堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选鉴定及其强化堆肥研究

论文摘要

在堆肥处理中，纤维素由于结构复杂、降解困难，已成为缩短堆肥周期、提高堆肥效率的限制性因素，因此加速纤维素的分解是实现堆肥物料快速分解、达到腐熟的关键问题之一。目前对于高温环境下嗜热菌的开发利用已经受到广泛重视。嗜热菌具有代谢快、活性高、代时短、酶的热稳定性高、营造高温条件杀死病原菌等特点，对于高温环境下有机物质的生物转化具有不可估量的作用。研究表明，一些功能性嗜热菌对纤维素类物质有很好的降解性能。然而，以往的研究往往着重于常温纤维素分解菌的研究和单一分解菌对堆肥进程的影响，而对嗜热纤维素分解菌及其复合体系的报道很少。为加快堆肥中纤维素的分解，从而进一步加快堆肥进程，本研究就堆肥嗜热纤维素分解菌进行了研究，以期寻找能在堆肥高温期强化纤维素降解的菌种。因此，延长高温期和添加嗜热纤维素分解微生物的设想，可能成为改进堆肥处理工艺、提高堆肥处理效率的新方法。该研究采用传统的培养方法，从添加有微生物样品的嗜热驯化反应器中筛选到15株嗜热纤维素分解菌。将筛选得到的分解菌鉴定后添加至堆肥进行效果验证，通过监测堆肥的温度、pH、C/N、纤维素和半纤维素等指标，考察了添加分解菌的堆肥和对照组在各参数变化上的差异，旨在为堆肥提供优良纤维素分解菌株，以进一步优化堆肥进程。本实验对采集于农业堆肥高温期的微生物样品进行了30天的高温驯化，驯化完成后从嗜热驯化反应器中筛选得到15株嗜热纤维素分解菌，经形态学特征、生理生化反应及16S rDNA序列同源性比对鉴定为：Bacillus sp3株，Paenibacillus sp1株，Bacillus licheniformis3株，Bacillus subtilis4株，Brevibacillus borstelensis1株，Bacillus coagulans3株。筛选结果在不同温度下的纤维素酶活性测定结果表明，筛选得到的菌种均能在55℃-70℃的范围内发挥高效的纤维素酶活性。使用PCR-DGGE技术对嗜热驯化反应器内的细菌群落结构的研究发现：细菌总数呈逐渐降低的趋势，但是整体变化不明显。DGGE图谱相似性（Cs）分析显示：驯化期不同时间的相似性Cs值均比较高，Cs值最高为98，最低为67，其余Cs值均在6798之间，驯化过程中存在嗜热细菌的动态变化，但不太明显。30d时泳道条带为15条，与筛选结果一致。将筛选得到的菌种添加至高纤维素含量的堆肥进行效果验证，结果表明添加嗜热纤维素分解菌对堆肥pH变化无显著影响，但可使高温期平均温度提高0.7℃并使高温期延长2d，可显著地降低堆肥产品的C/N和有机质含量，显著降低纤维素和半纤维素含量，加快堆肥腐熟。堆肥有机质降解动力学结果表明，堆肥接菌和不接菌处理的有机质最大降解度分别为62.5481%和61.7101%，速率常数分别为0.1250day-1和0.1051day-1，接菌处理的堆肥比对照堆肥提前6天达到稳定。研究表明，添加筛选的嗜热纤维素分解菌能缩短堆肥周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 城市生活垃圾的概述
• 1.1.1 城市生活垃圾的定义及分类
• 1.1.2 我国城市生活垃圾的危害及存在的问题
• 1.1.3 城市生活垃圾的收集、运输与处理
• 1.2 堆肥
• 1.2.1 堆肥的定义
• 1.2.2 堆肥过程
• 1.2.3 堆肥的优缺
• 1.3 城市生活垃圾中的纤维素和半纤维素
• 1.3.1 纤维素
• 1.3.2 半纤维素
• 1.4 微生物的鉴定方法
• 1.4.1 传统鉴定
• 1.4.2 BIOLOG 快速鉴定
• 1.4.3 分子生物学鉴定
• 1.4.4 其他手段
• 第2章 嗜热微生物和纤维素分解菌的研究进展
• 2.1 嗜热纤维素分解菌的定义
• 2.2 嗜热纤维素分解菌的生存机理
• 2.3 纤维素分解菌的研究现状
• 2.4 嗜热纤维素分解菌的应用潜力
• 2.4.1 嗜热纤维素分解菌在工业生产中的应用潜力
• 2.4.2 嗜热纤维素分解菌在堆肥中的应用潜力
• 第3章 堆肥嗜热纤维素分解菌的筛选与鉴定
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 菌种的筛选与鉴定
• 3.2.2 菌种的降解性能
• 3.2.3 菌种的系统发育分析
• 3.2.4 嗜热驯化反应器中样品总 DNA 的提取与纯化
• 3.2.5 DNA 纯化样品的 PCR 扩增
• 3.2.6 嗜热驯化期细菌群落分析
• 3.3 结论
• 第4章 堆肥嗜热纤维素分解菌的强化堆肥研究
• 4.1 实验材料与方法
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 堆肥理化参数测定方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 添加 TOC-15 对温度和 pH 的影响
• 4.2.2 添加 TOC-15 对 C/N 的影响
• 4.2.3 添加 TOC-15 对纤维素等的影响
• 4.2.4 添加 TOC-15 对有机质的影响及有机质动力学研究
• 4.2.5 讨论
• 4.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢