枸杞枝條發(fā)酵木質纖維素降解與微生物群落多樣性研究

馮海萍 楊冬艷 白生虎 謝 華 劉曉梅 裴紅霞

(1.寧夏農林科學院種質資源研究所， 銀川 750002; 2.固原市原州區(qū)農業(yè)技術推廣服務中心， 固原 756000)

枸杞枝條發(fā)酵木質纖維素降解與微生物群落多樣性研究

馮海萍1楊冬艷1白生虎2謝 華1劉曉梅2裴紅霞1

(1.寧夏農林科學院種質資源研究所， 銀川 750002; 2.固原市原州區(qū)農業(yè)技術推廣服務中心， 固原 756000)

為探討枸杞枝條基質化發(fā)酵中木質纖維素降解、微生物群落代謝能力及多樣性特征，采用正交試驗設計，以枸杞枝條粉和苦豆子莖稈粉質量比為4∶1混合為試材，采用Biolog-ECO鑒定方法，研究不同發(fā)酵因子對枸杞枝條基質化發(fā)酵中微生物群落結構和多樣性的影響。結果表明：發(fā)酵結束時，枸杞枝條基質纖維素、半纖維素和木質素降解率分別在15%、19%及10%以上；木質纖維素降解率在溫度為60℃、含水率為60%、添加油餅氮源及接種粗纖維素降解菌處理條件下較高，其中纖維素、半纖維素和木質素降解率分別在18.12%～19.22%、23.55%～25.21%和13.87%～14.24%范圍內，顯著高于其他處理；該處理增加了枸杞枝條基質發(fā)酵高溫期時微生物的活性和多樣性，平均顏色變化率分別為1.019、1.062、0.943和1.117，微生物多樣性香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)分別在2.321～2.365、0.930～0.941和18.78～20.33范圍內，提高了枸杞枝條粉堆體中微生物對部分碳源的代謝能力，從而可促使有機質降解。

枸杞枝條粉； 木質纖維素； 降解； 微生物； 群落多樣性； 平均顏色變化率

引言

農業(yè)廢棄物資源化合理利用與管理是我國高度關注的農業(yè)和環(huán)境問題[1-2]。如何循環(huán)利用和產出農業(yè)廢棄物資源是我國實現(xiàn)資源友好發(fā)展的關鍵節(jié)點，利用這些資源制作多樣化、無害化園藝基質，不僅可以緩解環(huán)境污染與資源浪費問題，而且還為補充或替代當前不可再生資源的草炭基質提供原料來源，對保護環(huán)境和發(fā)展無土設施農業(yè)都大有益處。

寧夏現(xiàn)有枸杞種植面積達5.34萬hm2以上，且逐年增加，據估算年剪枝量達20萬t以上，但這些資源的應用僅局限于焚燒、廢棄，少量的用于防沙造林或者插扦育苗，豐富的可再生枸杞資源需要后續(xù)產業(yè)的開發(fā)。從事栽培基質研究的學者已從微生物菌劑、碳氮比、氮源類型及比例對枸杞枝條粉基質化發(fā)酵的堆溫、碳素、氮素、物理性狀、生物學性狀等指標進行了較多研究[3-5]，但對枸杞枝條發(fā)酵中木質纖維素降解及微生物群落多樣性的研究鮮有報道。據測定，枸杞枝條粉富含97.30%木質纖維素，是牛糞堆肥中木質纖維素的1.38～1.86倍[6]，玉米秸稈的1.50倍，玉米芯的1.23倍，小麥秸稈的1.35倍，稻草的1.47倍[7]。木質纖維素的降解是限制堆肥(基質化)腐熟進程及影響堆肥產品品質的關鍵因素[8]，微生物群落種類的多樣性及其代謝能力是影響堆肥中木質纖維素降解的關鍵因素[9-10]。文獻[11-12]研究表明，在堆肥(基質化)過程中添加有機物或接種微生物菌劑對微生物群落活性、多樣性及碳源的利用影響較大。Biolog 微平板法是一種分析堆肥過程中微生物群落活性、多樣性及碳源利用的有效手段[12-14]。本文以枸杞枝條粉和苦豆子莖稈粉質量比4∶1混合為研究對象，在借助Biolog方法研究溫度、含水率、外源菌劑及氮源對枸杞枝條基質化發(fā)酵中微生物群落的結構和功能多樣性時，將碳源代謝利用情況與發(fā)酵基質中實際可利用碳源聯(lián)系起來，以更好地了解枸杞枝條基質化發(fā)酵中木質纖維素的降解特性、微生物群落代謝能力及多樣性特征，為枸杞枝條基質化整個體系進一步優(yōu)化提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料來源及含量

本試驗于2015—2016年在寧夏農林科學院園林場基質發(fā)酵場基地進行，試驗材料有寧夏中寧枸杞枝條粉、苦豆子莖稈粉、雞糞、油餅(胡麻榨完油后的渣滓壓成餅)、堆肥發(fā)酵菌劑(粉劑，有效活菌總數(shù)在2×1010CFU/g以上)，粗纖維降解菌(粉劑，有效活菌總數(shù)在109CFU/g以上)，鋸末專用復合菌(粉劑，有效活菌總數(shù)在2×108CFU/g以上)，其基本性質見表1。

表1 物料基本性質Tab.1 Basic properties of materials

1.2 試驗設計

以粉碎長度0.3～0.5 cm枸杞枝條粉和苦豆子莖稈粉為主材料，質量比為4∶1進行混合，用雞糞、油餅、尿素等輔料調節(jié)碳氮比至30∶1，試驗采用L9(34)正交設計，設置了翻堆溫度、含水率、氮源、微生物菌劑4個因素，每個因素設置3個水平，共設9個處理(表2)，每個處理設3次重復。將粉碎的枸杞枝條裝入容積為1 m3的發(fā)酵池，用水灑濕，微生物菌按照粉末菌劑、麩皮質量比1∶10混合，然后按液料比0.005 mL/g分2次接種，第1次在發(fā)酵初始時接種，第2次在發(fā)酵10 d時結合翻料同時接種，初始含水率調節(jié)至65%，覆蓋塑料薄膜進行發(fā)酵。

表2 枸杞枝條基質化發(fā)酵L9(34)正交試驗設計Tab.2 Orthogonal design of L9(34) for wolfberry branches substrate fermentation experiment

溫度設置3個水平，分別為翻堆上限溫度70、60、50℃，當溫度高于翻堆上限溫度時進行翻堆；含水率設置3個水平，分別為60%、50%、40%，當基質含水率低于設置的基質含水率控制下限時，補充灌溉水至初始含水率的65%；微生物菌劑設置3個水平：鋸末發(fā)酵菌劑、粗纖維降解菌和堆肥發(fā)酵菌劑；氮源設置3個類型：尿素、烘干雞糞和油餅。

1.3 取樣方法

發(fā)酵過程中，于第40天對發(fā)酵堆體取樣，取樣方法為：在物料翻堆前取每個重復的中心物料約250 g，裝入無菌密封袋，待實驗室測定用。

1.4 試驗測定指標、方法及數(shù)據處理

(1)木質纖維素：采用FIBERTEC 2010型全自動纖維測定儀進行纖維素、半纖維素和木質素的測定[15]。

(2)微生物群落多樣性：采用有31 種碳源的生態(tài)板(Biolog-ECO)分析微生物群落的代謝特征,稱取10 g發(fā)酵基質(稱量前測量含水率)，加入90 mL無菌生理鹽水稀釋，在搖床里振搖30 min，靜置沉淀3～5 min, 然后進行100倍稀釋，以每孔150 μL稀釋液加入微孔板中，將制備好的菌懸液倒入無菌移液槽中，使用8道移液器將其接種于微平板的96孔中。接種好的微平板放到鋪有6層紗布的塑料飯盒中，為防止微平板鑒定孔中的菌懸液揮發(fā)，紗布保持一定的濕度。塑料飯盒用保鮮膜包裹，保鮮膜上用注射針頭刺若干個小孔，以保證微生物培養(yǎng)所需要的氧氣，將微平板避光培養(yǎng)。ECO生態(tài)板放到30℃恒溫培養(yǎng)。分別于24、48、72、96、120、168 h時讀數(shù)，測定波長均為590 nm。

平均顏色變化率是反映土壤微生物代謝活性，即利用單一碳源能力的指標，計算公式[16]為

AWCD=∑(Ci-R)/n

式中Ci——第i個非對照孔的吸光度R——對照孔的吸光度n——培養(yǎng)基碳源種類數(shù)(本文取31)

(3)采用軟件DPS 7.05和Excel 2003對試驗數(shù)據進行方差及多重比較(Duncan 新復極差法)。

2 結果與分析

2.1 木質纖維素含量

由表3可以看出，與發(fā)酵前相比，處理的纖維素、半纖維素和木質素質量分數(shù)均低于處理前，各處理纖維素降解率均在15%以上，半纖維素降解率在19%以上，木質素降解率在10%以上。堆肥結束時，在不同翻堆溫度中，翻堆溫度60℃枸杞枝條粉發(fā)酵中的纖維素、半纖維素和木質素降解率較高，分別為18.12%、25.21%和13.87%，顯著高于其他處理；在不同含水率管理中，含水率下限為60%枸杞枝條粉發(fā)酵中的纖維素、半纖維素和木質素降解率較高，分別為19.22%、25.21%和14.19%，顯著高于其他處理；在接種不同微生物菌劑中，接種粗纖維素降解菌的枸杞枝條粉發(fā)酵中的纖維素、半纖維素和木質素降解率較高，分別為18.88%、23.55%和13.96%，與接種鋸末發(fā)酵菌劑處理無顯著差異，顯著高于堆肥發(fā)酵菌劑處理；在添加不同氮源中，氮源為油餅枸杞枝條粉發(fā)酵中的纖維素、半纖維素和木質素降解率較高，分別為18.50%、23.59%和14.24%，與添加雞糞氮源處理無顯著差異，顯著高于添加尿素氮源處理。說明適宜翻堆溫度、含水率、接種微生物菌、添加氮源有利于枸杞枝條粉木質纖維素的降解，其中以溫度為60℃、含水率為60%、添加油餅或雞糞氮源及接種粗纖維素或鋸末發(fā)酵菌效果較好。

表3 不同因素對枸杞枝條粉基質發(fā)酵中木質纖維素含量的影響Tab.3 Effects of different factors on cellulose content of wolfberry branche substrate in fermentation

注：不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，下同。

2.2 平均顏色變化率

平均顏色變化率是表征微生物平均活性的一個指標，可以從功能代謝方面顯示微生物群落結構多樣性。由圖1可看出，隨著培養(yǎng)時間的延長，枸杞枝條基質微生物活性不斷升高，自24 h 起平均顏色變化率迅速升高。對比不同翻堆溫度、含水率、微生物菌及氮源類型枸杞枝條基質中微生物平均顏色變化率發(fā)現(xiàn)，翻堆溫度處理枸杞枝條基質微生物平均顏色變化率的最大值從大到小依次為60、50、70℃，含水率處理枸杞枝條基質微生物平均顏色變化率的最大值從大到小依次為60%、50%、40%，微生物菌處理枸杞枝條基質微生物平均顏色變化率的最大值從大到小依次為粗纖維降解菌、鋸末發(fā)酵菌劑、堆肥發(fā)酵菌劑，添加油餅氮源處理枸杞枝條基質微生物平均顏色變化率最大，添加尿素氮源處理杞枝條基質微生物平均顏色變化率最小，顯著低于其他氮源類型。從不同處理枸杞枝條基質的平均顏色變化率變化可以看出，翻堆溫度為60℃、含水率補充下限60%、接種粗纖維降解菌及添加油餅處理更有利于增加堆肥高溫期時的微生物的活性，提高細胞代謝相關營養(yǎng)物質的能力。

圖1 高溫期枸杞枝條粉基質的微生物平均顏色變化率變化Fig.1 Average well color development variations of wolfberry substrate by microorganism

2.3 群落多樣性分析

香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、豐富度指數(shù)是研究群落物種數(shù)及其個體數(shù)和分布均勻程度的綜合指標，可以從不同側面反映微生物群落代謝功能的多樣性[20]。本文采用這3個指數(shù)來研究枸杞枝條基質化發(fā)酵中高溫期堆體微生物群落對31種碳源利用的多樣性,不同處理枸杞枝條粉基質中香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、豐富度指數(shù)如表4所示。由表4可以看出，在不同翻堆溫度中，溫度60℃枸杞枝條粉發(fā)酵中堆體的香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)最高，分別為2.326、0.941和20.33；在不同含水率處理中，含水率下限為60%枸杞枝條粉發(fā)酵中堆體的香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)分別為2.321、0.934和20.22，顯著高于40%含水率處理；在接種不同微生物菌劑中，以接種粗纖維素降解菌和鋸末發(fā)酵菌明顯增加了高溫期枸杞枝條粉發(fā)酵中堆體的微生物多樣性，香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)分別為2.365、0.930、18.78和2.324、0.927、18.56，顯著高于接種堆肥發(fā)酵菌劑處理。在添加不同氮源中，以添加油餅和雞糞明顯增加了高溫期枸杞枝條粉發(fā)酵中堆體的微生物多樣性，香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)分別為2.336、0.937、20.00和2.294、0.919、17.56，顯著高于添加尿素氮源處理。說明控制好翻堆溫度、含水率、接種粗纖維和鋸末降解菌劑、添加油餅和雞糞氮源增加了枸杞枝條粉堆體高溫期的微生物多樣性，有利于分解堆肥中的有機質，促進木質纖維素降解，促進枸杞枝條粉基質的腐熟。

表4 不同處理枸杞枝條粉基質中微生物群落多樣性指數(shù)分析Tab.4 Index analysis of microbial community diversity for different wolfberry branches substrates

2.4 各類碳源的利用特征

圖2 枸杞枝條粉基質發(fā)酵高溫期中微生物對6類碳源的利用Fig.2 Utilization of wolfberry substrate microorganism on carbon sources of the six group during high temperature period

不同翻堆溫度、含水率、微生物菌劑及氮源類型枸杞枝條基質中微生物對6類碳源的利用情況如圖2所示。由圖2可看出，高溫期不同處理枸杞枝條基質化發(fā)酵堆體中微生物對6類碳源利用間存在差異，翻堆溫度處理枸杞枝條基質微生物對羧酸、芳香化合物和胺類碳源的利用強弱順序為70℃、60℃、50℃，對多聚化合物、碳水化合物及氨基酸類碳源的利用強弱順序為60℃、70℃、50℃，處理間存在顯著差異；含水率處理枸杞枝條基質微生物對羧酸碳源的利用強弱順序為50%、60%、40%，對多聚化合物、氨基酸、碳水化合物及芳香化合物類碳源的利用強弱順序為60%、50%、40%，處理間存在顯著差異，對胺類碳源的利用影響不顯著；接種不同微生物菌劑枸杞枝條基質微生物對羧酸碳源的利用強弱順序為堆肥發(fā)酵菌劑、鋸末發(fā)酵菌、粗纖維素降解菌，對多聚化合物、碳水化合物及氨基酸類碳源的利用強弱順序為粗纖維素降解菌、鋸末發(fā)酵菌劑、堆肥發(fā)酵菌劑，處理間存在顯著差異，芳香化合物類碳源的利用強弱順序為鋸末發(fā)酵菌、粗纖維素降解菌、堆肥發(fā)酵菌劑，處理間存在顯著差異，對胺類碳源的利用影響不顯著；氮源類型對堆體中微生物對羧酸類碳源的利用情況差異顯著，強弱順序為：尿素、油餅、雞糞，對多聚化合物、碳水化合物、氨基酸類碳源的利用也存在明顯差異，強弱順序為：油餅、雞糞、尿素，對芳香化合物和胺類碳源的利用無顯著差異。說明添加尿素氮源處理枸杞枝條基質中微生物對羧酸類、芳香類和胺類碳源相對利用較高，對多聚化合物、碳水化合物和氨基酸類的利用能力減弱，翻堆溫度60℃、含水率60%、接種粗纖維降解菌劑和添加油餅氮源處理對多聚化合物、碳水化合物和氨基酸類的利用能力較強。

3 討論

我國農業(yè)生物質資源種類繁多、來源廣泛、富含大量木質纖維素，且這類物質具有結構堅硬、分解困難的特性，每年約有70萬t農林秸稈固體廢物被丟棄。堆肥(基質化)處理是較為普遍且有效地處理有機固體廢棄物以及畜禽糞便的方法之一[21]，好氧高溫堆肥(基質化)是一種經濟、環(huán)保的生物學木質纖維素降解方法，木質纖維素的降解速率在一定程度上制約著堆肥的發(fā)酵周期。本試驗中，發(fā)酵結束時，枸杞枝條基質纖維素、半纖維素和木質素質量分數(shù)均低于處理前，纖維素降解率在15%以上，半纖維素降解率在19%以上，木質素降解率在10%以上，調節(jié)好適宜翻堆溫度、含水率、接種微生物菌、氮源有利于枸杞枝條粉木質纖維素的降解，其中以溫度為60℃、含水率為60%、添加雞糞氮源及接種粗纖維素降解菌處理枸杞枝條基質木質纖維素降解率較高。這與徐杰等[22]在以牛糞和水稻秸稈為主要原料共發(fā)酵、賀新生等[23]以稻草秸稈為主要原料和BEMAL等[24]接種菌劑處理提高木質纖維素降解率研究結果一致。

堆肥(基質化)的實質是微生物分解和轉化有機物的生化代謝過程，其中微生物群落的代謝能力是影響有機物減量化、資源化的關鍵因素[25-26]，研究微生物群落代謝特征可以揭示堆肥(基質)化過程中的有機物降解機制及優(yōu)化堆肥(基質化)工藝[27]。平均顏色變化率是表示微生物的平均活性的指標之一，反映了微生物對碳源的利用能力[28]，從功能代謝方面顯示了微生物群落結構多樣性。本試驗中，翻堆溫度、含水率、接種微生物菌及添加氮源條件下枸杞枝條基質微生物活性隨著培養(yǎng)時間的延長而不斷升高，以翻堆溫度為60℃、含水率為60%、接種粗纖維降解菌及添加油餅處理微生物群落代謝的平均顏色變化率在整個培養(yǎng)期中均最高，分別為1.019、1.062、0.943和1.117，此處理微生物多樣性香濃指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)較高，顯著高于其他條件下的相應值，說明控制好翻堆溫度、含水率、接種粗纖維降解菌劑、添加油餅氮源有利于增加枸杞枝條基質高溫期的微生物的活性和多樣性，提高了對部分碳源的代謝能力。這與史龍翔等[29]以豬糞和果樹枝條為原料，接種復合菌劑顯著提高堆肥中微生物的平均顏色變化率研究結果一致。與FRANCESCO等[30]以家庭動物源的廚房廢棄物為原料，添加填充劑堆肥表型微生物多樣性提高研究結果相似。

4 結論

(1)從枸杞枝條基質的木質纖維素降解來看，發(fā)酵結束時，枸杞枝條基質纖維素、半纖維素和木質素質量分數(shù)均低于處理前，纖維素降解率在15%以上，半纖維素降解率在19%以上，木質素降解率在10%以上，適宜翻堆溫度、含水率、接種微生物菌、氮源有利于枸杞枝條粉木質纖維素的降解，其中以溫度為60℃、含水率為60%、添加雞糞氮源及接種粗纖維素降解菌處理枸杞枝條基質木質纖維素降解率較高，效果較好。

(2)從枸杞枝條基質發(fā)酵高溫期的微生物群落結構多樣性特征來看，翻堆溫度為60℃、含水率為60%、接種粗纖維降解菌及添加油餅處理提高了枸杞枝條基質高溫期的微生物的平均顏色變化率，增加了枸杞枝條粉堆體高溫期的微生物活性和多樣性，提高微生物對部分碳源的代謝能力，如多聚化合物、碳水化合物和氨基酸類等，有利于分解枸杞枝條基質化發(fā)酵中的有機質，促進枸杞枝條粉基質木質纖維素降解和腐熟。

1 楊毅.農業(yè)廢棄物資源化利用淺談[J].科技視界,2016(27):431.

2 李鵬,張俊飚.農業(yè)生產廢棄物循環(huán)利用績效測度的實證研究—基于三階段DEA模型的農戶基質化管理[J].中國環(huán)境科學,2013,33(4):754-761. LI Peng, ZHANG Junbiao. Empirical studies of agricultural production waste recycling efficiency: based on peasant household substrate management with three-stage DEA model[J].China Environmental Science, 2013,33(4): 754-761. (in Chinese)

3 馮海萍,楊志剛,楊冬艷,等.枸杞枝條基質化發(fā)酵工藝及參數(shù)優(yōu)化[J].農業(yè)工程學報,2015,31(5):252-260. FENG Haiping,YANG Zhigang,YANG Dongyan,et al. Optimization substrate of wolfberry shoots for fermentation and parameters[J].Transactions of the CSAE, 2015,31(5):252-260. (in Chinese)

4 馮海萍,曲繼松,楊冬艷,等.C/N比對枸杞枝條基質化發(fā)酵堆體腐熟效果的影響[J].新疆農業(yè)科學,2014, 56(6):1112-1119. FENG Haiping,QU Jisong,YANG Dongyan, et al.Effects of C/N ratio on nutrient changes and maturity index of wolfberry branches fermentation for substrate production[J].Xinjiang Agricultural Science,2014, 56(6):1112-1119. (in Chinese)

5 馮海萍,曲繼松,楊冬艷,等.接種微生物菌劑對枸杞枝條基質化發(fā)酵品質的影響[J].環(huán)境科學學報,2015，35(5):1457-1463. FENG Haiping,QU Jisong,YANG Dongyan,et al.Effects of inoculation microbial agent on fermentation quality of wolfberry branches for substrate production[J].Journal of Environmental Science,2015,35(5):1457-1463. (in Chinese)

6 陳世和,張所明.城市垃圾堆肥原理與工藝[M].上海:復旦大學出版社,1990:28-40.

7 孫江慧.幾株食用菌對秸軒木質纖維素降解能力的研究[D].南京：南京農業(yè)大學,2012. SUN Jianghui. Several strains of edible fungus research on straw hin lignocellulose degradation ability[D]. Nanjing:Nanjing Agricultural University, 2012.(in Chinese)

8 高福平.循環(huán)農業(yè)中農業(yè)廢棄物的再生利用[J].農學學報,2008(2):66-68 GAO Fuping.Circular agriculture in the recycling of agricultural waste[J].Journal of Agriculture,2008(2):66-68.(in Chinese)

9 馮宏,張新明,李華興,等.接種菌劑對堆肥微生物利用碳源能力的影響[J].華南農業(yè)大學學報,2005,26(4): 19-22. FENG Hong,ZHANG Xinming,LI Huaxing,et al.Effects of microbial inoculant agent to carbon source of compost[J]. Journal of South China Agricultural University,2005,26(4):19-22. (in Chinese)

10 FENG Chongling,ZENG Guangming,HUANG Danlian,et al.Effect of ligninolytic enzymes on lignin degradation and carbon utilization during lignocellulosic waste composting[J]. Process Biochemistry, 2011, 46(7): 1515-1520.

11 劉月.功能菌劑對堆肥中木質纖維素降解及微生物多樣性的影響[D].哈爾濱:東北農業(yè)大學,2014. LIU Yue.The functions of the composting inoculants lignocellulose degradation and the effect of microbial diversity[D].Harbin:Northeast Agricultural University, 2014. (in Chinese)

12 HUANG Danlian,ZENG Guangming,JIANG Xiaoyun,et al.Bioremediation of Pb-contaminated soil by incubating withPhanerochaetechrysosporiumand straw[J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 134(1): 268-276.

13 馮沖凌,曾光明,黃丹蓮,等.基于Biolog解析添加酶液對堆肥化過程中微生物群落代謝的影響[J].環(huán)境科學,2009,30(10):3016-3021. FENG Chongling,ZENG Guangming,HUANG Danlian, et al. Based on Biolog parsing adding enzyme liquid effects on microbial community in the composting process[J].Environmental Science, 2009, 30(10):3016-3021. (in Chinese)

14 鄒春嬌,齊明芳,馬建,等. Biolog-ECO 解析黃瓜連作營養(yǎng)基質中微生物群落結構多樣性特征[J].中國農業(yè)科學,2016,49(5):942-951. ZOU Chunjiao, QI Mingfang, MA Jian, et al.Analysis of soil microbial community structure and diversity in cucumber continuous cropping nutrition medium by Biolog-ECO[J].Scientia Agricultura Sinica,2016,49(5):942-951. (in Chinese)

15 劉文靜,潘葳,任麗花.FIBERTEC 2010半自動纖維分析儀測定飼料中纖維素、半纖維素、木質素的方法研究[J].福建農業(yè)學報,2013,28(7):722-726. LIU Wenjing,PAN Wei,REN Lihua. Determination of cellulose, hemicellulose, and lignin in feed by FIBERTEC 2010 semi-automatic fiber analyzer[J].Journal of Fujian Agriculture,2013,28(7):722-726. (in Chinese)

16 CHOI K, DOBBS F C. Comparison of two kinds of Biolog microplates (GN and ECO) in their ability to disiguish among a quatic microbial communities[J].Journal of Microbiological Methods,1999,36(3):2030-2031.

17 SHANNON C E. A mathematical theory of communication[J].ACM SIGMOBILE: Mobile Computing and Communications Review, 2001,5(1): 53-55.

18 ROGERS B F, TATE R L.Temporal analysis of the soil microbial community along a toposequence in Pineland soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(10): 1389-1401.

蟋蟀已經躲進庭堂，大車已經清閑。 現(xiàn)在還不快樂，日子會很快過去。 但也不要過分安樂，應該想著憂患。 歡樂而不廢正事，賢良的人經常奮勉。[4]106-107

19 楊永華,姚健,華曉梅.農藥污染對土壤微生物群落功能多樣性的影響[J].微生物學雜志, 2000,20(2):23-25,47. YANG Yonghua,YAO Jian,HUA Xiaomei. Effects of pesticide pollution against functional microblal diversity in soil[J].Journal of Microbiology, 2000,20(2): 23-25,47. (in Chinese)

20 KONG Xin,WANG Can,JI Min.Analysis of microbial metabolic characteristics in mesophilic and thermophilic biofilters using Biolog plate technique[J].Chemical Engineering Journal,2013,230(15):415-421.

21 田偉,張振華,汪貞,等.牛糞高溫堆肥過程中木質纖維素降解及相關生物學特性研究[J].浙江農業(yè)學報, 2014,26(2):432-438. TIAN Wei,ZHANG Zhenhua,WANG Zhen,et al. Cow dung in the process of high temperature compost lignocellulose degradation and related biological characteristics research[J].Acta Agriculturae Zhejiangensis,2014,26(2):432-438. (in Chinese)

22 徐杰，許修宏，劉月,等.添加菌劑對堆肥化過程中微生物群落代謝影響的Biolog解析[J].南京理工大學學報,2014,38(1):181-186. XU Jie,XU Xiuhong,LIU Yue,et al. Analysis of effect of inocula on microbial community metabolic profiles during composting using Biolog method[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2014,38(1):181-186. (in Chinese)

23 賀新生,楊朝惠,趙春花,等.三種白腐菌對木質纖維素降解規(guī)律的初步研究[J].纖維素科學與技術, 2012,20(1):33-38. HE Xinsheng,YANG Zhaohui,ZHAO Chunhua,et al. Three kinds of white-rot fungus preliminary study of the law of lignocellulose degradation[J].Journal of Cellulose Science and Technology,2012,20(1):33-38. (in Chinese)

24 BEMAL M P,ALBURQUERQUE J A,MORAL R. Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment[J]. Bioresource Technology,2009,100(22):5444-5453.

26 DIGNAC M F,HOUOT S,FRANCOU C,et al.Pyrolytic study of compost and waste organic matter[J].Organic Geochemistry, 2005,36(7): 1054-1071.

27 ZENG Guangming,HUANG Danlian,HUANG Guohe,et al.Composting of lead contaminated solid waste with inocula of white-rot fungus [J].Bioresource Technology,2007,98(2):320-326.

28 鄭麗萍,龍濤,林玉鎖,等.Biolog-ECO 解析有機氯農藥污染場地土壤微生物群落功能多樣性特征[J].應用與環(huán)境生物學報, 2013, 19(5): 759-765. ZHENG Liping,LONG Tao,LIN Yusuo,et al.Biolog-ECO analysis of microbial community functional diversity on organochlorine contaminated soil[J].Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2013,19(5):759-765. (in Chinese)

29 史龍翔,谷潔,潘洪加,等.復合菌劑提高果樹枝條堆肥過程中酶活性[J].農業(yè)工程學報,2015,31(5):244-251. SHI Longxiang,GU Jie,PAN Hongjia,et al.Improving enzyme activity by compound microbial agents in compost with mixed fruit tree branches and pig manure during composting[J].Transactions of the CSAE, 2015, 31(5): 244-251. (in Chinese)

30 FRANCESCO S,JOSEBA S.Arizmendiarrieta, ignacio irigoyenmeat waste as feedstock for home composting: effects on the process and quality of compost[J].Waste Management, 2016,7(4):22-26.

Characteristics of Degradation of Lignocellulose and Microbial Community Diversity during Fermentation of Wolfberry Branches Substrate

FENG Haiping1YANG Dongyan1BAI Shenghu2XIE Hua1LIU Xiaomei2PEI Hongxia1
(1.InstituteofGermplasmResources,NingxiaAcademyofAgricultureandForestryScience,Yinchuan750002,China2.GuyuanYuanzhouDistrictAgriculturalTechnologyPromotionCenter，Guyuan756000,China)

The Chinese wolfberry branch, normally as agricultural wastes, is one of the most important renewable and reuseable resources of plant fibers in Ningxia. To improve the efficiency of wolfberry branch utilization, the characteristics of lignocellulose degradation, microbial community metabolism and diversity were studied during the fermentation of wolfberry branches substrate. By design of orthogonal experiment, wolfberry powder branches and sophora alopecuroides stem powder mixed in ratio of 4∶1 were used to study the influence of fermentative factors on microbial community structure and diversity during the fermentation by Biolog-ECO system. The results showed that at the end of the fermentation, the degradation rates of cellulose, hemicellulose and lignin were stayed above 15%, 19% and 10%, respectively. The treatment, which added oil cake and inoculated with coarse cellulose degrading bacteria, got the higher degradation rates of lignocellulose at temperature of 60℃, moisture content of 60%, and the degradation rates of cellulose, hemicellulose and lignin were 18.12%～19.22%, 23.55%～25.21% and 13.87%～14.24%, respectively, which were increased significantly than those of the other treatments; microbial activity and diversity during high temperature period were increased. Average well color development of microbes were 1.019, 1.062, 0.943 and 1.117, and Shannon-Wiener index, Simpson index and richness index of microbes were 2.321～2.365, 0.930～0.941 and 18.78～20.33, respectively. The ability to metabolize microorganism on part of carbon source was improved, which resulted in promoting degradation of organic matter.

wolfberry branches powder； lignocellulose; degradation； microbes； community diversity； average well color development

2017-03-13

2017-03-31

國家自然科學基金項目(31501803)和寧夏農林科學院科技創(chuàng)新先導資金項目(NKYQ-16-05)

馮海萍(1981—)，女，助理研究員，主要從事蔬菜生理及無土栽培研究，E-mail: fenghaiping2005@163.com

謝華(1965—)，男，研究員，主要從事蔬菜學研究，E-mail: xiehua0002@163.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.039

TQ353.4+2; S317

A

1000-1298(2017)05-0313-07