基于落葉資源化利用的景觀生態(tài)磚開發(fā)研究

寇一鳴 周苡純 陸沁凝 羅永婷 張葳 陳軍

摘要 探究落葉資源的生態(tài)開發(fā)利用。通過篩選高效降解微生物分解釋放落葉中植物生長養(yǎng)分，再經(jīng)模具壓制加工成既能生長景觀植物，又可拼接布景的落葉生態(tài)磚。結(jié)果表明：篩選的3#落葉降解菌株能豐富降解基質(zhì)中微生物種群數(shù)量，比對照組高出6.4倍，微生物多樣性指數(shù)SW比對照提高了0.12;落葉降解基質(zhì)中酶活力指標(biāo)也明顯增加。種植試驗表明：經(jīng)降解過的落葉基質(zhì)營養(yǎng)物組成更適合草皮等景觀植物的生長。壓制成的落葉生態(tài)磚成型規(guī)則，草籽定植穩(wěn)固，生態(tài)磚拼接形式多樣，磚體透氣保肥效果適度，養(yǎng)護(hù)期草籽萌發(fā)率高，生長速度快，具有較好的景觀生態(tài)效果。研究可為大量的落葉資源尋找一條環(huán)境友好的處理途徑，具有較好的經(jīng)濟(jì)價值和生態(tài)環(huán)保意義。

關(guān)鍵詞 落葉;微生物降解;資源化利用;景觀生態(tài)磚

中圖分類號 S731.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0225-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.059

Study on the Development of Landscape Ecological Brick Based on the Utilization of Defoliation as Resources

KOU Yi-ming， ZHOU Yi-chun， LU Qin-ning et al

（College of Life Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

Abstract The ecological development and utilization of deciduous resources is researched. By screening high-efficient degradation microorganisms， releasing the nutrients of the plants in the leaves， and then using the mold to suppress the degradation of the leaves， the leaves can be processed into both landscape plants and mosaic ecological bricks. The results showed that the number of microorganisms in the degradation matrix was increased by 6.4 times， and the microbial diversity index （SW） was also increased by 0.12 compared with the control group. The planting experiment shows that the nutrient composition of the defoliated substrate is more suitable for the growth of landscape plants such as turf. The pressed defoliated ecological brick has regular shaping， stable grass seed planting， various splicing forms of ecological brick， moderate permeability and fertilizer retention effect of brick body， high germination rate and fast growth rate of grass seed during maintenance period， and good landscape ecological effect. The study can find an environmentally friendly way to deal with a large number of deciduous resources， which has better economic value and ecological and environmental protection significance.

Key words Defoliation;Microbial degradation;Resource utilization;Landscape ecological brick

近年來城市或景區(qū)樹木綠化的規(guī)模超速發(fā)展，每年季節(jié)性產(chǎn)生的大量落葉在自然環(huán)境中降解周期長，還會產(chǎn)生不良的氣味和腐爛物質(zhì)，影響城市的環(huán)境質(zhì)量 [1]。清除和處理落葉污染已經(jīng)成為環(huán)衛(wèi)工人一項繁重的工作，也是環(huán)境保護(hù)行業(yè)中十分棘手的問題之一 [1-2]。隨著環(huán)保問題越來越受到人們的關(guān)注，“綠水青山就是金山銀山”理念更加深入人心，落實“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念使人們更加愛惜身邊的環(huán)境 [3]。自然界每年會產(chǎn)生數(shù)量極其龐大的落葉資源 [4、5]，而落葉中可利用的有機(jī)物質(zhì)含量高，其中主要成分是纖維素、多糖和蛋白質(zhì)，此外，還含有豐富的無機(jī)鹽、維生素和多種植物激素 [6-8]。目前落葉資源處理的主要方法有堆肥法、焚燒法和填埋法 [9-11]。雖然能夠清除落葉污染，但存在效益低、處理能力有限和再生利用率差等現(xiàn)實問題 [12-13]。該課題充分利用落葉中對植物生長有益有成分，經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化作用，釋放其中的養(yǎng)分，再通過調(diào)節(jié)降解基質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)配比，與凝結(jié)劑混合后壓制加工成預(yù)先植入過景觀植物的種子（或孢子）的生態(tài)磚塊。該磚塊可拼接、能布景、會生長，可以布置在林間、綠地、墻體或路徑旁，在適宜的養(yǎng)護(hù)條件下形成具有美化綠化功能的裝飾材料，研究開發(fā)的產(chǎn)品可為落葉資源的再利用、城市和景區(qū)環(huán)境質(zhì)量的改善、園林綠化材料新資源的增加提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 落葉、微生物分離樣品及預(yù)植草籽

1.1.1 落葉收集。

春季校園內(nèi)收集落葉量較大的干枯香樟落葉。

1.1.2 降解微生物分離樣品。

多點采集樹林中枯枝敗葉殘存環(huán)境中的表層土壤，每個采樣點采集50 g裝入無菌小塑料袋，通過等量縮分將樣品縮減到10 g備用。

1.1.3 草籽。

美國四季青狗牙根黑麥草（Lolium perenne L.）草籽，矮生草坪，耐陰耐寒，四季常綠品種 [14]。

1.2 培養(yǎng)基

1.2.1 微生物增殖培養(yǎng)基。

Na2HPO4 6 g/L，KH2PO4 3 g/L，NaCl 0.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，醇母膏0.2 g/L，MgSO4? 0.24 g/L，CaCl2? ?0.011 g/L，添加經(jīng)破碎機(jī)粉碎落葉基質(zhì)20 g/L和 100 mg/mL氨芐青霉素100 μL/L。

1.2.2 微生物分離純化培養(yǎng)基。

落葉粉碎基質(zhì)10 g/L，Na2HPO4 6 g/L，KH2PO4 3 g/L，NaCl 0.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，F(xiàn)eSO4 0.025 g/L，酵母膏0.2 g/L，MgSO4 0.24 g/L，CaCl2? 0.011 g/L，氨芐青霉素100 μL/L，瓊脂20 g/L，pH 5.8～6.2， 0.1 MPa，滅菌20 min。

1.2.3 保存培養(yǎng)基。

PDA：商品培養(yǎng)基，上海疾病控制中心生產(chǎn)。

1.3 試驗器材及設(shè)備

刮鏟、定植杯和制磚模具。渦旋振蕩器、超凈工作臺、高壓滅菌鍋、振蕩培養(yǎng)箱、恒溫恒濕光照培養(yǎng)箱和電導(dǎo)率。

1.4 增殖培養(yǎng)

稱取2 g土樣加入裝有50 mL增殖培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，渦旋振蕩器上振蕩5 min，設(shè)置3組平行?；靹虻囊后w置于30 ℃，180 r/min振蕩培養(yǎng)箱中搖瓶培養(yǎng)5 d。

1.5 落葉降解微生物分離

1.5.1 增殖液梯度稀釋。

在超凈工作臺中取增殖培養(yǎng)液 10 mL加入裝有90 mL無菌水的250 mL三角瓶中，靜置? 5 min后用渦旋振蕩器上振蕩5 min，制成10 -1稀釋菌液。用無菌吸管吸取? 1 mL 10 -1稀釋菌液加入9 mL無菌水試管中，渦旋振蕩器1 min制成10 -2稀釋菌液，再依次用無菌吸管吸取1 mL稀釋菌液加入9 mL無菌水試管中梯度稀釋成10 -3倍、10 -4倍、10 -5倍稀釋菌液。

1.5.2 平板涂布。

分別取0.1mL的 10 -4倍、10 -5倍稀釋菌液于分離培養(yǎng)基平板上，用無菌涂布棒分別涂布均勻，每一稀釋度重復(fù)5個平行。

1.5.3 培養(yǎng)。

將涂布好的平板放入30 ℃微生物恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)48 h后，觀察培養(yǎng)結(jié)果，統(tǒng)計總菌數(shù)、菌落 種類。

1.5.4 菌株鑒別及純化。

挑取生長快速的典型菌落，在保存培養(yǎng)基平板上劃線純化至單一菌落，顯微觀察菌體形態(tài)。純化后的菌落斜面菌種保藏作為后續(xù)試驗的備用菌種。

1.6 落葉的微生物降解試驗

1.6.1 降解菌種的制備。

將分離得到的落葉降解菌株斜面用5 mL無菌生理鹽水浸潤，接種環(huán)攪拌斜面表面的菌苔將菌苔全部洗下，用無菌吸管轉(zhuǎn)入到50 mL無菌三角瓶中，渦旋振蕩器上振蕩5 min成菌懸液，取5 mL菌懸液加入到 50 mL增殖培養(yǎng)液中160 r/min，30 ℃培養(yǎng)48 h，作為強(qiáng)化落葉降解的發(fā)酵菌種。

1.6.2 落葉降解試驗。

將收集的香樟落葉加水浸潤24 h后按質(zhì)量比接入1∶100（m/m）的落葉降解菌種制備液拌合均勻，裝入50×30×30 cm3的方形塑料籃中用8層紗布覆蓋籃口，30 ℃培養(yǎng)5～6 d強(qiáng)化落葉降解。測定其中的微生物數(shù)量、微生物多樣性指數(shù)和酶活力。其中對照組不添加菌液。

1.7 景觀生態(tài)磚的制作及養(yǎng)護(hù)

1.7.1 草籽在降解落葉基質(zhì)中的萌發(fā)及生長。

將發(fā)酵后的香樟落葉用粉碎機(jī)破碎成粗粉狀，在定植杯中（Φ 60 mm× 80 mm）裝滿壓實，每杯均勻植入草籽5粒，設(shè)置5組平行。噴灑適量清水，增濕光照培養(yǎng)箱內(nèi)22 ℃，培養(yǎng)10 d，統(tǒng)計出苗率和平均生長速度。

1.7.2 生態(tài)磚的壓制。

根據(jù)預(yù)植的植物種類對落葉降解基質(zhì)作適量的植物營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)，再加入質(zhì)量比為10%（m/m）的2%的羧甲基纖維素溶液作為黏合劑拌勻，調(diào)節(jié)混合基質(zhì)中總含水量在35%～40%。

將攪和的復(fù)配的落葉降解基質(zhì)填充到特制的制磚模具（圖1）中壓緊壓實，磨平，并在預(yù)制的落葉磚的上表層均勻撒入草籽，預(yù)植的草籽量為2～3 粒/cm2，壓平成型后制成生態(tài)磚雛形。磚塊放置在室內(nèi)常溫風(fēng)干，約5～7 d自然風(fēng)干，即已經(jīng)制成生態(tài)磚。

1.7.3 生態(tài)磚透水保肥性能測定。

對相同制作條件下制成的生態(tài)磚，切取10×10 cm2的方塊，四周用寬帶透明膠帶纏縛，上部形成凹形水槽，加入清水保持水深5 cm，并收集透過磚塊的液體，測定單位時間單位面積內(nèi)流出液體的體積[mL/（cm2·min）]和液體的電導(dǎo)率（mS/cm）。

1.7.4 生態(tài)磚的使用及養(yǎng)護(hù)管理。

生態(tài)磚在使用前先將磚塊浸入清水中吸水10 min，再在室外草坪、墻體或路邊按照設(shè)計的圖案擺放。用噴水壺噴水補(bǔ)濕，考察草籽開始萌發(fā)和生長情況。

1.8 檢測方法

1.8.1 菌體濃度測定 [15]。

活菌計數(shù)法測定樣品中和種類微生物數(shù)量。

1.8.2 降解落葉基質(zhì)的微生物多樣性指數(shù)檢測 [16]。

微生物數(shù)量分析采用數(shù)字液體稀釋儀和全自動微生物平皿螺旋加樣系統(tǒng)操作，其中細(xì)菌檢測采用營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板，放線菌檢測采用高氏一號培養(yǎng)基平板，真菌檢測采用馬丁氏培養(yǎng)基平板。

落葉降解基質(zhì)微生物類群多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener（SW）多樣性指數(shù)表示。公式如下：

式中，Pi=Ni/N;N為菌落總數(shù)（cfu/mL）;Ni為第i個種的菌落數(shù)（cfu/mL）。

1.8.3 降解落葉中微生物總DNA的提取 [17]。

取3.0～4.0 g降解落葉樣品交上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行樣品基因組分析，測定經(jīng)過降解菌強(qiáng)化作用后落葉樣品中微生物群落組成分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 篩選微生物強(qiáng)化降解落葉基質(zhì)的肥力指標(biāo)分析

通過對采集樣品中的微生物進(jìn)行富集培養(yǎng)，并采用落葉為微生物降解基質(zhì)篩選出能快速利用落葉基質(zhì)的微生物菌株，共分離出具有生長優(yōu)勢的落葉降解微生物菌株6株。對落葉進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵試驗，接種不同的分離菌種強(qiáng)化落葉發(fā)酵，測定固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)的微生物多樣性指數(shù)和酶活力（磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶和纖維素酶等）。落葉降解樣中微生物多樣性指數(shù)統(tǒng)計見表1，酶活力指標(biāo)測定見表2。

從表1 檢測結(jié)果分析，強(qiáng)化降解微生物后的落葉基質(zhì)中微生物數(shù)量明顯增加，微生物多樣性指數(shù)也發(fā)生較大的變化，說明強(qiáng)化降解性能更好的微生物能提高落葉基質(zhì)中微生物的活躍程度，更加有利于基質(zhì)的分解。其中微生物數(shù)量增加最多的是3#菌株，數(shù)量達(dá)到3.5×106 CFU/g，比對照組高出6.4倍。多樣性指數(shù)增加最多的是4#菌株，SW為1.079，比對照組高出0.284。與之相對應(yīng)的基質(zhì)肥力指標(biāo)顯示3#菌株的脲酶、蔗糖酶、纖維素酶和過氧化氫酶的活力均高于對照和其他菌株（表2）。綜合多方面結(jié)果，試驗最終選擇3#菌為落葉降解的強(qiáng)化菌種。

2.2 落葉降解后微生物群落組成分析

利用3#菌強(qiáng)化落葉降解后，基質(zhì)中的微生物基因組測序分析顯示其中的菌系組成中屬于假球殼目的菌生格孢菌（Pleospora episphaeris）數(shù)量占比65.02%，其次是發(fā)菌科（Trichocomaceae）翅孢殼屬微生物，占比11.5%，再次是厚頂盤菌目（Stictidaceae）點盤菌科（Agyriella nigra）的黑色無座盤孢菌，占比10%。種類微生物數(shù)量占比情況如圖2所示。

2.3 降解落葉基質(zhì)的草籽萌發(fā)率及生長速度

利用3#菌株降解后的落葉基質(zhì)在定植杯中測試草籽的萌發(fā)和草苗的生長情況，統(tǒng)計結(jié)果如圖3、4所示。

由圖3、4可以發(fā)現(xiàn)落葉經(jīng)3#菌株發(fā)酵降解后對草籽的萌發(fā)產(chǎn)生較好的影響，平均萌發(fā)率為93%，比未經(jīng)降解的落葉稍高5%;而對草苗生長速度的影響更為明顯，5 d、10 d和15 d的生長速度分別提高了42.9%、91.2%和33.3%。說明降解落葉在草苗生長初期提供營養(yǎng)的速度更快，草苗的前期生長速度顯著高于未降解落葉基質(zhì)。證實了落葉微生物降解更適合植物的種植。

2.4 生態(tài)磚透水保肥效果性能

對制作的生態(tài)磚噴淋清水并收集透過磚塊的液體，測定單位時間內(nèi)流出液體的體積和液體的電導(dǎo)率，結(jié)果如表3所示。

檢測結(jié)果表明，相同的制磚條件下未經(jīng)降解的落葉生態(tài)磚透水率最高，0.54 mL/（cm2·min），而經(jīng)3#菌株降解落葉制成的生態(tài)磚只有0.25 mL/（cm2·min），說明透水性適中，有利于形成磚塊的較好的涵水能力，而電導(dǎo)率測定顯示，3#菌株降解落葉制成的生態(tài)磚透出液體的的數(shù)值為 1.025 mS/cm，低于另兩種菌株處理的落葉，反映出該樣品還具有較好的保肥性能，對照組未降解落葉生態(tài)磚的電導(dǎo)率數(shù)值較小的原因應(yīng)該是落葉分解不夠，其中營養(yǎng)物質(zhì)的釋放 不多。

2.5 黑麥草生態(tài)磚的基本養(yǎng)護(hù)條件確定

制成的生態(tài)磚養(yǎng)護(hù)的基本條件如下：在氣溫20～30 ℃的季節(jié)，景觀生態(tài)磚拼接前浸水10 min，按照設(shè)計的圖案拼接成景，每天傍晚噴灑清水使磚塊表面濕潤，3～5 d草籽發(fā)芽形成小苗，5～10 d小

苗覆蓋磚表面，當(dāng)草苗根系形成扎入基質(zhì)內(nèi)部后2～3 d適當(dāng)噴水，直到磚塊自然分解。

3 結(jié)論與討論

落葉資源十分龐大，落葉在自然環(huán)境中降解周期長，影響環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)過微生物分解和轉(zhuǎn)化作用落葉釋放對植物生長有益有成分，再壓制加工成景觀落葉生態(tài)磚塊，將資源轉(zhuǎn)化科學(xué)合理，污染物轉(zhuǎn)變自然和諧 [18-19]。設(shè)計加工可為廢棄的落葉資源再利用，改善城市和景區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，豐富園林綠化材料新資源和新途徑。

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