秸稈降解菌篩選及其應(yīng)用研究進(jìn)展

　　摘 要 秸稈降解菌是促進(jìn)秸稈降解的關(guān)鍵因素，研制出高效快速降解秸稈的菌劑可較大程度上提高我國(guó)秸稈肥料化應(yīng)用的比重，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展。國(guó)內(nèi)外關(guān)于產(chǎn)纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶等產(chǎn)酶微生物的研究較多，但關(guān)于秸稈降解的應(yīng)用研究較少，市場(chǎng)上也未有應(yīng)用效果較好的產(chǎn)品，應(yīng)該加大秸稈降解菌在堆肥實(shí)驗(yàn)、還田應(yīng)用、環(huán)境馴化等方面的研究及加快秸稈降解菌的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。本研究從高溫、常溫、低溫降解菌 3 方面綜述了水稻、小麥、玉米 3 大作物秸稈降解菌的篩選及應(yīng)用研究進(jìn)展，并總結(jié)出秸稈降解菌進(jìn)一步研究的有利措施，以期能夠?yàn)槲覈?guó)秸稈肥料化應(yīng)用研究提供有利依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞 秸稈; 降解菌; 篩選; 應(yīng)用

　　王炳坤; 郭立煒; 王剛; 張斯童; 張宏澤; 陳歡; 陳光， 分子植物育種 發(fā)表時(shí)間：2021-11-09

　　隨著國(guó)家持續(xù)加大農(nóng)作物秸稈綜合利用支持力度，我國(guó)秸稈綜合利用率已高達(dá) 90%，其中肥料化利用率占 51.2%，秸稈還田是肥料化利用的主要形式，如何高效快速降解秸稈，已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的重點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2017 年全國(guó)秸稈產(chǎn)生量為 8.05 億噸，玉米、水稻、小麥 3 種作物秸稈年產(chǎn)量占比達(dá) 82.42%。在這 3 種作物秸稈中，碳、氧、氮元素及固定碳含量分別均為 41.29%、36.36%、0.66%、16.47% (Han et al., 2020)，其可作為生物炭基肥料的主要原料。

　　現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，秸稈還田主要有堆漚、過(guò)腹、留高茬、旋耕、翻壓、覆蓋、條帶等還田模式(劉芳等, 2012)，無(wú)論哪種處理方式，均依賴微生物的降解，利用微生物降解秸稈是最綠色、高效、經(jīng)濟(jì)的措施。自然界中，可降解秸稈的微生物多達(dá) 200 多種(Tsapekos et al., 2017)，按分解底物的不同可分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、木聚糖等降解菌，按種類可分為真菌、細(xì)菌、放線菌，其主要是通過(guò)產(chǎn)生纖維素酶、葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶等活性酶協(xié)同作用降解秸稈(Bhat and Bhat, 1997)。因此，產(chǎn)酶能力成為衡量秸稈降解菌優(yōu)劣的重要依據(jù)。

　　關(guān)于秸稈降解菌的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，篩選出了適用特定作物(班允赫等, 2019)、特定降解模式(王旭輝等, 2017)、特定溫度(劉建斌等, 2017)等的降解菌，但我國(guó)土地遼闊，地貌氣候復(fù)雜多樣，不同的降解菌在各地的適用情況不一樣，針對(duì)特殊地貌、氣候等秸稈降解菌還需進(jìn)一步研究。本文綜合了不同適宜溫度秸稈降解菌及復(fù)合菌系篩選應(yīng)用情況，以期能夠?yàn)槲覈?guó)東北、西北、青藏高原等特殊低溫地區(qū)秸稈降解菌的篩選應(yīng)用研究提供有力的依據(jù)。

　　1 秸稈降解菌篩選研究進(jìn)展

　　1.1 高溫降解菌

　　秸稈高溫降解菌主要以細(xì)菌為主，包括短小芽孢桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿、熱纖梭菌等，大多是從秸稈堆肥的肥堆中分離篩選得到的，作物種類以水稻秸稈為主，最適產(chǎn)酶溫度最高達(dá) 75℃。其中，熱纖梭菌 M3 僅液態(tài)發(fā)酵 3 天，水稻秸稈纖維素降解率高達(dá) 34.44%。小麥秸稈降解菌僅有從土壤中分離的白耙齒菌的報(bào)道，其主要特性是降解木質(zhì)素;玉米秸稈高溫降解菌堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌應(yīng)用效果最好，液態(tài)發(fā)酵 7 天，秸稈降解率達(dá) 62.9%。高溫放線菌降解菌僅發(fā)現(xiàn)了鏈霉菌 F1、F2，其固體發(fā)酵 10 天，水稻秸稈降解率達(dá) 20%。

　　1.2 常溫(中溫)降解菌

　　秸稈常溫降解菌的報(bào)道較多，真菌、細(xì)菌、放線菌均有較多發(fā)現(xiàn)。真菌秸稈降解菌以青霉、曲霉、枝孢菌等為主，固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵均有應(yīng)用。其中，曲霉 M-17 固態(tài)發(fā)酵 10 天，水稻秸稈降解率達(dá) 34.64%;赭綠青霉菌液態(tài)發(fā)酵 10 天，小麥秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率依次可達(dá) 43.5%、 49.7%、9.3%;尖孢鐮刀菌液態(tài)發(fā)酵 15 天，秸稈降解率高達(dá) 59.43%。細(xì)菌降解菌以桿菌、泛生菌等為主，其來(lái)源多樣，包括從土壤中分離、瘤胃液分離、內(nèi)生菌、發(fā)酵的秸稈分離等。其中，從瘤胃液分離出的金黃桿菌液態(tài)發(fā)酵 10 天，水稻秸稈降解率可達(dá) 34.4%，發(fā)酵 90 天，秸稈降解率高達(dá) 62.5%。放線菌秸稈降解菌以鏈霉菌為主，主要有土壤分離和內(nèi)生菌 2 種來(lái)源。其中，OsiRt-1 液態(tài)發(fā)酵 6 d，水稻秸稈降解率可達(dá) 35.2%;灰略紅鏈霉菌 C-5 固態(tài)發(fā)酵 15 天，水稻秸稈降解率可達(dá) 25.09%;鏈霉菌 GS-4-21 液態(tài)發(fā)酵 5d，秸稈降解率、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率分別為 23.54%、30.33%、31.95%、18.91%。

　　1.3 低溫降解菌

　　秸稈低溫降解菌的報(bào)道較少，玉米秸稈低溫降解菌的報(bào)道較多，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水稻秸稈低溫降解菌的報(bào)道。玉米秸稈降解菌來(lái)源主要有土壤分離、腐解物分離 2 種，草酸青霉應(yīng)用效果較好，液態(tài)發(fā)酵 6 天，玉米秸稈降解率高達(dá) 58%。小麥秸稈降解菌僅有從原始森林土壤種分離的蠟狀芽孢桿菌 LYZ22，盆缽實(shí)驗(yàn) 60 天，秸稈降解率為 30%，加入鈣鎂元素后秸稈降解率提高至 48.48%。

　　2 秸稈降解菌復(fù)合菌系篩選研究進(jìn)展

　　2.1 高溫降解菌

　　秸稈高溫降解菌復(fù)合菌系的報(bào)道較少，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)小麥秸稈降解菌復(fù)合菌系的報(bào)道，以努比鹵地?zé)o氧芽孢桿菌和熱斑土芽孢桿菌組成的玉米秸稈細(xì)菌降解復(fù)合菌液態(tài)發(fā)酵 20 天，秸稈木質(zhì)素、纖維素降解率分別達(dá) 24.51%、20.47%;以黃麻鏈霉菌、芽孢桿菌等組成的玉米秸稈放線菌和細(xì)菌復(fù)合菌固態(tài)堆肥 12 天，秸稈纖維素、半纖維素降解率分別為 21.1%、7.2%。以淀粉芽孢桿菌等細(xì)菌組成的水稻秸稈降解菌液態(tài)發(fā)酵 5 天，秸稈降解率高達(dá) 80.9%;以鏈霉菌組成的水稻秸稈放線菌復(fù)合菌固態(tài)發(fā)酵 10 天，水稻秸稈降解率為 31.27%。

　　2.2 常溫(中溫)降解菌

　　秸稈常溫降解菌復(fù)合菌的報(bào)道相對(duì)較多，水稻、小麥、玉米秸稈降解菌均有報(bào)道，細(xì)菌組成的復(fù)合降解菌較多。以弓形桿菌屬、擬桿菌屬等組成的水稻細(xì)菌降解復(fù)合菌采用尼龍網(wǎng)袋法秸稈還田 5 個(gè)月，降解率高達(dá) 72.7%;以康寧木霉、黃孢原毛平革菌組成的水稻秸稈真菌降解復(fù)合菌固態(tài)發(fā)酵 70 天，水稻秸稈降解率達(dá) 54.74%。小麥秸稈降解復(fù)合菌的報(bào)道較水稻更多一些，主要是以真菌組成的復(fù)合降解菌，從土壤分離出的 Clostridium sp. BNL1100 等復(fù)合降解菌液態(tài)發(fā)酵 16 天，秸稈降解率高達(dá) 76.92%; Uncultured Bacillus sp.等復(fù)合降解菌液態(tài)發(fā)酵 10 天，秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解率分別達(dá) 40.2%、 45.9%、23.6%。玉米秸稈降解復(fù)合菌細(xì)菌、真菌組成的均有，整體上比較，由細(xì)菌組成的復(fù)合降解菌應(yīng)用效果較好，蠟樣芽孢桿菌等組成的復(fù)合降解菌液態(tài)發(fā)酵 7 天，秸稈降解率高達(dá) 60.9%。

　　2.3 低溫降解菌

　　秸稈低溫降解菌僅有玉米秸稈降解菌的報(bào)道，從土壤分離出的混合纖維弧菌、酵母菌等細(xì)菌和真菌組成的復(fù)合降解菌固態(tài)發(fā)酵 30 天，秸稈降解率達(dá) 37.58%，秸稈還田 50 天，秸稈降解率為 32.12%，其應(yīng)用溫度僅有 10℃。從腐解物中分離的木霉、青霉、芽孢桿菌、草螺菌等真菌和細(xì)菌組成的降解復(fù)合菌應(yīng)用溫度為 15℃，液態(tài)發(fā)酵 15 天，秸稈降解率為 32.21%。

　　3 秸稈降解菌應(yīng)用研究進(jìn)展

　　產(chǎn)酶微生物的研究較多，在秸稈降解方面的研究較少。產(chǎn)酶能力是評(píng)價(jià)秸稈降解菌強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于產(chǎn)纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素酶等產(chǎn)酶微生物的研究較多，例如：根霉、土曲霉、嗜熱子囊菌、嗜熱毛殼菌等真菌產(chǎn)酶菌，纖維弧菌、枯草芽孢桿菌、嗜熱裂孢菌等細(xì)菌產(chǎn)酶菌，鏈霉菌、擬諾卡氏菌等放線菌產(chǎn)酶菌。然而，這些優(yōu)良產(chǎn)酶微生物在水稻、小麥、玉米等秸稈降解的應(yīng)用中研究較少，研究深度也較淺，尚未研制出生產(chǎn)應(yīng)用效果較好的產(chǎn)品。

　　秸稈降解菌在菌株篩選方面的研究較多，在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用研究較少。秸稈降解菌的篩選研究較為簡(jiǎn)單，從土壤、腐解物、發(fā)酵堆富集分離菌株后，通過(guò)剛果紅實(shí)驗(yàn)和濾紙條崩解試驗(yàn)就能初步篩選出具有纖維素分解能力的菌株，進(jìn)一步通過(guò)產(chǎn)酶測(cè)定、液態(tài)發(fā)酵、固態(tài)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)就能篩選出具有潛在應(yīng)用價(jià)值的秸稈降解菌。然而，這些降解菌在自然狀態(tài)下的應(yīng)用效果往往不穩(wěn)定，距離推廣應(yīng)用還有較大距離，建議加大秸稈降解菌在堆肥實(shí)驗(yàn)、還田應(yīng)用、環(huán)境馴化方面的研究。

　　通過(guò)對(duì)水稻、小麥、玉米秸稈降解菌篩選及應(yīng)用方面的分析，總結(jié)出秸稈降解菌進(jìn)一步研究應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)秸稈表面有蠟質(zhì)層，自然狀態(tài)下，降解菌短時(shí)間內(nèi)很難直接對(duì)秸稈纖維素、木質(zhì)素等進(jìn)行作用，在使用秸稈降解菌時(shí)，可伴施無(wú)機(jī)鹽，能顯著增加秸稈降解率。(2)高溫、常溫降解菌不僅在其適宜溫度下產(chǎn)酶能力高，在低溫環(huán)境中，對(duì)秸稈也有較好的降解效果，在針對(duì)我國(guó)高海拔、高緯度、低溫等特定環(huán)境篩選降解菌時(shí)，可以擴(kuò)大菌株的篩選范圍。(3)秸稈富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大分子物質(zhì)，單一功能的降解菌作用效果往往應(yīng)用不理想，篩選出同時(shí)作用于纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)的復(fù)合菌劑，應(yīng)用效果更好、范圍更廣。(4)秸稈降解復(fù)合菌中加入固氮菌、解磷菌、解鉀菌等功能菌可促進(jìn)秸稈降解復(fù)合菌的應(yīng)用效果和土壤肥力。

　　4 展望

　　我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年秸稈產(chǎn)生量大，秸稈還田問(wèn)題已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。秸稈還田不僅能夠解決農(nóng)作物殘留物污染的問(wèn)題，還能解決土壤板結(jié)、肥力下降、化肥使用過(guò)量等問(wèn)題。本文從秸稈降解菌來(lái)源、最適溫度、應(yīng)用效果等方面綜述了水稻、小麥、玉米 3 大作物秸稈降解菌篩選及應(yīng)用研究進(jìn)展，以期能夠?yàn)槲覈?guó)秸稈還田應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供有利依據(jù)。