农林废物堆肥化中木质素生物降解研究及接种剂开发

论文摘要

目前,堆肥化处理技术已成为农业废物资源化利用技术之一,该方法能实现农业废物循环利用,既可取得良好的经济效益,又可实现清洁生产,防止环境污染。目前,堆肥化处理技术正进入科学化的新阶段,为了改善该技术存在的如历时时间长,肥效低等诸多不足,提高堆肥效率、提升产品质量,使之能大规模推广应用,国内外研究者就堆肥设备、堆肥化工艺、堆肥微生物学、堆肥化控制以及堆肥技术和产品的应用等方面开展了大量研究工作。其中,限速有机物的降解一直被认为是快速堆肥的关键,农业废物堆肥化中的限速有机物主要是指木质纤维素,这类有机物结构坚硬,分解困难,与腐殖质产生有密切联系。木质素是农业废物堆肥化过程中的主要限速有机物,其降解被认为是快速堆肥的关键。本研究采用PLFA方法定量分析堆肥化过程中木质素降解微生物学机理,并以此为依据,研究开发高效堆肥化接种剂。应用PLFA-PLS法构建了木质素含量与PLFA之间的定量回归模型,分析模型参数可发现,农业废物堆肥化过程中木质素的有效降解是数量少、能力强与数量多、能力弱的微生物共同作用的结果,前者主要是真菌、放线菌,后者主要是细菌,其中真菌与放线菌在堆肥化过程中占主导地位。微生物种类较之数量对于木质素降解更为有利。在高温期,有效的木质素降解微生物群落组成为:革兰氏阳性细菌∶革兰氏阴性细菌∶放线菌∶真菌为42∶35∶6∶17;在二次发酵期为:革兰氏阳性细菌∶革兰氏阴性细菌∶放线菌∶真菌为58∶23∶4∶15。微生物浓度数量级为108cells/g dw。选取农林废物堆肥中筛选出的木质素降解优势土著微生物枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、铜绿假单孢菌（Pseudomonas aeruginosa）、黑曲霉（Aspergillus niger）、简青霉（Penicillium simplicissim）、栗褐链霉菌（Streptomyces badius）,依据PLFA-PLS定量分析所得堆肥化二次发酵期有效的木质素降解微生物群落组成比例混合接种至稻草基质发酵瓶中,做一组正交试验L9（34）以优化混合比例,以期研究开发一种基于木质素降解的高效堆肥化接种剂。试验结果表明:混合菌剂具有较强的木质素降解能力,其对木质素降解是木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶、纤维素酶和半纤维素酶共同作用的结果;当按照个数比细菌∶放线菌∶真菌为85∶5∶10;枯草芽孢杆菌∶铜绿假单孢菌为55∶25;黑曲霉∶简青霉为2∶1配比时,木质素、纤维素、半纤维素降解率最高,分别达到22.13%、48.97%、55.93%。在不灭菌的前提下,按此配比接入菌剂相对于不接菌剂发酵稻草其木质素、纤维素、半纤维素降解率分别提高19.16%、38.25%、46.30%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 农业废物概述
• 1.2 农业废物堆肥化研究进展
• 1.2.1 原理与优势
• 1.2.2 存在的主要问题
• 1.2.3 限速有机物的生物降解
• 1.3 堆肥中木质素生物降解
• 1.3.1 木质素的存在、结构与性质
• 1.3.2 堆肥化中木质素降解研究的重要性及相关研究
• 1.3.3 堆肥化中降解木质素的微生物
• 1.3.4 木质素降解酶系
• 1.3.5 木质素降解的化学反应机制
• 1.3.6 堆肥化中各类微生物对木质素降解的机理
• 1.3.7 现存问题和前景
• 1.4 本研究的背景及内容
• 1.5 本研究意义
• 第2章 木质素含量与磷脂脂肪酸的定量模型
• 2.1 概述
• 2.1.1 磷脂脂肪酸（PLFA）法
• 2.1.2 偏最小二乘回归分析法
• 2.1.3 本研究目的
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 堆肥原料
• 2.2.2 堆制方法
• 2.2.3 PLFA 分析
• 2.2.4 结果统计
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 堆肥化主要运行参数
• 2.3.2 GC-MS 分析结果
• 2.3.3 PLS 建模结果
• 2.3.4 模型的验证
• 2.3.5 木质素降解微生物群落结构演替
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于木质素生物降解的堆肥化接种剂开发研究
• 3.1 试验与方法
• 3.1.1 主要材料与仪器
• 3.1.2 菌种来源
• 3.1.3 固态发酵培养条件
• 3.1.4 试验设计
• 3.1.5 生化参数的测定方法
• 3.1.6 理化参数测定
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 不同比例的混合菌组合处理稻草对木质素、纤维素、半纤维素降解率的影响（表3.3）
• 3.2.2 固态培养条件下天然木质纤维素降解结果及混合菌剂产酶分析
• 3.2.3 接入菌剂和不接入菌剂发酵稻草后降解率比较
• 3.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录