园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究.pdf

浙江农业学报 王可 邵烨瑶 张培云 等 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究 浙江农业学报 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金 金华市科技计划公益类项目 金华市科技计划项目 作者简介 王可 女 浙江金华人 博士研究生 讲师 研究方向为风景园林植物 通信作者 邢承华 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究 王 可 邵烨瑶 张培云 杜妍纯 徐强龙 王燕燕 阮文斌 徐思捷 葛杰克 叶 铎 刘 鹏 邢承华 金华职业技术学院农学院 浙江金华 浙江师范大学植物学实验室 浙江金华 摘 要 为探究接种混合菌株对园林废弃物堆腐的影响 及其产物对植物栽培基质中泥炭的替代效果 选取 黄孢原毛平革菌 和康氏木霉 作为供试菌株开展试验 首 先 进行两种菌的共生兼容性测试和混菌接种时序优化 然后 针对堆腐中的含水率 接菌量 菌种比例 分别 通过单因素试验和响应面分析进行优化 得到最优条件 并在此条件下堆腐 测定堆体温度 以及营养成分和 种子发芽指数的变化 最后 将堆腐产物与泥炭按不同比例混合 用于绿萝栽培 培养 后 测定其对植株 生长和叶绿素含量的影响 结果显示 先接种黄孢原毛平革菌 后再接种康氏木霉能提升纤维素降解率和 木质素降解率 经过优化的最优发酵条件为含水率 接菌量 康氏木霉与黄孢原毛平革菌的菌种 比例 在此条件下 木质素降解率和纤维素降解率分别达到 堆腐过程中 添加混菌 的试验组较不加菌的对照先完成堆腐 且其堆体中的总腐殖酸 碱解氮 有效磷含量均更高 种子发芽指数也 更早达到标准要求 与其他处理相比 将泥炭 蛭石与加菌堆腐产物以 的比例混合的基质 更适于种植 绿萝 植物的株高 根长 生物量 叶绿素含量更高 综上 向园林废弃物中添加康氏木霉和黄孢原毛平革菌 进行发酵 可以更快地实现腐熟 提高堆腐效率和产物质量 将泥炭 蛭石 加菌堆腐产物以 的比例混 合 可用于绿萝栽培 并减少泥炭消耗量 关键词 园林废弃物 堆腐 黄孢原毛平革菌 康氏木霉 栽培基质 中图分类号 文献标志码 文章编号 近年来 随着城市绿化的不断完善 园林废 弃物的数量逐步增加 在园林废弃物的处理过 程中 存在着处理方法单一 处理成本高等问 题 尤其是以填埋和焚烧为主的处理方式易对 环境造成严重污染 泥炭属不可再生资源 城市绿化建设的推 进 也伴随着泥炭资源的大量消耗 我国作为园 艺大国 对固体基质 尤其是泥炭的需求量巨 大 目前已开始出现泥炭资源枯竭的现象 如能对园林废弃物进行资源化利用 甚至替代泥 炭 无论是对于泥炭资源的保护还是园林废弃物 的减量和循环利用来说 均具有积极的现实意 义 但是 园林废弃物中的木质素结构复杂且不 规则 将纤维素分子包埋其中 形成了一种天然 屏障 使得酶不易与其中的纤维素分子接触 导致园林废弃物中的纤维素难以降解 白腐真菌 具有独特的木质 素降解机制 其中 黄孢原毛平革菌 的木质素过氧化酶活性很 强 木霉 是纤维素分解的模式菌 其中 康氏木霉 的纤维素 分解能力较强 当前 利用微生物来降解园林废 弃物 研发新基质替代泥炭已成为研究的热 点 焦有宙等 研究发现 单一菌种无论活性 高低 在加快堆腐进程上的效果均逊于复合菌群 的共同作用 高晓梅等 证实 康氏木霉与黄孢 原毛平革菌混合发酵可有效降解水稻秸秆的纤 维素 半纤维素和木质素 基于此 本试验拟采 用二者的混合菌种对园林废弃物进行发酵 在针对园林废弃物转化为植物栽培基质可 能性的探索中 韦宜慧等 研究表明 有机废弃 物按照一定比例堆肥可代替泥炭作为基质 椰 糠 谷壳 泥炭土 滤泥 园林废弃物以 的比例混合时最有利于桉树生长 等 的试 验揭示 污泥和园林废弃物堆肥能够提高土壤养 分 有机质含量和电导率 具有安全性和有效性 综合以上研究可知 采用适当的方法进行园林废 弃物堆肥 其产物与泥炭以适当的比例混合可用 作种植基质 并能起到改良土壤的作用 但是添 加混合菌种对园林废弃物进行发酵 并将其产物 用于植物栽培的研究还鲜见报道 为一体化综 合解决泥炭资源缺乏 园林废弃物处置难等问 题 探寻园林废弃物资源化的现实途径 本试验 拟针对园林废弃物的混菌堆肥发酵最佳体系与 配比基质进行探究 并设置不同比例的堆腐产物 与泥炭组合开展植物栽培 探明其替代泥炭的可 行性 为生产应用提供参考 材料与方法 材料 本试验于浙江师范大学进行 供试园林废 弃物系取自金华职业技术学院草丛 灌木丛 树 林等地的杂草 自然落叶 枯枝落叶等 供试菌 王可 等 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究 株中的黄孢原毛平革菌 菌株编号 购自中国工业微生物菌种保藏管理中心 康氏木霉 菌株编号 购自 中国农业微生物菌种保藏管理中心 培 养基为马铃薯葡萄糖琼脂 培养基 供试 植物为浙江省生态型绿萝 由实验室自行培育 种子液 将 保存的康氏木霉和黄孢原毛 平革菌分别接种到 培养基上 在 条件 下分别培养 并转接活化 次 将活化后 的菌株接种到相应的培养基中 黄孢原毛平革菌 于 条件下振荡培养 康氏 木霉于 条件下振荡培养 将菌种的孢子浓度控制在 备用 固体培养基 取 个 三角瓶 分别加 入园林废弃物 麸皮 调节含水量至 另加 灭菌 试验设计 菌株共生兼容性试验 将康氏木霉与黄孢原毛平革菌点接入同一 平板上 静置培养 观察其生长情 况 并进行生长优势比较 混菌接种时序优化试验 选用含园林废弃物的固体培养基 设置 个 接种组别 分别为黄孢组 接种黄孢原毛平革 菌 康氏组 接种康氏木霉 以及混菌组 接种 黄孢原毛平革菌和康氏木霉 其中 单菌组接 种体积分数为 的种子液 依据菌株兼容性 试验确定的生长优势 混菌组初始以 的接种 量接种黄孢原毛平革菌种子液 并分别在其生长 后 以 的接种量接种康氏木霉的种 子液 在 自然 下进行混菌接种时间优 化试验 依次在培养的 时测定各组的木 质素和纤维素降解率 每组重复 次 发酵条件优化试验 选用含园林废弃物的固体培养基进行单因 素发酵试验 调整固体培养基含水率分别至 统一接入康氏木 霉 黄孢原毛平革菌比例为 的菌液 先接种 黄孢原毛平革菌 后接种康氏木霉 接种量 为 发酵 分别在固体发酵培养基中 加入接种量为 的康氏木霉 黄孢原毛平革菌比例为 的菌液 先接种黄孢原毛平革菌 后接种康氏 木霉 设定固体培养基的含水率为 发酵 分别在固体发酵培养基中加入康氏木 霉 黄孢原毛平革菌比例为 的菌液 均先接种黄孢原毛 平革菌 后接种康氏木霉 设置固体培养基 的含水率为 加菌量为 发酵 在单因素试验的基础上 设置 因素 水平 的混菌接种发酵试验 表 设定固体培养基的 含水率 分别为 编码水平依 次对应于 菌液中康氏木霉 黄孢原毛 平革菌的比例 分别为 编码水 平依次对应于 接种量 分别为 编码水平依次对应于 用范式洗涤纤维分析法分别测定发酵前后的 木质素 纤维素含量 计算降解率 并以不同发酵 条件下木质素 纤维素的降解率为响应值 建立 回归方程 获得最佳发酵条件 表 发酵条件优化的 响应面试验设计 序号 固体培养基的含水量 表中的 为编码值 分别代表 的水平 菌液中康氏木霉 黄孢原毛平革菌的比 例 表中的 为编码值 分别代表 的水平 接 种量 表中的 为编码值 分别代表 的水平 浙江农业学报 第 卷 第 期 堆腐试验 取适量的园林废弃物均分为对照组 和 试验组 制成长 宽 高 的堆体 向 两组均添加 的鸡粪 测定园林废弃物和鸡粪 的初始含碳量和含氮量 利用尿素调节堆体的碳 氮比为 调节堆体含水率为 试验组先 添加 的黄孢原毛平革菌菌液 后添加 的康氏木霉菌液 在试验组添加菌液的同时 期 组添加等量蒸馏水作为对照 试验共进 行 每天定时测定堆体温度 每 测定 次 堆体营养成分 总腐殖酸 有效磷 碱解氮 和发 芽指数 绿萝栽培试验 试验共设置 个处理 泥炭 蛭石 加菌堆 腐产物以 的比例混合 加菌堆腐产物 蛭石以 的比例混合 泥炭 蛭石 未加菌 堆腐产物以 的比例混合 未加菌堆腐 产物 蛭石以 的比例混合 泥炭 蛭石以 的比例混合 选取长势相同的绿萝苗用于栽 培试验 每盆栽种 株 移栽 后 分别测定 各处理下绿萝的株高 根长 鲜重 整株 干重 整株 等生长指标和叶绿素 叶绿素 叶绿素 含量等生理指标 指标测定 采用 钢卷尺测量株高 根长 参照范氏 洗涤纤维分析法 测定木质素和纤维素含量 采用 便携式酸度计 贝尔分析仪器 大 连 有限公司 的温度探头测量堆体上 中 下部 的温度 取平均值 参照行业标准 土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化分光光度 法 测定有机碳和有机质含量 采用碱解扩散法 和碳酸氢钠浸提钼锑抗分光光度法 测定碱 解氮 有效磷含量 采用焦磷酸钠浸提 容量法 测定总腐殖酸含量 参照 等 的 方法测定发芽指数 参照胡秉芬等 的研究 采用分光光度法测定叶绿素 含量 数据处理 采用 软件开展单因素方差分析 对 有显著 差异的 采用 法进行多 重比较 用 软件进行响应面 优化分析 用 软件作图 结果与分析 固体发酵条件优化 菌株共生兼容性试验结果 将康氏木霉与黄孢原毛平革菌点接入 平板培养 后 康氏木霉的菌丝占据了大部分 空间 图 说明其生长活性优于黄孢原毛平革 菌 因此 在混合发酵时考虑优先接种黄孢原毛 平革菌 混菌接种时序优化结果 先接种黄孢原毛平革菌培养 或 后再 接种康氏木霉培养 分别标记为 其对木质素 纤维素的降解率显著高 于黄孢原毛平革菌或康氏木霉单菌培养 分 别标记为 的结果 可见混合发酵的优 势明显 图 虽然 与 的组合 均能够实现较好的降解效果 但间隔 的安排 更贴近速腐菌剂的要求 综上 本试验采用先接 种黄孢原毛平革菌 后接种康氏木霉培养 的方法进行发酵 在试验条件下 其对纤维素 木质素的降解率分别为 单因素试验结果 单纯考查含水率的影响发现 当含水率为 时 园林废弃物的纤维素和木质素降解率最 高 分别达 和 当含水量过低或 过高时 均不利于菌种利用营养物质 会抑制菌 种的生命活动 单纯考查接菌量的影响发现 随着接菌量的 增加 纤维素 木质素降解率总体呈先升后降的 趋势 当接菌量为 时达到峰值 当接菌量过 低时 因接入的菌种过少 易导致废弃物发酵不 完全 而当接菌量过高时 则会导致菌群大量消耗 图 菌株共生兼容性试验结果 王可 等 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究 代表接种黄孢原毛平革菌培养 后接种康氏木霉培养 其余依此类似 分别代表单独接种黄孢原毛平革 菌 康氏木霉培养 同一指标下柱上无相同字母的表示处理间差异显著 图 不同组合的木质素 纤维素降解率 培养基中的营养物质 影响其正常生理活动和相 关降解酶的合成 单纯考查菌种比例的影响发现 当康氏木霉 与黄孢原毛平革菌的比例为 时 纤维素降 解率和木质素降解率均最高 分别达到 和 显著高于其他水平 综上 初步确定含水率 接菌量 菌种比例 的发酵条件较优 响应面试验结果 响应面分析试验结果 图 显示 纤维素降 解率和木质素降解率均随着含水率 接菌量和菌 种比例这 种因素相应水平的提高 呈现出先上 升后下降的趋势 表明这 种因素间存在交互作 用 为确定全局最优解 以纤维素降解率和木质 素降解率最大为优化目标 根据 软件的运行结果 确定最优条件为 含水率 接菌量 菌种比例 在此条 件下 模型预测的纤维素降解率和木质素降解率 分别为 将上述最优条件近似 优化为含水率 接菌量 菌种比例 进行验证试验 纤维素降解率为 木质 素降解率为 与预测值偏差不大 混菌堆腐效果评价 堆腐过程中 和试验组的温度都先迅速 提高 图 与 相比 添加菌剂的试验组会 表 单因素试验下不同水平对木质素 纤维素降解率的 影响 因素 水平 纤维素降解率 木质素降解率 含水率 接菌量 菌种比例 表中的菌种比例指康氏木霉与黄孢原毛平革菌的比例 同一因素 下 同列数据后无相同字母的表示各水平间差异显著 浙江农业学报 第 卷 第 期 图 响应面试验下不同因素对纤维素降解率 木质素降解率的影响 提前 进入高温期 以上 堆腐 时即 可达到最高温 而 在 时的最高温 为 两组堆体的温度均从 左右开始下 降 且以试验组的下降速率更快 说明其堆腐物 中的大部分有机质已经被分解 与 相比 试 验组的高温持续时间久 分解速度较快 后 堆体温度即接近环境温度并持续一段时间 而 在 时才降至环境温度 可见施加混菌可 加速堆腐 图 堆腐过程中的温度变化 腐殖酸是由动植物残骸经微生物分解 转 化 并伴随各种物化反应得到的有机物 其含量 可以体现土壤品质和土壤肥力 堆腐过程 中 试验组和 的总腐殖酸含量均呈现先下降 后上升的趋势 表 时 试验组的总腐殖 酸含量显著低于 但 及之后试验组的总 腐殖酸含量反而显著高于 在 时达到最 大值 这说明 添加混菌能够提升堆体 有机碳转化为腐殖酸的能力 碱解氮 有效磷可反映能被植物直接迅速 利用或经过简单转化后可直接利用的氮 磷含 量 其含量可以反映土壤肥力 试验组的有 效磷含量在 时达最高值 与初始值相比增 加了 碱解氮含量同样在 时达最 高值 且二者均显著高于同时期的 这可能 是因为 一方面 腐殖质的增加能够改善土壤结 构 提高其保肥能力 另一方面 菌群的分解作 用也有助于提高磷 氮元素含量 提升土壤 肥力 未腐熟完全的堆肥产品对植物有毒害作用 会阻碍植物生长甚至导致其死亡 通常认为 当 发芽指数 时 可认为堆肥产品对植物 没有明显的毒害 随着时间推移 试验组与 王可 等 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究 的发芽指数均逐渐提高 除 外 其他时候 试验组的发芽指数均显著高于 至 时 试验组的 已达 以上 而 在 时才 达 以上 说明添加混菌有助于加速堆腐的无 害化进程 堆腐产物替代泥炭对绿萝栽培的影响 对比 与 与 发现 添加混菌处 理得到的产物与泥炭混合后作为基质 对植株生 长有促进效果 表 与 相比 的株高 根长 单株干重 单株鲜重分别显著增加 而 的上述部分均不高于 甚至显著低于 和 从叶绿素含量判断 也同样以 的效果最 好 其叶绿素 含量与叶绿素 含量均显著 高于其他处理 上述结果证明 用适量的堆腐产 物部分代替基质中的泥炭有利于绿萝生长和叶 绿素合成 但纯堆腐产物与蛭石混合的基质并不 利于绿萝生长 在试验条件下 混菌堆腐后的基 质与泥炭 蛭石按照 的比例混合 可用作绿 萝生长的栽培基质 表 堆腐过程中物料营养成分与发芽指数的变化 总腐殖酸 有效磷 碱解氮 发芽指数 试验组 对照组 试验组 对照组 试验组 对照组 试验组 对照组 同一指标下同行数据后无相同字母的表示在 水平上差异显著 表 不同处理对植物生长指标和叶绿素含量的影响 处理 株高 根长 单株鲜重 单株干重 叶绿素 含量 叶绿素 含量 叶绿素 含量 同列数据后无相同字母的表示处理间差异显著 讨论 本试验发现 当黄孢原毛平革菌与康氏木霉 间隔 接种时 园林废弃物中的纤维素和木质 素降解效果最佳 这与王永泽等 的报道相 符 含水量对菌丝生长有较大影响 含水量过高 或过低都会抑制菌株对营养物质的吸收 影响菌 剂的生长活性 从而影响其对纤维素和木质 素的降解 本试验在含水率 的范围 内确定了最适含水量 这与黄磊等 的研 究结果相似 接菌量会影响菌落生长时间 接 种量过多 会导致培养基中的营养物质消耗过 快 过少 则不利于降解 适宜的接菌量可以有 效缩短菌落培养时间 提高降解效率 康氏木霉 和黄孢原毛平革菌的功能和生长性能具有明显 差异性 为取得最好效果 在堆腐前应确定适宜 的接种比例 本研究在单因素试验的基础上采 浙江农业学报 第 卷 第 期 用响应面试验 明确了含水率 接菌量 康氏木霉与黄孢原毛平革菌 的菌种 比例 在此条件下 纤维素降解率和木质素的降 解率均达到最佳水平 可用于堆腐 温度能够影响堆肥进程 反映堆肥产品的腐 熟度 是评价堆肥稳定性的重要指标 随着 堆料中的有机质分解加快 产热增多 堆温也不 断升高 这有利于提高菌类的活性 促进有机质 的降解 并释放热量 一般来说 堆肥过程中的 温度变化可分为升温期 高温期 和降 温期 本试验中 试验组的堆体在 时即进 入高温期 并持续 左右 后期降温较快 而 较试验组迟 进入高温期 且高温期的持续时 间也较短 至 才降至室温 这与李瑞琴 等 对微生物发酵的研究结果类似 腐殖酸 营养元素含量与发芽指数等指标均 能反映堆肥产品的质量 堆腐过程中 碱解 氮和有效磷含量随时间推进呈先上升后稍降低 的趋势 并以试验组的含量更高 说明添加混菌 可加速园林废弃物的降解 产生更多的腐殖酸并 释放营养成分 未腐熟的堆肥产品会对植物产 生毒性 抑制植物种子发芽 根系生长 降低产 量 发芽指数是反映堆料影响种子根长和种 子发芽率综合表现的敏感参数 是目前判定 腐熟程度的权威指标 本试验的结果表明 添加混菌能够加快堆腐进程 处理 后 值 便达到 以上 满足腐熟标准 与付冰妍等 的结果一致 本试验将混菌发酵体系用于堆腐 与 相比 各指标均能更快达到腐熟标准 这 初步证实 经黄孢原毛平革菌和康氏木霉混合体 系处理的园林废弃物用作栽培基质具有可行性 植株形态指标能反映植株长势 从而直观判 断不同栽培基质对植物生长影响的差异 叶 绿素含量是衡量植株光合作用能力的重要指标 也可以反映植物的生长状况 本研究结果表 明 泥炭 蛭石 加菌堆腐产物以 的比例 混合 基质有利于绿萝的生长 其叶绿素含量也 有明显增加 这与庾富文等 得到的结果类 似 加菌堆腐产物与蛭石以 的比例混合 基质下绿萝的各项生长指标和叶绿素含量均不 高于 多数情况下还显著低于 这可能是因 为 由纯堆腐产物与蛭石混合组成的基质电导率 和孔隙度较高 保水保肥能力弱 不利于植物生 长 同时 基质中含有过多的堆腐产物也可能对 叶绿素含量起到抑制作用 不利于植物光合作用 的进行 余韵等 在将园林废弃物用于楸树栽 培的试验中也发现 当其施用量为 时可以提 升叶绿素含量 但当其施用量增至 时 叶绿 素含量反而低于对照组 综上 园林废弃物堆腐 产物可以部分替代泥炭用于栽培植物 这与魏乐 等 研究结果一致 试验条件下 泥炭 蛭石 加菌堆腐产物以 的比例混合制成的基质 可用于绿萝栽培 在促进植株生长 提高叶绿素 含量等方面表现良好 具有一定的应用前景 同 时 因其原料来源广 堆腐成本低 在园林废弃物 资源化 泥炭资源节约保护等方面也有实质性的 推广意义 参考文献 卢燕 居萍 园林绿化废弃物资源化利用途径 绿色 科技 刘瑜 赵佳颖 周晚来 等 城市园林废弃物资源化利用 研究进展 环境科学与技术 戴小红 黄鹂鸣 蚯蚓粪配比的泥炭基质特性及其栽培的 小型西瓜幼苗生长状况 热带作物学报 赵霞 胡自航 郑景明 等 污泥与园林废弃物混合堆肥 对波斯菊生长及重金属积累的影响 生态学杂志 王可 等 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究 王占军 不同添加剂对园林废弃物堆肥的影响研究 大连 大连理工大学 焦有宙 高赞 李刚 等 不同土著菌及其复合菌对玉米 秸秆降解的影响 农业工程学报 高晓梅 刘晓辉 桓明辉 等 木霉菌和白腐菌对水稻秸 秆降解的影响 山东农业科学 韦宜慧 农春兰 周明晟 等 有机废弃物堆肥在桉树容 器苗生产中的应用效果 中南林业科技大学学报 陈霜 低纤维素植物原料化学成分定量分析方法研究 上海 东华大学 沈志群 张琪 刘琳娟 等 碳酸氢钠浸提钼锑抗分光 光度法测定土壤中的有效磷 环境监控与预警 胡秉芬 黄华梨 季元祖 等 分光光度法测定叶绿素含 量的提取液的适宜浓度 草业科学 曲继松 张丽娟 朱倩楠 等 微生物菌剂对枸杞枝条粉 发酵堆体腐熟效果的影响 环境科学研究 王永泽 王实玉 陈雄 康氏木霉和白腐菌混菌处理稻 草桔杆的研究 年生物产业技术研讨会论文 集 北京 中国生物工程学会 杨琴 杜双田 张桂香 环境因素对大肥蘑菇菌丝生长 的影响 西北农林科技大学学报 自然科学版 黄磊 刘玫 浦媛媛 等 食用菌固体培养基的开发与应 用综述 湖北农业科学 浙江农业学报 第 卷 第 期 杨立敏 污泥堆肥过程温度与酶活性动态变化规律研究 广东化工 李瑞琴 徐瑞 于安芬 等 基于微生物发酵的废弃菜叶 无害化处理及腐熟安全性评价 水土保持通报 吴华山 常志州 靳红梅 等 不同腐熟度猪粪 奶牛粪 在小白菜和香瓜上施用的农学效应研究 农业资源 与环境学报 黄红英 孙恩惠 武国峰 等 麦秸秸秆花盆堆肥化研究 及评价 农业环境科学学报 王国英 袁京 孔艺霖 等 堆肥种子发芽指数测定方法 与敏感性种子筛选 农业工程学报 付冰妍 孙向阳 余克非 等 降解园林废弃物专用固体 复合菌的构建及其堆肥效应研究 环境科学研究 铁得祥 胡红玲 喻秀艳 等 桢楠幼树光合特性对镉胁 迫的响应 生态学报 庾富文 周俊辉 袁丽珍 等 园林废弃物堆腐产品在花 卉基质栽培中的应用研究 广东农业科学 余韵 刘勇 烟亚萍 等 园林废弃物堆肥对楸树苗木生 长和养分状况的影响 福建农林大学学报 自然科学 版 魏乐 李素艳 李燕 等 园林废弃物堆肥替代泥炭用于 天竺葵和金盏菊栽培 浙江农林大学学报 责任编辑 高 峻 王可 等 园林废弃物混菌堆腐方法及其产物对泥炭的替代效果研究