玉米秸稈田間原位腐解菌劑研制及功能驗證

徐杰 王澤懿 劉文越 狄魯濱 黃雨陽

摘要 以玉米農田土壤為篩選樣本，以玉米秸稈為篩選碳源，通過多重篩選試驗組合，成功構建一組高效降解纖維素的復合型菌劑Y8，并進行室內搖瓶試驗、室外對比性坑試，從實際應用的角度探討菌劑Y8的降解能力。經菌落和菌體形態觀察及生理生化初步鑒定，這8株纖維素降解菌株均屬于芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）。在搖瓶試驗中，該菌劑對玉米秸稈的降解率達44.70%;田間試驗中菌劑對秸稈的降解率可達60%以上。研究結果表明，菌劑Y8可明顯提高玉米秸稈田間原位腐解效率，并在一定程度上抑制植物病原菌的生長。

關鍵詞 復合型菌劑;原位腐解;酶解活力;玉米秸稈;研制;功能驗證

中圖分類號 S-141.4? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）13-0074-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.019

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Development and Functional Verification of in situ Decomposing Agent for Corn Stalk in the Field

XU Jie，WANG Ze yi， LIU Wen yue et al

（College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang 150030）

Abstract Taking corn farmland soil as the screening sample and corn straw as the carbon source，through multiple screening experiments， a group of compound bacterifier Y8 with high efficiency for cellulose degradation was successfully constructed.The indoor shaking bottle experiment and outdoor comparative pits were conducted to explore the degradation capacity of bacterifier Y8 from the perspective of practical application.The morphological observation and physiological and biochemical identification of the colonies and bacteria showed that all the 8 cellulose degrading strains belonged to Bacillus sp..In the flask shaking experiment， the degradation rate of the bacterial agent to corn straw was 44.70%.In the field experiment， the degradation rate of bacterial agent to straw could reach more than 60%.The research results showed that the fungus Y8 could significantly improve the efficiency of corn stalk decomposing in situ in the field， and inhibit the growth of plant pathogenic bacteria to a certain extent.

Key words Compound bacteria agent;Decomposing in situ; Enzyme activity;Corn straw;Development;Functional verification

玉米是東北地區種植面積最大的糧食作物，據統計，2018年黑龍江省玉米播種面積為631.7萬hm2[1]。如此大量的玉米種植面積必然會導致收割后產生的玉米秸稈難以有效處理利用[2]。雖然秸稈作為可以直接利用的可再生資源，但目前最多的處理方式仍然是直接田間焚燒。秸稈焚燒加劇了空氣污染，促使了“復合型霧霾”頻發，浪費了秸稈中大量的有機營養物質[3-4]。為了減少此現象的發生，目前政府大力提倡將秸稈直接還田，但由于秸稈中含有大量的木質纖維素類物質，導致其自然腐解效率低，嚴重影響播種效果。該研究所研制的菌劑旨在提高玉米秸稈的田間原位腐解效率，同時降低玉米常見病害的感染率，改善土壤肥力，緩解秸稈焚燒帶來的環境生態壓力。

利用微生物本身或其代謝產物降解秸稈受到了學術界廣泛的關注，目前對放線菌和真菌的篩選及研究較多[5]。王洪媛等[6]經過富集篩選、檢測等一系列手段得到3株具有較強降解纖維素能力的真菌菌株;李文哲等[7]從腐爛的木材中分離出了4株纖維素分解真菌。國內用于處理秸稈等富含木質纖維素成分的物質時，大多應用真菌類菌劑尤其是以木霉屬和曲霉屬制得的菌劑為主。然而，真菌生長受水分嚴格限制，干燥條件下真菌的降解能力會明顯減弱[5]。相反，細菌生長條件不同于真菌一般嚴格，且具有芽孢的細菌一般抗逆性較強，可在不良的環境條件下生長[8]。細菌中也不乏存在一些具有高效降解纖維素類物質能力的菌株，然而，對以細菌為主體纖維素降解菌劑報道相對較少。該研究利用富含纖維素降解菌的田間土壤對其進行富集處理及馴化培養，通過一系列生理生化檢測獲得具有高效降解能力的細菌菌株，并將其復配成菌劑，以搖瓶試驗、田間坑試等方式對該復合菌劑進行功能驗證。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土樣、試驗用秸稈。

土壤樣品采集自黑龍江省哈爾濱市郊區枯枝落葉覆蓋較多的土壤、田間堆放玉米秸稈及種植玉米的土壤，表層土下5 cm處取樣，4 ℃冰箱保存備用。試驗使用的玉米秸稈收集于大田，長度為15～20 cm。

1.1.2 培養基。富集培養基：蛋白胨5 g、牛肉膏2.5 g、NaCl 2.5 g、秸稈粉20 g、瓊脂20 g、去離子水1 000 mL。

純化分離培養基：牛肉膏5 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、瓊脂20 g、去離子水1 000 mL。纖維素降解菌篩選培養基：CMC-Na 15 g、NH4NO3 1 g、MgSO4 0.5 g、KH2PO4 1 g、酵母膏1 g、瓊脂20 g、去離子水1 000 mL。產酶培養基：MgSO4 0.3 g、FeCl3 0.01 g、NaCl 0.1 g、KH2PO4 1 g、NaNO3 2.5 g、CaCl2? 0.1 g、秸稈粉20 g、蛋白胨1 g、去離子水1 000 mL。

1.1.3 植物病原菌。用于抑菌試驗的植物病原菌包括玉米大斑病病原菌大斑病凸臍蠕孢菌[Exserohilum turcicum（Pass.）Leonard et Suggs]、玉米鞘腐病病原菌尖孢鐮孢菌（F.oxysporum）。

1.1.4 搖瓶試驗所用市售菌劑。農富康秸稈發酵劑（河南農富康生物科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 菌株的富集與初篩。稱取5 g土壤樣品加入富集培養基中，30 ℃、160 r/min的條件下進行反復多代馴化富集培養。將土壤懸液進行濃度梯度稀釋并涂布于CMC-Na培養基，觀察菌落周圍透明圈的有無及大小，保留透明圈較大的菌株，三區劃線純化并保存。

1.2.2 菌株CMC/天然纖維素酶活力測定。將初篩所得菌株制成種子液，并按2.5%的比例分別接入產酶發酵培養基中，30 ℃、 160? r/min振蕩培養， 每隔24 h取培養液，采用3， 5-二硝基水楊酸法（DNS）[8] 分別測定菌株CMC、天然纖維素酶活力。

1.2.3 菌株抑菌性檢測。

將植物病原菌接種至PDA培養基一側，待真菌菌絲蔓延至培養基50%時，將所得菌株分別接種于病原菌菌落1.0～1.5 cm處，觀察細菌對病原菌生長抑制情況。

1.2.4 菌種鑒定。采用革蘭氏染色法[9]、芽孢染色法[10]等對各功能菌株進行形態學、生理生化鑒定。

1.2.5 復合菌劑的構建。

1.2.5.1 拮抗試驗。將菌株兩兩組合并在基礎性培養基平板上交叉劃線，37 ℃溫箱培養24 h，觀察菌體交叉處菌株的生長情況，若生長良好則說明兩菌株之間不存在拮抗作用。

1.2.5.2 液體菌劑的制備及絮凝。將40 mL的種子液接入發酵培養基中，37 ℃、400 r/min的條件下擴大培養48 h。參考文獻[11]進行發酵液絮凝處理并對絮凝后的物質進行剛果紅檢測。

1.2.6 復合菌劑的功能驗證。

1.2.6.1 室內搖瓶試驗。

稱取復合菌劑、市售菌劑各0.5 g，加入150 mL蒸餾水使其溶解，并與20 g玉米秸稈混合于200 mL錐形瓶中，在30 ℃、160 r/min的條件下振蕩培養。在搖瓶培養第10天、第20天、第25天、第30天、第40天分別取樣，清洗，烘干，稱重。

1.2.6.2 室外田間試驗。

進行對比性室外坑試，分階段觀察秸稈形態變化。按表1中所示的用量將試劑加入高20 cm、長40 cm的土坑中，并覆土處理。在第30天、第45天、第60天分別測定土壤溫度、玉米秸稈干重，試驗于夏季5—7月進行。

其中，處理①，空白對照，只加入100 g玉米秸稈，其他試劑均不添加;處理②，在土坑中加入100 g玉米秸稈及所研制腐解菌劑10 g;處理③，加入100 g玉米秸稈、10 g所研制菌劑并添加營養液、水各1 000 mL;處理④，加入100 g玉米秸稈、1 000 mL水;處理⑤，加入100 g玉米秸稈、10 g所研制菌劑、1 000 mL營養液;處理⑥，加入100 g玉米秸稈、10 g所研制菌劑、1 000 mL水。

2 結果與分析

2.1 菌株初篩結果 采用剛果紅染色法對富集所得菌株進行初篩，初步獲得具有纖維素降解能力的菌株17株。結果見表2。

研究表明，在某種程度上菌株透明圈直徑（D）與菌落直徑（d）比值的大小能夠代表菌株纖維素降解能力強弱，比值越大，纖維素降解能力越強[12]。如圖1所示，菌株D10-1、菌株50-15的透明圈基本將整個培養基覆蓋，D/d值分別達3.27、3.70，說明2個菌株在菌落較小時仍可形成較大直徑的透明圈，具有較強分解羧甲基纖維素的能力。為進一步評估初篩所得菌株纖維素降解能力，對這17株菌株進行CMC酶活力、天然纖維素酶活力檢測。

2.2 CMC酶活力、天然纖維素酶活力測定

剛果紅染色法可以對菌株是否具有纖維素降解能力進行定性分析，不能保證篩選所得菌株在實際應用中具有良好的降解玉米秸稈能力[13]。為確保所篩選菌株降解的實際能力對菌株進行定量分析，根據定性及定量結果綜合分析，挑選最適、分解能力最強的菌株。

通過對酶活力的測定數據（表3）及水解圈直徑大小（表2）進行分析，選擇其中8株具有較高活性菌株，分別為菌株D10-1、YD-1、50-15、BH5、A422、P3、P1、木13。

2.3 抑菌性檢測

大斑病凸臍蠕孢菌、尖孢鐮孢菌是導致玉米大斑病、玉米鞘腐病發生的主要病原菌，可造成玉米產量下降[14]。因此，對病原菌的防治是必要的。研究所篩選菌株對2株病原菌的生長抑制能力，結果如圖2所示，病原真菌在菌株YD-1的菌落周圍生長緩慢或停止生長，此現象表明菌株YD-1可明顯抑制玉米大斑病、玉米鞘腐病等玉米易感病原菌的生長。這些具有良好抑菌效果的菌株在高效降解玉米秸稈的同時又可為玉米的栽種提供良好的生長條件，改善土壤環境。

2.4 菌株鑒定

通過菌落形態特征、生理生化特征觀察對8株纖維素降解菌株進行鑒定，為進一步研究和利用所篩選菌株提供試驗基礎和理論依據。經菌落和菌體形態觀察及生理生化初步鑒定（表4～5）， 8株纖維素降解菌株均屬于芽孢桿菌屬 （Bacillus sp.）。

芽孢是決定菌株抗逆性的關鍵因素，也是衡量菌株能否適應自然環境的重要指標[15]。由表5和圖3可知，篩選到的8株細菌都存在芽孢這一特殊結構，具有一定抵抗不良環境的能力。

2.5 復合菌劑的制備及功能驗證

2.5.1 拮抗試驗及菌劑復配。

菌株間是否具有拮抗作用是實現菌株復配的前提，將不具有拮抗作用的菌株進行組合，才能使菌劑發揮最大效果。從拮抗試驗結果（表6）可以看出，只有菌株P1和菌株A422間表現為輕微的拮抗作用，其余不存在拮抗關系，可利用這8株菌株進行復合菌劑構建，實現降解效果最大化。

取相同體積8株菌株的發酵液與滅菌麩皮以1∶1比例混合，發酵48 h后晾干，制成固體菌劑，并命名為Y8。

2.5.2 室內搖瓶試驗。為檢驗所得復合菌劑Y8對玉米秸稈的實際降解效果，進行室內秸稈降解搖瓶試驗。從圖4可以看出，經40 d搖瓶培養后，添加復合菌劑Y8、市售菌劑農富康處理的秸稈降解率分別為44.70%、37.75%，而對照處理的秸稈降解率僅為28.25%，說明添加降解菌劑可提高秸稈的分解速率。同時，利用菌劑Y8進行處理的秸稈分解效果優于以市售菌劑進行處理的效果，此試驗結果表明所研制的復合型菌劑降解能力強于市售菌劑，降解效果最為明顯。

2.5.3 田間坑試。

室外的條件多變且充滿不確定性，菌株能否正常定植生長、降解能力是否穩定，都是需要考慮的因素。從30 d后田間坑試結果（圖5）可以看出，處理1為僅加入秸稈不做任何處理的樣品，30 d后秸稈基本沒有發生變化;處理2為只加入菌劑的樣品，由于降雨等因素的影響，含水量相對充足，30 d后秸稈降解率達到50%;處理3為加入菌劑并用水和營養液混合處理的樣品，30 d后土質疏松、含水量較足、玉米秸稈在復合菌劑及土著微生物的共同作用下降解率可達60%以上。上述結果表明，所研制的復合菌劑在人為干預下降解效果可進一步增強，即使無人為干預下仍可對秸稈的降解產生幫助。

3 討論

研究表明，單一菌株制成的菌劑其降解玉米秸稈的效果并不理想[16-19]。因此，需要構建具有纖維素降解能力的多種菌株的組合，而篩選出合適的菌株是構建復合菌劑的關鍵。目前文獻中提及的復合型菌系絕大多數以真菌為主，細菌、放線菌的應用較少[20]。該研究以玉米農田的土壤為菌種篩選來源，通過富集培養、剛果紅染色等方式進行纖維素降解菌的初步篩選，測定多種纖維素酶活力確定高效降解菌株，通過抑菌性等試驗豐富菌株功能，最終選擇了8株細菌作為構建復合菌劑的菌種，并以拮抗試驗為基礎進行了復合菌劑的制作，通過室內搖瓶試驗、田間坑試，綜合評價復合菌劑的實際降解能力，為東北地區實現秸稈的高效處置提供微生物利用基礎。

試驗過程中進行了菌株對植物病原菌的抑菌性檢測，發現所選用的8株菌株中菌株YD-1對玉米大斑病、玉米鞘腐病病原菌的生長表現為明顯的抑制作用。當在PDA培養基中接入病原菌并培養7 d左右，病原菌菌絲可蔓延至平板1/2處，但當接入細菌，培養1～2 d后便可發生明顯的抑制現象，表明所選用的菌株對底物的適應性較強，生長速度較快，符合實際生產所需。

4 結論

（1）以枯枝落葉覆蓋較多的土壤、田間堆放玉米秸稈及種植玉米的土壤為篩選菌種來源，通過多重篩選試驗，得到具有較強木質纖維素降解能力的8株細菌，分別為菌株D10-1、YD-1、50-15、BH5、A422、P3、P1、木13，經菌落和菌體形態觀察及生理生化初步鑒定，這8株纖維素降解菌株均屬于芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）。

（2）菌株D10-1、YD-1酶活力相對較高，分別可達2.547、2.673 U/mL;菌株YD-1對玉米大斑病、玉米鞘腐病病原菌的生長表現為明顯的抑制作用;8株菌株彼此不存在明顯拮抗作用，可將其復配成復合菌劑。

（3）菌劑Y8的秸稈降解功能驗證：室內搖瓶試驗40 d秸稈降解率為44.70%;田間坑試中菌劑Y8對秸稈的降解率可達60%以上。

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