餐廚堆肥配制基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌對黃瓜育苗效果的影響

李英 王文婷 陳潤澤 盧江 劉錚 劉欣宇

關(guān)鍵詞：芽孢桿菌；餐廚堆肥；育苗基質(zhì)；壯苗指數(shù)；黃瓜

近年來，隨著環(huán)保意識的提升，餐廚廢棄物的回收利用越來越受到人們的重視。利用餐廚廢棄物進行堆肥處理，可以有效減輕城市垃圾的壓力，同時生產(chǎn)出具有一定營養(yǎng)價值的有機肥料。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用餐廚堆肥替代部分泥炭進行育苗基質(zhì)的研制已被證實具有較高的可行性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)資源的循環(huán)利用，具有一定的經(jīng)濟和生態(tài)效益。然而餐廚堆肥相對于泥炭而言往往存在較多的Na+和Cl-等鹽分，使得育苗基質(zhì)的化學(xué)環(huán)境不利于作物的種子萌發(fā)和幼苗生長，從而影響育苗效果。針對這一現(xiàn)象，當(dāng)前業(yè)界往往從兩個方面進行解決。一是改善餐廚堆肥本身的理化性質(zhì)，在進行堆肥之前利用大量的清水對餐廚廢棄物進行沖洗，以稀釋其中的鹽分，同時在堆肥過程中加入適量的優(yōu)質(zhì)有機物質(zhì)，如稻草、秸稈等，以降低餐廚堆肥中的鹽分含量。這種方法的優(yōu)點是能夠從源頭上減少餐廚堆肥中的鹽分，對環(huán)境和作物的危害都會有所降低：缺點是需要大量的清水和優(yōu)質(zhì)有機物質(zhì)，成本較高，同時也需要更多的人力和物力投入。二是在育苗基質(zhì)中添加外源物質(zhì)，如硫磺粉、植物生長調(diào)節(jié)劑等，以增強作物幼苗對鹽堿環(huán)境脅迫的耐受力，進而達(dá)到較好的育苗效果。相對而言，在育苗基質(zhì)中添加外源物質(zhì)的方式顯得更加便利，但具體選擇何種外源物質(zhì)進行添加則需進行更加深入的研究。

芽孢桿菌是一種常見的細(xì)菌，廣泛分布于自然環(huán)境中，如土壤、水體、植物表面等。它們具有多種生物學(xué)特性和代謝功能，可對植物生長發(fā)育產(chǎn)生重要影響，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。土壤中的有機物質(zhì)是植物養(yǎng)分的重要源泉，然而這些有機物質(zhì)無法直接被植物吸收和利用?，F(xiàn)有研究表明，芽孢桿菌可以分解有機物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為植物可吸收的養(yǎng)分，使植物能夠更加充分地利用基質(zhì)中的營養(yǎng)，提高生長效率和生產(chǎn)效益。芽孢桿菌產(chǎn)生的一些有益物質(zhì)，如生長素、赤霉素等，也能夠刺激植物生長發(fā)育，促進根系發(fā)育和葉片生長，增加植物的抗逆性和免疫力。我們在早期的研究過程中發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌對番茄植株的生長、產(chǎn)量和青枯病抗性均具有一定的積極作用，由此引發(fā)的思考是，如果把上述三種芽孢桿菌添加到育苗基質(zhì)中，是否會對其育苗效果產(chǎn)生積極的影響？為此，本試驗在前期研究的基礎(chǔ)之上將枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌添加至由餐廚堆肥配制而成的黃瓜育苗基質(zhì)中，研究其對黃瓜幼苗生長、育苗后基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和病原菌數(shù)量的影響，旨在就芽孢桿菌對餐廚堆肥配制基質(zhì)的育苗效果進行深入探討，為餐廚廢棄物利用及其配制基質(zhì)的黃瓜育苗效果提升提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1試驗材料及概況

育苗試驗于2023年3月10-25日在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機循環(huán)研究院（蘇州）人工氣候與植物培養(yǎng)中心開展，相關(guān)指標(biāo)測定由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機循環(huán)研究院（蘇州）和遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院共同完成。

供試餐廚堆肥取自環(huán)太湖有機廢棄物處理利用示范中心，經(jīng)環(huán)太湖地區(qū)餐廚廢棄物好氧發(fā)酵而得，與泥炭、蛭石、珍珠巖按照10%：40%：40%：10%的體積比配制成供試育苗基質(zhì)（以下簡稱餐廚基質(zhì)）。該育苗基質(zhì)pH值為7.57，電導(dǎo)率為1.25mS·cm-1，堿解氮含量為1.22g·kg-1，有效磷1.14g·kg-1、速效鉀1.96g·kg-1、有機質(zhì)22.73%。配制基質(zhì)所需原料的基本理化性質(zhì)詳見參考文獻。

供試枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機循環(huán)研究院（蘇州）微生物研究室提供。供試黃瓜品種為津研四號。

1.2菌株培養(yǎng)液制備

參考臧超群等的方法，將三種芽孢桿菌菌株劃線接種于牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基（NA）平板上，28℃恒溫培養(yǎng)48h。將活化的菌株分別接種到裝有100mL NB培養(yǎng)液的250mL三角瓶中，在28℃、150r.min-1條件下振蕩培養(yǎng)72h，得到菌株培養(yǎng)原液。將菌株培養(yǎng)原液分別按5%的比例接種至裝有90mL培養(yǎng)液的250mL三角瓶中，在28℃、180r·min-1條件下振蕩培養(yǎng)96h，獲得菌株培養(yǎng)液，置于4℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3試驗設(shè)計

用供試餐廚堆肥配制基質(zhì)于50穴育苗穴盤中進行育苗，每穴1粒種子，播種于距離基質(zhì)表層0.5cm處。試驗共設(shè)置4個處理，重復(fù)3次，每穴盤為1次重復(fù)。各穴盤均進行1.5L溶液的等量澆灌，其中以澆灌清水為對照（CK），其余處理分別澆灌枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌培養(yǎng)液，分別記為T1、T2和T3。置于人工氣候室，在25℃、80%濕度條件下培養(yǎng)15d，試驗期間各處理適時進行等量清水補充。

1.4測定項目及方法

1.4.1黃瓜幼苗生長指標(biāo)測定播種10d后（2023年3月20日）統(tǒng)計黃瓜種子出苗數(shù)，計算出苗率和心葉率，并利用葉面積系數(shù)法測定幼苗子葉面積；播種后15d（2023年3月25日），每穴盤選取長勢良好的黃瓜幼苗15株，用直尺測量株高，用游標(biāo)卡尺測量莖粗。采用葉綠素含量測定儀（型號SPAD-502PLUS）測定黃瓜幼苗完全展開葉，以SPAD值表示葉綠素含量，同時測定幼苗葉面積。利用毛刷收集上述15株黃瓜幼苗所附著的育苗基質(zhì)，置于4℃環(huán)境中密封保存待測。利用根系掃描儀（型號LA-90）測定黃瓜幼苗根長；利用電子天平測定各處理黃瓜幼苗的地上部、地下部鮮重，然后90℃殺青60℃烘干至恒重，測定相應(yīng)干重并計算壯苗指數(shù)。通過隸屬函數(shù)法求出不同處理下各生長指標(biāo)的隸屬值，隸屬值越大表示黃瓜幼苗在此配比基質(zhì)下的生長越好，繼而對黃瓜幼苗生長指標(biāo)進行綜合評價。隸屬值及壯苗指數(shù)計算公式如下：

1.4.2育苗后基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)測定將黃瓜幼苗所附著的育苗基質(zhì)進行風(fēng)干、磨碎并過2mm篩，依據(jù)NY/T 2118-2012蔬菜育苗基質(zhì)中的方法分別測定其pH值、EC值和堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)及Na+、Cl-含量。

1.4.3鐮刀菌屬熒光定量分析以黃瓜幼苗所附著的育苗基質(zhì)為分析樣本，使用CTAB法提取樣本基因組DNA，用作qPCR模板。采用40uLTris-HCl緩沖液（pH8.0）洗脫DNA，置于-20℃環(huán)境中保存待測。利用鐮刀菌特異性引物ITS-Fu-f和ITS-Fu-r進行實時qPCR分析，擴增方案參考Meng等的方法。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2019對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，用Origin 202lpro軟件作圖，采用DPS18.1軟件以鄧肯新復(fù)極差法對數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析。

2結(jié)果與分析

2.1餐廚基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌對黃瓜幼苗生長的影響

播種10d后進行黃瓜出苗情況調(diào)查，結(jié)果（表1）看出，餐廚基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌對黃瓜出苗率無顯著影響，但較CK均顯著提升黃瓜幼苗的心葉率和子葉面積，芽孢桿菌處理之間無顯著差異。與CK相比芽孢桿菌處理心葉率提升105.07%～112.16%，子葉面積增加7.76%～11.26%。

由表2看出，餐廚基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌處理在黃瓜幼苗地上部各生長指標(biāo)上的表現(xiàn)有所差異。其中，枯草芽孢桿菌處理（T1）和貝萊斯芽孢桿菌處理（T3）在葉綠素含量、葉面積、地上部鮮重和地上部干重這4項指標(biāo)上均顯著優(yōu)于CK和解淀粉芽孢桿菌處理（T2），而T2和CK之間無顯著差異。T2株高表現(xiàn)最優(yōu)，為2.78cm，較CK提升9.88%。T1、T3處理葉綠素含量較CK分別高出18.13%、21.14%．地上部干重較CK均增加50.0%。T3在葉面積和地上部鮮重上表現(xiàn)最好，較CK分別增加69.40%和63.42%。莖粗方面，芽孢桿菌處理均顯著優(yōu)于CK，但各芽孢桿菌處理之間無顯著差異。

由表3看出，T1和T2處理在主根長、總根長和地下部鮮重這3項指標(biāo)上相對于其他處理均未表現(xiàn)出優(yōu)勢。T3地下部鮮重和干重優(yōu)于CK且差異均達(dá)顯著水平，其地下部鮮重較T1和T2分別高出53.97%和61.67%。綜上表明，三種芽孢桿菌處理在幼苗地下部尤其是根長方面并未表現(xiàn)出明顯的促進效果。

2.2餐廚基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌對黃瓜幼苗生長影響的綜合評價

鑒于三種芽孢桿菌在黃瓜幼苗眾多生長指標(biāo)中的表現(xiàn)不一，本研究采用壯苗指數(shù)和隸屬函數(shù)法對各處理黃瓜幼苗的生長狀況進行綜合評價。由表4可以看出，T1和T3處理的壯苗指數(shù)顯著優(yōu)于CK和T2，但仍難以詳盡區(qū)分4個處理的優(yōu)劣。從平均隸屬度來看，4個處理的平均隸屬度大小排序為：T3>T1>T2>CK。平均隸屬度越大代表相應(yīng)處理對黃瓜幼苗生長的促生效果越好，據(jù)此可知，T3處理對黃瓜幼苗的促生作用最佳。

2.3餐廚基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌對育苗后基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響

芽孢桿菌可以在基質(zhì)中繁殖，其繁殖過程可能導(dǎo)致基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。從表5中看出，三種芽孢桿菌對基質(zhì)的pH值并未產(chǎn)生較大影響，所有處理的pH值在7.36～7.52之間，但明顯提升基質(zhì)的EC值。T1處理基質(zhì)EC值、C1-和Na+含量均顯著高于其他3個處理。

由于本研究所采用的育苗基質(zhì)是以餐廚堆肥為原料之一，為避免過多的鹽分隨著移栽被帶人土壤中，Cl-和Na+是本研究額外關(guān)注的指標(biāo)?？梢钥闯?，CK、T2和T3處理在Na、Cl-含量方面并未表現(xiàn)出顯著差異，說明解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌可能沒有促進黃瓜植株吸收該兩種離子的作用。

在育苗基質(zhì)養(yǎng)分含量方面，3個芽孢桿菌處理相較于CK顯著提升了堿解氮和速效鉀含量，這可能是由于芽孢桿菌對育苗基質(zhì)中的有機物質(zhì)進行了分解，從而導(dǎo)致養(yǎng)分含量有所上升：有效磷含量方面，T3顯著低于其余處理：T2有機質(zhì)含量顯著低于其余處理。

2.4餐廚基質(zhì)中添加不同芽孢桿菌對育苗后基質(zhì)內(nèi)鐮刀茵屬微生物含量的影響

鐮刀菌屬微生物是誘發(fā)黃瓜發(fā)生枯萎病等多種地下病害的重要因素。餐廚基質(zhì)中添加芽孢桿菌顯著降低育苗基質(zhì)內(nèi)鐮刀菌屬微生物含量（圖1），其中尤以T3處理效果最為明顯。相對于CK、T1和T2．T3處理基質(zhì)中鐮刀菌屬微生物含量分別降低42.31%、23.73%和25.00%，這將有效抑制黃瓜幼苗期地下病害的發(fā)生。

3討論與結(jié)論

餐廚廢棄物資源化利用過程中所面臨的最重要的難題便是原料性質(zhì)的不穩(wěn)定，因此利用餐廚堆肥進行蔬菜育苗基質(zhì)的配制時不宜添加過量，以免出現(xiàn)不同批次的基質(zhì)理化性質(zhì)變化幅度過大的現(xiàn)象。本研究采用的育苗基質(zhì)中添加了體積分?jǐn)?shù)為10%的餐廚堆肥，早期相關(guān)研究證實該基質(zhì)表現(xiàn)出較好的育苗效果，但偶有出現(xiàn)枯萎病等病害現(xiàn)象。本研究將枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌添加至育苗基質(zhì)中，顯著降低基質(zhì)內(nèi)鐮刀菌屬微生物數(shù)量，實現(xiàn)了對地下病害的部分防控。

此外，三種芽孢桿菌對黃瓜幼苗的促生效果也是本研究考慮的重點問題。餐廚堆肥中普遍存在大量的鹽分離子，極容易對蔬菜幼苗造成鹽脅迫，進而影響其生長?，F(xiàn)有大量研究表明，部分芽孢桿菌對作物存在著緩解鹽脅迫的作用，如枯草芽孢桿菌對高梁、番茄、小麥等作物均有抗鹽促生的有益效果，這為芽孢桿菌在含鹽基質(zhì)中進行應(yīng)用提供了理論參考。本研究結(jié)果也表明，枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌均對餐廚堆肥配制基質(zhì)中的黃瓜幼苗具有明顯的促生效果，尤其是地上部表現(xiàn)最為明顯，證明三種芽孢桿菌在該育苗基質(zhì)中應(yīng)用的可行性。而其中貝萊斯芽孢桿菌的促生防病效果經(jīng)綜合評價后居三種芽孢桿菌之首，這一點在關(guān)于芽孢桿菌在番茄生產(chǎn)過程中的應(yīng)用效果研究中得到相應(yīng)佐證。

臧超群等研究發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌對花生葉部病害具有顯著的抑制作用。通過對貝萊斯芽孢桿菌相關(guān)研究結(jié)果的深入梳理可以發(fā)現(xiàn)，相對于枯草芽孢桿菌或解淀粉芽孢桿菌，貝萊斯芽孢桿菌通過代謝植物體內(nèi)的復(fù)雜有機物，如多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸等，產(chǎn)生一些特殊的代謝產(chǎn)物，如類鏈霉菌素、芽孢素、肽類抗生素等，這些代謝產(chǎn)物對植物具有促生、促進營養(yǎng)吸收、增強免疫力等作用，并且對多種病原微生物具有抑制和殺滅作用。同時，貝萊斯芽孢桿菌形成生物膜的能力更加強大，這種生物膜可以附著在植物根系上，并且通過釋放代謝產(chǎn)物、吸附有益菌群等方式，對植物產(chǎn)生促生防病作用。綜上，貝萊斯芽孢桿菌與其他芽孢桿菌出現(xiàn)如此之大差異的主要原因可能是，貝萊斯芽孢桿菌在基因組水平上同其他芽孢桿菌存在差異，其中包括一些關(guān)鍵基因的變異或缺失，這些基因與代謝途徑、生物膜形成、抗生素產(chǎn)生等相關(guān)，這些差異使得貝萊斯芽孢桿菌具有更強的生物學(xué)活性和生態(tài)適應(yīng)性。

本研究結(jié)果除了對育苗基質(zhì)的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義外，同樣適用于相關(guān)生物有機肥的研制，尤其是餐廚堆肥在田間的應(yīng)用開發(fā)方面。當(dāng)前餐廚堆肥普遍應(yīng)用于水田，利用田間存在的水體對餐廚堆肥中的鹽分和油脂進行有效稀釋，進而極大地消除其對水稻生長的不良影響，而餐廚堆肥應(yīng)用于旱田尤其是蔬菜作物的研究則少見報道。其原因主要在于餐廚堆肥中的鹽分對蔬菜生長可能具有較強的抑制作用，而本研究中的三種芽孢桿菌均在緩解黃瓜鹽脅迫、實現(xiàn)促生抗病方面表現(xiàn)出上佳效果。以此研究結(jié)果為基礎(chǔ)，可將芽孢桿菌尤其是貝萊斯芽孢桿菌添加至餐廚堆肥中制成生物有機肥，或能夠促進餐廚堆肥在蔬菜作物生產(chǎn)中的應(yīng)用。然而，值得注意的是，本研究中的三種芽孢桿菌在達(dá)成促生效果的前提下均未能實現(xiàn)對育苗基質(zhì)中Na+和CI-的吸收，其育苗后基質(zhì)中的鹽分含量同CK相比并未表現(xiàn)出明顯下降。這仍成為餐廚堆肥在田間應(yīng)用時的隱患之一，其大量的鹽分可能會存留于土壤中而導(dǎo)致鹽漬化，這也是另一項待攻克重點難題之一，有待進一步研究其相應(yīng)的解決方案。

綜上所述，枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌均對餐廚堆肥配制基質(zhì)中的黃瓜幼苗具有明顯的促生防病效果，其中以貝萊斯芽孢桿菌的效果最佳，建議在本研究結(jié)果基礎(chǔ)上進一步開展研究以解決餐廚堆肥中鹽分離子在基質(zhì)或土壤中殘留的問題。