CN110183260A - 一种利用生物制氢发酵液制备的植物营养液及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于微生物发酵肥料加工技术领域，具体涉及一种利用生物制氢发酵液制备的植物营养液及其应用。所述植物营养液是将生物制氢发酵液过滤、除菌，稀释后即可作为植物营养液应用；基于一个总的发明构思，本发明还公开了该植物营养液的应用。采用本发明所述植物营养液对小白菜种子和青蒜幼苗进行培养后，能够促进小白菜种子萌芽，并对青蒜幼苗的生长产生促进作用。

Description

一种利用生物制氢发酵液制备的植物营养液及其应用

技术领域

本发明属于微生物发酵肥料加工技术领域，具体涉及一种利用生物制氢发酵液制备的植物营养液及其应用。

背景技术

生物制氢技术是使用农作物秸秆等废弃物为发酵原料，利用微生物自身的新陈代谢将农业废弃物转化为清洁氢能源，从而实现了生物资源化利用；近几年，在生物制氢技术领域，光合细菌制氢以其产氢效率高、产物抑制小等优势成为生物制氢技术发展的热点。然而，在生物制氢发酵过程中，受细菌代谢能力以及秸秆本身特性的影响，发酵底物很难完全被利用；另外，生物制氢发酵液中还富含大量有机营养物，如果直接排放会带来严重的环境污染问题；随着生物制氢产业化应用的加快，寻找一种发酵废液的有效利用途径，是生物制氢领域必须要解决的问题之一。

目前，关于生物制氢发酵液的应用研究有很多，如尹芳、胡觉等利用富含有机酸的发酵料液进行甲烷的生产，并将生物产氢与产甲烷联合进行，使生物制氢第一阶段产生的CO₂气体也作为甲烷生产的原料，从而提高甲烷得率；Niessen J,Schroder U等利用暗发酵产氢后的发酵产物作为微生物电池的主要基质进行发电，使生物电就地转化，提高整个产氢过程的能量产率；S. Venkata Mohan等以生物制氢富酸废水为主要底物进行聚羟基链烷酸酯（生物塑料）的生产，实现生物制氢与生物塑料生产的一体化；王毅等从光合细菌产氢发酵液中分离提取的聚β羟基丁酸（PHB），可替代抗生素使用于水产动物养殖，以用来提高水产动物成活率，保证食品安全。但是在现阶段，上述关于生物制氢发酵液的应用研究受技术瓶颈制约很难大规模应用，主要还停留在理论阶段。

发酵液中包含氮、钾、硅、钠、镁、钙等农作物生长必不可缺少的营养元素，且一些富酸发酵液可螯合土壤中不溶性磷酸盐的阳离子，使磷酸盐增溶，更容易被作物所吸收利用了，因此将发酵结束的废液制成生物肥料是一种既环保又易于实现的技术方案，如专利CN108440108A中发明了一种多元素蔬菜微生物肥料，能够促进蔬菜对土壤微量元素的吸收，进而达到改善土壤的目的，实现蔬菜增产；但是，该专利公开的生物肥料中，发酵液的分量很少，只占3-6份，远不能满足发酵废液生物资源化利用的目的。而且，在生物制氢发酵液中还存在乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等代谢产物，有些代谢产物甚至会对植物生长产生抑制作用；因此，开发一种既能促进植物生长，又能有效解决生物制氢发酵废液资源利用问题的生物肥料是本发明的技术目的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种用生物制氢发酵液制备的植物营养液，既能促进植物生长，又能解决生物制氢发酵废液资源利用问题；并且基于一个总的发明构思，本发明还公开了该植物营养液的应用。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用生物制氢发酵液制备的植物营养液，将生物制氢发酵液过滤、除菌，稀释后即可作为植物营养液应用；所述生物制氢发酵液通过以下步骤制得：

1）在产氢培养基中加入玉米秸秆和纤维素酶；

产氢培养基配方为：NH₄Cl 0.4 g/L、MgCl₂ 0.2 g/L、酵母膏 0.1 g/L、K₂HPO₄ 0.5 g/L、NaCl 2 g/L、谷氨酸钠 3.56 g/L；

所述玉米秸秆添加量为20-40g/L；所述纤维素酶的添加量为酶负荷150mg/g秸秆；

2）调节培养基pH值到6.5-7.5，然后按照接种量25-35%接入活化培养后的HAU-M1光合细菌菌群；所述HAU-M1光合细菌菌群的组成及质量配比为，深红红螺菌27%、荚膜红假单胞菌25%、沼泽红假单胞菌28%、类球红细菌9%、荚膜红细菌11%；

3）将反应器置于光强为2000-3500 Lx，温度为25-30℃的培养箱中培养90-100h，即得。

优选的，所述生物制氢发酵液在稀释前pH值为6.5-6.9。

优选的，所述生物制氢发酵液中Si、Na、K、Mg、Ca、P、S的含量范围为1397-1545mg/L、1222-1350、860-951mg/L、474-524mg/L、199-219mg/L、91-101mg/L、75-83mg/L。

基于一个总的发明构思，本发明还公开了上述植物营养液在植物栽培中的应用，将植物种子置于所述营养液中，25-35℃摇动培养12-48h，然后将种子取出并清洗，载入土中或无土栽培。

优选的，所述营养液中生物制氢发酵液的浓度为0.25%-1%。

进一步优选的，所述植物为小白菜。

基于一个总的发明构思，本发明还公开了上述植物营养液在植物栽培中的另一种应用，将出芽后的植物幼苗置于植物营养液中培养5-7天，培养时营养液浸没植物幼苗根部；之后将幼苗移出，载入土中或无土栽培。

优选的，所述营养液中生物制氢发酵液的浓度为5%。

进一步优选的，所述植物为青蒜。

生物制氢发酵液中富含多种适宜植物吸收的营养元素，经测定，含量最高的为Si，Na，K，Mg，Ca，其次为P，Al，S，是一种优良的植物营养剂；植物种子萌发及幼苗生长不仅需要充足的养分，还需要合适的环境因素，其中培养环境pH值是影响种子萌发和幼苗生长的重要因素；光合产氢发酵液的微酸环境为一些喜酸植物种子萌芽和幼苗生长提供了适宜的环境，进一步促进了植物种子及幼苗对养分的吸收。

同时，本发明的研究发现，生物制氢发酵液中可能存在植物种子萌芽和幼苗生长的抑制因子，高浓度生物制氢发酵液以及过长的培养时间均会对种子萌芽及幼苗生长产生抑制；另外，针对同一种植物，种子萌芽与幼苗生长所需要的生物制氢发酵液浓度也不相同，需要根据植物特性，选择合适的生物制氢发酵液浓度以及培养时间才能达到较好的培养效果。

采用本申请技术方案，用0.25%-1%浓度生物制氢发酵液对小白菜种子处理后，可以促进小白菜种子萌发，并对萌芽幼苗的根部生长产生促进作用；用5%浓度生物制氢发酵液对青蒜幼苗植株进行培养时，培养6-7天青蒜幼苗的植株生长优于市售营养液培养条件。

附图说明

图1 不同条件下小白菜种子萌发率对比；

图2 不同条件下小白菜种子萌发速率指数对比；

图3 不同条件下小白菜幼苗根粗对比；

图4不同条件下小白菜幼苗根长对比；

图5不同条件下小白菜幼苗须根数对比；

图6不同条件下小白菜幼苗径长对比；

图7不同条件下青蒜幼苗的径粗变化曲线；

图8不同条件下青蒜幼苗的株高的增长曲线；

图9 X射线荧光技术对发酵液进行元素分析结果。

具体发明内容

以下结合具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

需要说明的是，下述实施例中所采用的HAU-M1光合细菌菌群为已知菌群，由河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室提供；实际应用时，也可将单独对应菌种培养后按比例配制即可；

所用市售植物营养液为北京云大中天农业科技有限公司生产的植物营养素；其他各种原料均为普通市售产品，或者通过本领域技术人员公知的方法或者现有技术中公开的方法获得；

1、光合产氢菌种

所用HAU-M1光合产氢细菌菌群，以质量比计，由深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）27%、荚膜红假单胞菌(R.capsulata) 25%、沼泽红假单胞菌(R.pulastris) 28%、类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）9%、荚膜红细菌（Rhodobacter capsulatus）11%组成；

2、产氢培养基配方

NH₄Cl 0.4 g/L、MgCl₂ 0.2 g/L、酵母膏 0.1 g/L、K₂HPO₄ 0.5 g/L、NaCl 2 g/L、谷氨酸钠 3.56 g/L；

3、发酵培养

称取玉米秸秆5 g置于锥形瓶中；加入180mL按照上述配方配制的产氢培养液；按照酶负荷150 mg/g秸秆加入纤维素酶，震荡使其充分溶解；调节培养基pH值到6.5-7.5，然后按照接种量25-35%接入活化培养后的HAU-M1光合细菌菌群；将反应器置于光强为2000-3500Lx，温度为25-30℃的培养箱中培养90-100h，即得光合产氢发酵液。

实施例1

为了考察光合产氢发酵液对植物种子萌芽的影响，取稀释后的发酵液20ml于锥形瓶中，每个锥形瓶中放入20颗小白菜种子，同时设纯水处理作为对照，每组设置2组重复，试验结果取两组平均值；发酵液的稀释浓度分别为0.25%、0.5%、1%、3%、5%、10%、30%、50%和100%；

1、试验方法

将锥形瓶置于恒温摇床，30℃，150rpm，培养24h；将小白菜种子取出并用清水冲洗数次，然后移入玻璃培养皿中；种子上下各铺1层滤纸，每日早晚2次以去离子水湿润滤纸；所述玻璃培养皿放至光照培养箱内催芽，培养箱温度保持在25℃；

2、测定方法

自催芽开始后每隔24 h调查萌发种子数，以幼芽伸出2 mm以上为萌出依据。不再有新的种子萌出后计算种子的萌发率，并从每皿中选出3株长势最佳的幼苗，测定其茎长、茎粗、根数和总根长等形态学参数，本实验设置两组平行试验，实验结果取两组实验的平均值；

种子萌发率=种子萌发结束后正常发芽的种子数/实验所用的总种子数 （1）

种子萌发速率指数S=(N1/1+N2/2+N3/3+...)/(N1+N2+N3+...) （2）

N_l、N₂和N₃分别为催芽开始后第1、2和3天时出芽的种子数；所述种子萌发速率指数用以考察种子的萌发速度；

3、试验结果分析

不同浓度发酵液对小白菜种子萌发率和萌发速率指数的影响如图1和图2所示；从图中可以看出，小白菜的种子萌发率在发酵液浓度为0.5%和1%条件下最大，达到接近100%，高于对照组的97.5%；当发酵液浓度为0.25%和3%时，种子萌发率与对照组一致；随着发酵液浓度的继续增加，种子萌发率出现一定程度的波动，但是均低于对照组；当发酵液浓度达到50%时，种子萌发率下降超过50%；当发酵液浓度为100%时，浸种后的种子没有幼苗长出；

结合种子萌发速率指数，可以看到当发酵液浓度为0.25％时，小白菜的种子萌发速率指数与对照组相同，达到100%；当发酵液浓度从0.5%增加到5%时，种子萌发速率指数相对对照组略有下降，但是变化幅度不大，分别为98.75%、97.50%、 97.44% 、96.15% ；当发酵液浓度达到10%时，种子萌发速率指数与对照组相比下降明显，仅为74%；

上述试验结果说明，采用适当浓度的光合制氢发酵液对小白菜种子进行浸种处理后可以促进小白菜种子的萌发；

小白菜萌发后，测定幼苗的根粗、根长和须根数，结果对比见图3至图5；从图中可以看出，发酵液浓度为0.25％条件下，小白菜的根粗、根长和须根数分别比对照组提高11.22%、16.54%和65.96%，该条件下小白菜单株须根数最多；当发酵液浓度为0.5％时，小白菜幼苗的跟粗和总根长达到峰值，分别比对照组提高24.09%和29.94%，但须根数比对照组下降17.02%；当发酵液浓度高于1%时，小白菜幼苗的根粗、根长和须根数逐渐下降，当发酵液浓度达到5％时，小白菜幼苗没有须根生成；这说明高浓度的生物产氢发酵液浸种后对小白菜萌芽后的根系发育产生了抑制；

综上，利用0.25%-1%浓度生物制氢发酵液对小白菜种子处理后，可以促进小白菜种子萌发，并对萌芽幼苗的根部生长产生促进作用；

实施例1中同时还考察了不同发酵液浓度对浸种处理后小白菜幼苗径长的影响，试验结果如图6所示；可以看出，与种子萌发和幼苗根系生长不同的是，小白菜幼苗径长随着发酵液浓度的增加出现先降低后增加的趋势，径长峰值出现在发酵液浓度为5%的条件下，比对照组的8.60mm增加了20%，达到10.31mm；当发酵液浓度为10%时，幼苗径长为10.15mm，比对照组提高18%，并高于低浓度0.25%和0.5%处理的试验组；之后，随着发酵液浓度的增加，小白菜幼苗径长逐渐下降。这揭示了，生物制氢发酵液对植物种子与植物幼苗生长的影响作用是不同的，因此接下来本发明考察发酵液浓度对植物幼苗生长的影响。

实施例2

为了考察光合产氢发酵液对植物幼苗生长的影响，将稀释后的发酵液置于一次性塑料盒中，使其浸没青蒜幼苗根部，每盒定值青蒜幼苗8株，每组设置2个重复，同时分别设纯水和市售植物营养液处理作为空白组和对照组；稀释后发酵液的浓度分别为5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%；试验过程中，每隔两天更换一次培养液，每天测定其株高、假茎粗、假茎高、植株叶重、茎重、鲜重、干重；

茎是植物运输营养物质的器官，茎粗反映了植物运送营养物质的能力，不同条件下青蒜幼苗的径粗对比见图7；可以看出，当发酵液浓度为5%时对青蒜幼苗径粗的增长最有利，该条件下青蒜的径粗最大值为5.87mm（第6天），比空白组提高6%，比对照组提高5%；之后，随着培养时间的增加，径粗出现回落，到第8天时，发酵液浓度为5%条件下的青蒜幼苗径粗与空白组和对照组相近似；其他浓度条件下青蒜的径粗增长趋势均低于空白组和对照组；

植物的株高是衡量植物品质的重要指标，不同条件下青蒜幼苗的株高的增长曲线见图8，可以看出当培养时间为6天时，发酵液浓度为5%条件下，青蒜幼苗的株高增长趋势与对照组较为一致，并高于空白组；之后，随着培养时间的增加，发酵液浓度5%的青蒜株高增长速率出现下降，到第8天时，对照组的株高值最大，而浓度5%条件的株高值回落至与空白组的株高值相同；当发酵液浓度为10%和20%时，青蒜幼苗的株高增长趋势与空白组较为接近，但是从培养第7天开始，株高增长速率也出现下降；随着发酵液浓度的增加，青蒜幼苗的株高增长受到的抑制作用也越明显；出现上述情况的原因可能是，在光合制氢发酵液中存在植物幼苗生长的抑制因子；随着幼苗对发酵液中物质的吸收利用，植物体内的抑制因子得到积累，抑制作用就越来越明显；因此采用本申请所述植物营养液来进行植物幼苗培养时，培养6-7天，将幼苗从营养液中取出，植入土中或者改用其他液体无土栽培可消除这种抑制作用；

综上，适宜的发酵液浓度和培养时间可以促进青蒜幼苗植株的生长，当发酵液浓度为5%时，培养6-7天青蒜幼苗的植株生长优于市售营养液培养条件下。

试验例

为了进一步研究利用生物制氢发酵液所制备的植物营养液对植物种子萌发以及幼苗生长的促进作用，发明人对所得生物制氢发酵液的成分进行了分析，发酵液pH值、及生化指标见表1；

表1生物制氢发酵液的pH值、TS、VS、COD及养分含量

用X射线荧光技术对发酵液进行元素分析，结果如图9所示；在光合生物制氢发酵液主要含有Si，Na，K，Ca，Mg，P，Al，S，等多种适宜植物吸收的营养元素，其中Si，Na，K，Mg，Ca含量较高，分别为1470.97、1286.22、906.19、498.95、208.70mg/L，其次为P，Al，S，含量分别为96.18、90.56、78.67mg/L；

硅是促进植物生长的重要元素，能调节蔬菜品质，提高蔬菜可溶性糖含量，增强植物抗重金属毒害能力及抗病害能力；土壤中含硅化合物的溶解度很低，且需要大量的水溶解，所以可被植物利用的有效硅(单硅酸和能转化为单硅酸的盐类)只有50～250 mg·kg-1，实验表明，供给100ppm（相当于100mg/kg）浓度硅，未成熟的贮藏组织每天可增加糖分60mg/g干重，生物制氢发酵液中的硅含量为1518mg/kg，相当于上述15倍的硅含量；钠可维持细胞液渗透压，与ATP酶的活性有关，且钠可在很大程度上代替钾，减少因缺钾造成的减产现象，还可增加植物抗旱性；钾是植物三要素之一，是三大酶类（合成酶、氧化还原酶、转移酶）的活化剂，参与植物的核酸代谢，糖代谢，蛋白质代谢等主要代谢过程，发酵液中钾的含量为906.19mg/L，大于200mg/kg，可达到土壤含钾量的一级水平；镁是植物细胞中重要的二价阳离子，可参与植物体内酶、叶绿素、核酸等的合成，维持细胞正常形态，我国土壤有效镁的平均含量为320.6mg/L，发酵液中镁的含量为498.95mg/L，处于丰富水平，可满足植物对镁的需求；钙以果胶酸钙的形态参与细胞壁和胞间层的组成,植物缺钙则无法形成细胞壁，从而抑制细胞的***和形成,进而影响根尖、茎尖分生组织的生长发育；磷主要参与植物细胞的核酸、核蛋白等多种功能性分子的合成，促进植物根系的生长发育，是植物生长发育所需的重要元素，土壤的全磷含量在0.44~0.85g/kg，然而土壤中的磷多以难溶态存在，导致其难以被植物直接吸收，生物制氢发酵液中的磷含量为96.18mg/L ，且为可溶状态，非常有利于植物的吸收利用。

Claims (9)

1.一种利用生物制氢发酵液制备的植物营养液，其特征在于：将生物制氢发酵液过滤、除菌，稀释后即可作为植物营养液应用；所述生物制氢发酵液通过以下步骤制得：

（1）在产氢培养基中加入玉米秸秆和纤维素酶；

产氢培养基配方为：NH₄Cl 0.4 g/L、MgCl₂ 0.2 g/L、酵母膏 0.1 g/L、K₂HPO₄ 0.5 g/L、NaCl 2 g/L、谷氨酸钠 3.56 g/L；

所述玉米秸秆添加量为20-40g/L；所述纤维素酶的添加量为酶负荷150mg/g秸秆；

（2）调节培养基pH值到6.5-7.5，然后按照接种量25-35%接入活化培养后的HAU-M1光合细菌菌群；

所述HAU-M1光合细菌菌群的组成及质量配比为，深红红螺菌27%、荚膜红假单胞菌25%、沼泽红假单胞菌28%、类球红细菌9%、荚膜红细菌11%；

（3）将反应器置于光强为2000-3500 Lx，温度为25-30℃的培养箱中培养90-100h，即得。

2.如权利要求1所述的植物营养液，其特征在于：所述生物制氢发酵液在稀释前的pH值为6.5-6.9。

3.如权利要求1所述的植物营养液，其特征在于：所述生物制氢发酵液中Si、Na、K、Mg、Ca、P、S的含量范围为1397-1545mg/L、1222-1350、860-951mg/L、474-524mg/L、199-219mg/L、91-101mg/L、75-83mg/L。

4.权利要求1所述植物营养液在植物栽培中的应用，其特征在于：将植物种子置于植物营养液中，25-35℃摇动培养12-48h，然后将种子取出并清洗，载入土中或无土栽培。

5.如权利要求4所述植物营养液在植物栽培中的应用，其特征在于：所述营养液中生物制氢发酵液的浓度为0.25%-1%。

6.如权利要求4或5所述植物营养液在植物栽培中的应用，其特征在于：所述植物为小白菜。

7.权利要求1所述植物营养液在植物栽培中的应用，其特征在于：将出芽后的植物幼苗置于植物营养液中培养5-7天，培养时营养液浸没植物幼苗根部；之后将幼苗移出，载入土中或无土栽培。

8.如权利要求7所述植物营养液在植物栽培中的应用，其特征在于：所述营养液中生物制氢发酵液的浓度为5%。

9.如权利要求7或8所述植物营养液在植物栽培中的应用，其特征在于：所述植物为青蒜。