纖維素分解菌在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的研究進(jìn)展

牛世莉 孫立才 董莉 田笑蕊

(沈陽(yáng)師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110034)

作為農(nóng)業(yè)大國(guó),我國(guó)每年都產(chǎn)生大量的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物,且其產(chǎn)生量隨糧食單產(chǎn)與總產(chǎn)提高而逐年增加,而本應(yīng)與之配套的農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)卻相對(duì)滯后[1]。雖然其中有部分已經(jīng)通過(guò)直接還田、用作牲畜飼料或農(nóng)村居民的燃燒等方式得到處置,但仍然有約15%的秸稈就地焚燒,不僅帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,而且造成資源浪費(fèi)[2]。如何實(shí)現(xiàn)秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處置,是當(dāng)今世界備受矚目的研究課題。

1 纖維素及其生物降解

纖維素纖維素(cellulose)是由葡萄糖組成的大分子多糖。不溶于水及一般有機(jī)溶劑。是植物細(xì)胞壁的主要成分[3]。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖,占植物界碳含量的50%以上[4]。棉花的纖維素含量接近100%,為天然的最純纖維素來(lái)源。一般木材中,纖維素占40～50%,還有10～30%的半纖維素和20～30%的木質(zhì)素。纖維素降解困難,降解率低的特性使得如何高效、充分的利用纖維素成為研究的熱點(diǎn)和難題。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)降解,成本高,難以大規(guī)模的推廣并應(yīng)用,生物降解纖維素則具有成本低,效率高,對(duì)環(huán)境影響小的特點(diǎn)。

2 纖維素分解菌誘變育種

目前,對(duì)于纖維素分解菌菌種選育的研究主要集中在對(duì)已發(fā)現(xiàn)纖維素分解菌進(jìn)行物理或化學(xué)誘變,以期獲得纖維素分解酶的高產(chǎn)菌株,并獲得不錯(cuò)的研究成果,如經(jīng)過(guò)誘變的變異木霉菌株產(chǎn)纖維素酶的性能顯著提高。Hideo等將里氏木霉(Trichoderma reese)RUTC230經(jīng)0.10%秋水仙素處理35d后,使用滅菌靈進(jìn)行單倍體化處理,其后克隆出的菌株中發(fā)現(xiàn)纖維素酶的高產(chǎn)菌株,而后分別使用含有1%廢止粉和1%的微晶纖維素的培養(yǎng)基進(jìn)行篩選,得到的菌株WP1對(duì)羧甲基纖維素鈉(CMC)、微晶纖維素和水楊苷的水解活力較原始菌種有不同程度的提高。韓峰等由擬康氏木霉(Trichoderma pseudokoningii)TH經(jīng)過(guò)紫外誘變獲得一株突變株UVIII,其具有抗高濃度葡萄糖阻遏的特性,其纖維素酶產(chǎn)量較原始菌株顯著提高。里氏木霉經(jīng)原生質(zhì)體融合后在CMC瓊脂平板上再生,在15個(gè)融合體中進(jìn)行篩選,其產(chǎn)生的透明全相較原始菌株更加的明顯,尤其是融合子SFTr2和SFTr3較之前提高了2倍以上。

3 纖維素分解菌的應(yīng)用

3.1 纖維素分解菌和EM菌協(xié)同作用在有機(jī)廢棄物堆肥中的應(yīng)用

在秸稈腐熟過(guò)程中接種纖維素分解菌和EM菌,一方面提高了堆肥初期微生物的群體數(shù)量,另一方面也大大提升了菌群的質(zhì)量,形成微生物不同菌種之間的協(xié)同和共生,進(jìn)而形成具備一定生物學(xué)功能的生態(tài)系統(tǒng),堆層微生物通過(guò)迅速繁殖,其數(shù)量和生物活性均可維持在先對(duì)穩(wěn)定的水平上,增強(qiáng)了微生物的代謝活性,并能夠迅速提高堆肥溫度并較長(zhǎng)時(shí)間的維持溫度,提高堆肥效率[5]。

3.2 纖維素分解菌在蔬菜、花卉中的應(yīng)用

將纖維素分解菌應(yīng)用于花卉秸稈聯(lián)合高溫好氧堆肥過(guò)程中,分別在一次發(fā)酵和二次發(fā)酵階段接種在堆肥中,可以大幅度提高堆料中纖維素的降解速率和降解程度并改善堆肥終產(chǎn)物的理化性狀,極大的提高堆肥的進(jìn)程,過(guò)高的堆體溫度會(huì)抑制接種菌的活性,適宜的溫度更有利于接種菌的生長(zhǎng)和降解性能。而較高耳朵含水率不利于堆肥產(chǎn)物在二次發(fā)酵結(jié)束后形成理想的終產(chǎn)物。而接種固態(tài)纖維素分解菌劑對(duì)堆肥溫度、含水率等參數(shù)幾乎沒(méi)有影響。

4 研究展望

纖維素分解菌功能較多,結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)果,在高產(chǎn)纖維素分解菌的基礎(chǔ)上,改變其特性,將其廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域,最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)尤為重要。

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和研究手段的不斷更新,對(duì)與纖維素分解菌的開(kāi)發(fā)和利用不斷深入,一方面通過(guò)高效的腐熟秸稈,極大的提高了生物質(zhì)能的利用率,一定程度上緩解了能源危機(jī)并創(chuàng)造了巨大的財(cái)富;另一方面,農(nóng)作物秸稈的高效利用,也大幅度減輕了廢棄焚燒等給自然環(huán)境帶來(lái)的污染和負(fù)擔(dān),具有極高的社會(huì)價(jià)值,符合我國(guó)走可持續(xù)發(fā)展的國(guó)策和基本方針。

[1]張?chǎng)?劉巖.木質(zhì)纖維原料預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展.纖維素科學(xué)與技術(shù),2005.

[2]李湘,魏秀英,董仁杰.秸稈微生物降解過(guò)程中不同預(yù)處理方法的比較研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(SuppI)110-116.

[3]TeeriT.T.Crystallinecellulosedegradationnewinsightinto the functionofcellubiohydrolyases.TrendsinBiotechnology,1997,15(5)160-167.

[4]劉剛,張燕,李云余,等.利用紅色熒光蛋白分析里氏木霉合成纖維素酶的機(jī)理.微生物學(xué)報(bào),2007,47(1)69-74.

[5]鄧海波,林鹿,黃偉韓.氨化木質(zhì)纖維的白腐菌降解.纖維素科學(xué)與技術(shù),2008,16(1):34-38.