玉米秸秆还田对黑土微生物群落功能多样性的影响

为了解玉米秸秆还田对土壤微生物群落功能多样性的影响,采用ECO-Biolog微平板法,分析了以无玉米秸秆还田为对照(CK),6000 kg·hm^-2(S1)、9000 kg·hm^-2(S2)、12000 kg·hm^-2(S3)和15000 kg·hm^-2(S4)四个秸秆还田量的土壤微生物碳源代谢特征。结果表明:随着玉米秸秆还田量的增加,土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)也随之增加,24~96 h的AWCD值变化迅速,96 h后进入平稳期,S4处理AWCD值始终大于其他处理;秸秆还田对Shannon指数与Simpson指数没有显著影响(P>0.05),但与CK相比,S4处理McIntosh指数显著增加了57.5%(P<0.05);主成分分析结果显示,秸秆还田影响着土壤微生物群落碳代谢能力,S1、CK、S2和S3处理在PC1和PC2上出现显著的分异,糖类、多聚物类、羧酸类碳源是研究区域内土壤微生物利用的主要碳源。因此,在东北黑土区增加玉米秸秆还田量能够提高土壤微生物对碳源的利用能力,提升黑土肥力。     

玉米秸秆还田对黑土微生物群落功能多样性的影响

为了解玉米秸秆还田对土壤微生物群落功能多样性的影响,采用ECO-Biolog微平板法,分析了以无玉米秸秆还田为对照(CK),6000 kg·hm^-2(S1)、9000 kg·hm^-2(S2)、12000 kg·hm^-2(S3)和15000 kg·hm^-2(S4)四个秸秆还田量的土壤微生物碳源代谢特征。结果表明:随着玉米秸秆还田量的增加,土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)也随之增加,24~96 h的AWCD值变化迅速,96 h后进入平稳期,S4处理AWCD值始终大于其他处理;秸秆还田对Shannon指数与Simpson指数没有显著影响(P>0.05),但与CK相比,S4处理McIntosh指数显著增加了57.5%(P<0.05);主成分分析结果显示,秸秆还田影响着土壤微生物群落碳代谢能力,S1、CK、S2和S3处理在PC1和PC2上出现显著的分异,糖类、多聚物类、羧酸类碳源是研究区域内土壤微生物利用的主要碳源。因此,在东北黑土区增加玉米秸秆还田量能够提高土壤微生物对碳源的利用能力,提升黑土肥力。     

玉米连作及其施肥对土壤微生物群落功能多样性的影响

采用Biolog技术,借助吉林农业大学1984年建立的长期定位试验,以撂荒和非玉米连作(当季作物为芸豆)为对照,研究玉米连作及其不同施肥措施对土壤微生物功能多样性的影响。结果表明,反映土壤微生物活性的平均颜色变化率(AWCD)呈现出以下变化规律:撂荒(UC)非玉米连作(NCC)玉米连作不施肥(CK);玉米连作配施秸秆(S、SN、SNPK)玉米连作配施NPK(NPK)玉米连作不施肥(CK)玉米连作单施N(N)。微生物培养72h活性旺盛,各处理AWCD在0.395—0.732之间,其中撂荒AWCD显著高于非玉米连作和玉米连作不施肥(P0.05);玉米连作配施秸秆明显提高微生物活性,玉米连作配施秸秆(S、SN、SNPK)AWCD是玉米连作不施肥和单施化肥(N、NPK)的1.26—1.62倍。玉米连作不施肥土壤微生物群落多样性指数(H、E、S)低于撂荒处理,但高于非玉米连作处理,非玉米连作提高了土壤微生物优势度指数。玉米连作配施秸秆土壤微生物物种丰富度指数和均匀度指数高于玉米连作不施肥和玉米连作施化肥,玉米连作单施氮肥优势度指数较高,其它多样性指数降低。主成分分析结果表明,不同处理土壤微生物碳源利用特征出现分异:撂荒和玉米连作配施秸秆处理集中在第1主成分正方向,得分系数在2.39—4.17之间,土壤微生物碳源利用特征相似;玉米连作不施肥、玉米连作单施化肥和非玉米连作处理分布在第1主成分负方向,得分系数在-5.43—-1.59之间。土壤微生物利用的碳源主要是糖类、羧酸类、氨基酸和聚合物。玉米连作配施秸秆和撂荒有利于提高土壤微生物代谢活性和土壤微生物群落功能多样性,玉米连作单施化肥尤其单施氮肥土壤微生物活性和功能多样性下降。