CN107245465A - 一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂及其应用 - Google Patents

一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂及其应用，属于菌剂技术领域。所述菌剂为包含解淀粉芽孢杆菌、波茨坦短芽孢杆菌和溜曲霉菌的液体菌剂。本发明的菌剂具有协同作用，在高氮纯秸秆物料的腐熟过程中能减少氮素的损失，加快纤维素的降解，在较短时间内完成物料的腐熟。所述菌剂的菌株易获得，复合菌剂制作过程简单易操作；与菌剂和高氮纯秸秆物料对应的快速腐熟应用方法操作简单，物料可为纯秸秆，可在秸秆产地原位进行快速腐熟，腐熟后的肥料氮含量高。

Description

一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂及其应用
技术领域
本发明属于农业生物质废弃物快速腐熟菌剂技术领域，具体涉及一种适用于高氮纯秸秆物料的腐熟菌剂及其应用，尤其适合以含氮量较高的秸秆为主的物料腐熟使用。
背景技术
随着生活水平的提高，人们对农产品的需求日益提高，造成大量的作物秸秆、蔬菜秸秆等农业废弃物产生。随意丢弃、堆放的农业废弃物不仅会影响环境，成为病菌、蚊虫滋生的摇床，还会因其中氮磷营养盐的流失造成水环境的面源污染。如今，快速腐熟技术已经成为处理生物质废弃物的有效方法，可以有效地将各种废弃物转化为有机肥，避免环境污染和氮磷的流失。
秸秆快速腐熟的关键是微生物是否能快速生长、降解物料。目前，蔬菜秸秆等高氮秸秆废弃物进行快速腐熟具有以下局限：一是这类废弃物具有较高的含氮量，蔬菜秸秆为例，氮含量可达2.02％-5.69％，C/N在8.27-22.35之间，低于快速腐熟最适C/N范围25-30，如果直接进行快速腐熟，会导致大量的氮素被氨化变成氨气散失，降低了最终肥料的肥效。二是蔬菜秸秆中也含有较多的木质纤维素，而木质纤维素属于难降解的高聚物，如何将木质纤维素快速、高效地降解是这类废弃物进行快速腐熟的一个重点。
针对这类含氮量高、木质纤维素含量高的废弃物，现有的快速腐熟菌剂难以同时兼顾，或是微生物缺少保氮功能，造成腐熟过程中氮素的流失；或是缺少高效的木质纤维素降解能力，导致木质纤维素大量残留；或是菌剂不耐高温，在高温期大量休眠甚至死亡。
因此本发明主要是研发了一种适用于蔬菜秸秆这类高氮秸秆废弃物快速腐熟的微生物菌剂，以及对应的快速腐熟应用方法。
发明内容
本发明针对目前缺乏适用于高氮纯秸秆物料快速腐熟的微生物菌剂的问题，研发了一种针对高氮物料快速腐熟的微生物菌剂及其应用方法，在仅使用纯秸秆作为物料的情况下进行快速腐熟，可做到腐熟用时短，氮素流失少，木质纤维素降解率较高，物料的腐熟效果好。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方法：
适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂为液体菌剂，其主要活性成分为：解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、波茨坦短芽孢杆菌(Brevibacillusborstelensis)和溜曲霉菌(Aspergillus tamarii)。
3种菌种均可通过商业途径获得，例如美国菌种保藏中心(ATCC)、中国农业微生物菌种保藏管理中心(ACCC)或中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)等，或者从环境中自行分离。其中解淀粉芽孢杆菌和波茨坦短芽孢杆菌都能在高温条件下快速生长，保持较高的微生物活性和纤维素降解能力；而溜曲霉菌被发现与两株菌存在较高的协同作用，纤维素降解能力得到提升。
本发明的快速腐熟菌剂是由解淀粉芽孢杆菌、波茨坦短芽孢杆菌、溜曲霉菌的液体菌剂按照CFU比值(1～2)：(1～2)：(1～2)混合而成。
本发明的另一目的在于提供一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂制备方法，包括以下步骤：
(1)将解淀粉芽孢杆菌、波茨坦短芽孢杆菌使用细菌CMC-Na培养基，放于恒温摇床以45-50℃、120-200rpm培养24-48h，获得种子菌液；溜曲霉菌使用真菌CMC-Na培养基，放于恒温摇床中28-33℃，120-200rpm培养24-48h，获得种子菌液。
(2)分别测量3种微生物的种子菌液的CFU，以解淀粉芽孢杆菌：波茨坦短芽孢杆菌：溜曲霉菌＝(1～2)：(1～2)：(1～2)的CFU比值将三种微生物的种子菌液接种于羧甲基纤维素钠高氮液体培养基中，每种种子菌液接种量为羧甲基纤维素钠低氮液体培养基体积的0.2％-0.5％。于恒温摇床30-33℃，120-200rpm培养96-120h，即制得复合液体微生物菌剂。
特别的，其中所使用的的培养基配方为：
细菌CMC-Na培养基配方为：羧甲基纤维素钠(CMC-Na)15.0g、(NH4)2HPO31.0g、酵母提取物(Yeast extract)1.0g、MgSO4·7H2O 0.5g、K2HPO4 1.0g和蒸馏水1000ml。
真菌CMC-Na培养基为羧甲基纤维素钠真菌培养基，配方为：羧甲基纤维素钠(CMC-Na)15.0g、(NH4)2SO4 4.5g、胰蛋白胨1.2g、MgSO4·7H2O 0.5g、KH2PO42.0g和蒸馏水1000ml。
羧甲基纤维素钠高氮液体培养基配方为：羧甲基纤维素钠9-11g、胰蛋白胨1.8-2.2g、酵母提取物(Yeast extract)1.8-2.2g以及蒸馏水1L。
本发明的另一目的在于提供一种适用于高氮纯秸秆物料的堆肥方法，包括以下步骤：
(1)主要原料为高氮型秸秆废弃物如蔬菜秸秆、废弃瓜果、废菌糠，辅助物料为其他含氮量较低的秸秆如水稻秸秆。腐熟开始前需要将各物料粉碎至1-3cm长度，最好使用秸秆铡揉机进行。按照主要物料、辅料的干物质重量比(3～4):(1～1.2)进行混合。
(2)在物料混合过程中均匀添加前述制备方法制得的复合液体微生物菌剂，添加量为混合物料重量的0.5-0.75％，同时少量补充清水，使混合物料含水率在55％-65％；混匀后的物料最好堆放于具有保温功能的箱体内，堆体高度不低于60cm，在高温阶段(50℃以上)和中温阶段(40-50℃)适时鼓风换气；在腐熟阶段(40℃以下)可不进行鼓风，直至堆体温度与环境温度趋于一致时结束。
上述堆肥方法中，使用纯秸秆物料作为原料，主要物料为含氮量较高的蔬菜秸秆、废菌糠，为平衡较高的氮含量以及蔬菜秸秆中的大量水分，使用水稻秸秆进行调节，使混合物料C/N在最适范围25-30，含水率在55％-65％。而且即使混合物料C/N在18-25时，仍能在较短的时间内完成腐熟，更多地保留物料中的氮素，同时降解大量木质纤维素、生成更多腐殖质。
与现有的快速腐熟菌剂以及腐熟操作方法对比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的微生物菌剂和快速腐熟方法可在30天内完成纯秸秆物料的腐熟过程，远少于秸秆自然腐烂需要的60-90天时间。
(2)本发明的微生物菌剂为针对高氮类秸秆物料而研制的，在物料C/N在18-25时可完成快速腐熟的过程，不仅具有良好的保氮效果，还具有较高的木质纤维素降解能力，可在保留物料中丰富的氮素的同时，将更多的木质纤维素转化为稳定的腐殖质。
(3)本发明的微生物菌剂中含有嗜热的细菌，在高温期可以保持很高的微生物活性，不会因温度过高而休眠甚至失活；同时含有嗜温型的真菌，在腐熟中后期温度不高时能高效的降解木质纤维素，且与嗜热菌存在协同效应。
(4)本发明所使用的快速腐熟操作方法中，使用不同秸秆物料如水稻秸秆进行C/N、含水率的调节，减少了其他原料的需求，所用的不同秸秆获取方便，利于在秸秆产地实地进行快速腐熟。经调节后的混合物料具有合适的C/N，从物料配比的角度进一步减少物料中的氮素损失。
附图说明
图1添加菌剂与未添加菌剂的物料温度变化图；
图2添加菌剂与未添加菌剂的物料总氮含量变化图；
图3添加菌剂与未添加菌剂的物料C/N变化图；
图4添加菌剂与未添加菌剂的物料有机质降解率变化图；
图5添加菌剂与未添加菌剂的物料纤维素含量变化图。
具体实施方法
为了进一步阐述本发明的技术方案所涉及的菌剂和快速方法，给出以下实施例。所述实施例不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1、混合菌剂的制备
1.1培养基配方
1)羧甲基纤维素钠细菌培养基：羧甲基纤维素钠(CMC-Na)15.0g；(NH4)2HPO31.0g；酵母提取物(Yeast extract)1.0g；MgSO4·7H2O 0.5g；K2HPO4 1.0g；蒸馏水1000ml。
2)羧甲基纤维素钠真菌培养基：羧甲基纤维素钠(CMC-Na)15.0g；(NH4)2SO4 4.5g；胰蛋白胨1.2g；MgSO4·7H2O 0.5g；KH2PO4 2.0g；蒸馏水1000ml。
3)羧甲基纤维素钠高氮培养基：羧甲基纤维素钠(CMC-Na)10.0g，胰蛋白胨2.0g,酵母提取物(Yeast extract)2.0g，蒸馏水1000mL。
1.2.各菌株种子液的培养
在无菌条件下，将解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、波茨坦短芽孢杆菌(Brevibacillus borstelensis)分别接种在50ml装有羧甲基纤维素钠细菌培养基的锥形瓶中，放置于50℃，150rpm的恒温摇床中培养48h；将溜曲霉菌接种在装有50ml羧甲基纤维素钠真菌培养基的锥形瓶中，放置于30℃，150rpm的恒温摇床中培养48h，即得到各菌株种子液。
1.3混合菌剂的制备
分别测量3种微生物的种子菌液CFU，解淀粉芽孢杆菌、波茨坦短芽孢杆菌、溜曲霉菌的CFU分别为1×1011、9×1010、5×109，使用无菌的相同细菌/真菌CMC-Na培养基将各种子液稀释到相同的菌浓度5×109后，各取1ml稀释后的种子液加入500mL无菌的高氮羧甲基纤维素钠培养基，于恒温摇床中30℃，150rpm培养4-5天，即得到混合菌剂。
实施例2、菌剂的快速腐熟实验
2.1物料的处理和建堆
主要物料为新鲜蔬菜秸秆和风干废菌糠，辅助物料为风干水稻秸秆。腐熟开始前需要将蔬菜秸秆切碎至5cm以下，废菌糠由块状捣碎成小颗粒装，使用秸秆铡揉机将水稻秸秆粉碎至1-3cm长度。按照蔬菜秸秆、废菌糠、水稻秸秆重量比3:3:1进行混合。
在物料混合过程中均匀添加500mL实施例1中制得的混合菌剂，并少量补充清水，使含水率在55％-65％。混匀后的物料堆放于具有保温功能的箱体内，堆体高度约60-70cm，并在堆体中央***通风柱，并配备鼓风机从底部和通风柱进行鼓风，箱体底部可排放渗滤液。用智能温度记录仪进行温度测量和记录，温度探头位于堆体中央。同时设置不添加菌剂对照组。
2.1.2腐熟过程中的操作方法
腐熟过程中，在高温阶段(50℃以上)时每6-8小时鼓风一次，每次鼓风量为堆体体积的1-1.5倍；在中温阶段(40-50℃)时每12-24小时鼓风一次，鼓风量为堆体体积0.5-0.8倍；在腐熟阶段(40℃以下)可不进行鼓风，直至堆体温度与环境温度趋于一致时结束，总计27天。根据实际情况，分别在0、2、5、10、15、20、27天进行取样，每次取样后进行一次翻堆。
2.2腐熟效果检查与结果
2.2.1物料外观变化
经27天的腐熟后，物料由明显的绿色蔬菜叶、浅黄色的水稻秸秆、浅棕色废菌糠转变为深棕色看不到菜叶的有机肥，并且体积减少约50％，腐熟后可见到通风的白色圆管。说明使用本发明设计的腐熟工艺对物料的减量化作用十分明显。
2.2.2温度变化
温度是反应堆体中微生物活跃度的重要指标。从图1中可以看到，添加菌剂组与未添加菌剂组在前期升温基本一致，最高温到达到了60℃。但是两组的温度下降快，这与物料为纯秸秆物料可供微生物快速分解的物质含量少有关。
但是两组都出现了二次升温，并且添加菌剂组二次升温持续时间更长，说明添加的菌剂在腐熟中后期对物料的消耗降解更多。
2.2.3总氮变化
氮元素是高氮物料中含量相对其他物料较高的元素，因此也比其他物料的腐熟过程更易出现氮素转化为氨产生挥发。因为氮素相对其他含量大的C、O等元素的消耗速率低，所以经过腐熟后物料的总氮含量呈升高，若氮素损失严重，则表现出的是总氮含量升高幅度低。图2中可以看到，两组堆体的总氮含量逐渐升高，前20天两组实验的总氮含量交替上升，但在27天时可以看到添加菌剂组的总氮含量更高。从表1中看到，经过27天的腐熟，添加菌剂组的含氮量比未添加菌剂组高，从升高程度上看，菌剂提升了12.4％，说明添加菌剂后有利于物料总氮含量的升高，即有利于氮素的保留。
表1添加菌剂与未添加菌剂的物料前后总氮(干重百分比)变化
2.2.4C/N变化
C/N的变化是反应腐熟进程的重要指标。从图3中可以看到，C/N的变化比较相似，由于起始物料的C/N即达到18左右，小于最适C/N范围25-30。有研究指出，当物料C/N达到16-18时即可认为腐熟，并且C/N下降会趋于平缓。但是本发明所用的复合菌剂与快速腐熟方法不仅可以在物料C/N小于20时进行快速腐熟，还可以使物料的C/N快速持续下降，最终达到11.5左右。还可以看到添加菌剂有C/N下降到更低，说明腐熟效果优于未添加菌剂组。
2.2.5有机质含量变化
有机质是腐熟过程中微生物赖以生存的物质，而秸秆这类废弃物的特点是有机质含量十分高，因此更利于微生物的利用和分解。腐熟的过程是有机质逐渐被分解的过程，因此有机质的变化在一定程度上可以反映出腐熟的进程。从图4中可以看到，添加菌剂后有机质不仅下降更快，并且在27天时有机质含量更低，从表2中看到，添加菌剂组的有机质降解率为16.94％，而未添加菌剂组的有机质降解率仅为13.56％，表明了添加菌剂可促进有机质的降解，能使物料中更多的有机质被消耗、降解转化为其他物质，腐熟效率更高。
表2添加菌剂与未添加菌剂的物料前后有机质含量(干重百分比)变化
2.2.6纤维素含量变化
纤维素是难以被生物快速降解的高聚合化合物，是纯秸秆中含量很大的一类物质。从图5中可以看出，两组在前5天的纤维素含量不降反升，这是因为在腐熟前5天的高温期时，微生物更倾向于消耗物料中的易降解有机质，而难降解的纤维素基本没有消耗，导致纤维素含量的相对升高。而5-27天内，纤维素含量不断下降，这是微生物开始分解纤维素的结果。从表3中可以看到，添加菌剂组的纤维素降解率为30.7％；而未添加菌剂组的纤维素降解率为25.7％，即添加菌剂后纤维素含量下降更快、降解量更多，说明本发明的菌剂有助于纤维素的降解，添加后可以分解物料中更多的纤维素，提高物料的降解率。
表3添加菌剂与未添加菌剂的物料前后纤维素含量(干重百分比)变化
2.2.7腐殖酸含量变化
物料的腐熟过程就是有机物腐殖化的过程，经过腐熟后的肥料含有丰富的腐殖酸，因此腐殖酸含量也是评价腐熟效果的重要因素。从表4中可以看到，经过腐熟后腐殖酸都有所升高，而添加菌剂组的腐殖酸升高41.4％，高于未添加菌剂组的31.1％，表明添加菌剂后可以将更多的有机物转化为腐殖酸，腐熟后获得的肥料含有有过对土壤有益的腐殖酸物质。
表4添加菌剂与未添加菌剂的物料前后腐殖酸含量(干重百分比)变化
2.2.8种子发芽指数变化
种子发芽指数是指标物料是否腐熟完成的重要指标。一般认为，当种子发芽指数大于80％时，所得肥料可认为已经腐熟，当大于100％时，说明所得肥料不仅对种子无毒，还能促进种子萌发和幼苗生长。从表5中可以看到，所有种子发芽指数均大于100％，说明物料对种子没有毒害作用。腐熟结束即27天时，添加菌剂组的种子发芽指数比未添加菌剂组的大35.7％，并且在20天时的种子发芽指数已达122.4％，已经比未添加菌剂组27天时118.8％要高，说明添加菌剂后可以缩短7天左右的腐熟时间。
表5添加菌剂与未添加菌剂的物料种子发芽指数
综上所述，本发明所提供的一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂及相应的快速腐熟方法，在实际使用中可以在达到快速腐熟的基本目的上，减少物料中氮的损失，提高物料中有机质尤其是纤维素的降解率，生成更多的腐殖酸，提高腐熟效率，可在较短的腐熟时间内完成物料的腐熟。

Claims (10)

1.一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂，其特征在于，菌剂的活性成分为：解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、波茨坦短芽孢杆菌(Brevibacillusborstelensis)和溜曲霉菌(Aspergillus tamarii)。
2.如权利要求1所述的适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂，其特征在于，由解淀粉芽孢杆菌、波茨坦短芽孢杆菌、溜曲霉菌的液体菌剂按照CFU比值(1～2)：(1～2)：(1～2)混合而成。
3.一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、波茨坦短芽孢杆菌(Brevibacillus borstelensis)使用细菌CMC-Na培养基，放于恒温摇床以45-50℃、120-200rpm培养24-48h，获得种子菌液；溜曲霉菌(Aspergillus tamarii)使用真菌CMC-Na培养基，放于恒温摇床中28-33℃，120-200rpm培养24-48h，获得种子菌液；
分别测量3种微生物的种子菌液的CFU，以解淀粉芽孢杆菌：波茨坦短芽孢杆菌：溜曲霉菌＝(1～2)：(1～2)：(1～2)的CFU比值将三种微生物的种子菌液接种于羧甲基纤维素钠高氮液体培养基中，于恒温摇床30-33℃，120-200rpm培养96-120h，即制得复合液体微生物菌剂。
4.根据权利要求3所述的适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂制备方法，其特征在于：
所述的细菌CMC-Na培养基配方为：羧甲基纤维素钠15.0g、(NH4)2HPO3 1.0g、酵母提取物1.0g、MgSO4·7H2O 0.5g、K2HPO4 1.0g和蒸馏水1000ml；
所述的真菌CMC-Na培养基为羧甲基纤维素钠真菌培养基，配方为：羧甲基纤维素钠15.0g、(NH4)2SO4 4.5g、胰蛋白胨1.2g、MgSO4·7H2O 0.5g、KH2PO4 2.0g和蒸馏水1000ml；
所述的羧甲基纤维素钠高氮液体培养基配方为：羧甲基纤维素钠9-11g、胰蛋白胨1.8-2.2g、酵母提取物1.8-2.2g和蒸馏水1L。
5.根据权利要求3所述的适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟菌剂制备方法，其特征在于，种子菌液接种量为羧甲基纤维素钠高氮液体培养基体积的0.2％-0.5％。
6.一种适用于高氮纯秸秆物料的快速腐熟方法，其特征在于，包括以下步骤：以高氮型秸秆作为主料，低氮型秸秆作为辅料，按照主料、辅料的干物质重量比(3～4):(1～1.2)进行物料混合，各物料需预先粉碎至1-3cm长度；
在物料混合过程中均匀添加权利要求3所述制备方法制备得到的复合液体微生物菌剂，添加量为混合物料重量的2.5-5％，同时少量补充清水，使混合物料含水率在55％-65％；混匀后的物料堆放于具有保温功能的箱体内，堆体高度不低于60cm，在50℃以上的高温阶段和40-50℃的中温阶段定时鼓风换气；在40℃以下的腐熟阶段不进行鼓风，直至堆体温度与环境温度趋于一致时结束。
7.根据权利要求6所述的快速腐熟方法，其特征在于，所述的低氮型秸秆为水稻秸秆。
8.根据权利要求6所述的快速腐熟方法，其特征在于，所述的高氮型秸秆包括蔬菜秸秆、废弃瓜果、废菌糠。
9.根据权利要求6所述的快速腐熟方法，其特征在于，混合物料的C/N为25-30。
10.根据权利要求6所述的快速腐熟方法，其特征在于，混合物料的C/N为18-25。
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