蚯蚓堆制處理玉米秸稈機理研究

【摘要】：蚯蚓堆制處理技術就是在生物堆肥法的基礎上接種蚯蚓，利用蚯蚓自身的特點，經(jīng)蚯蚓消化代謝及與“蚓觸圈”（drilosphere）內(nèi)微生物相互作用，把秸稈等有機廢棄物轉(zhuǎn)化為物理、化學和生物學特性優(yōu)良的蚓糞和穩(wěn)定腐殖質(zhì)的過程，是近幾年研究較多的一項利用蚯蚓處理農(nóng)作物秸稈等有機廢棄物的有效技術。 深入對不同種類蚯蚓“蚓觸圈”內(nèi)微生物構(gòu)成分析和酶譜特征分析，了解蚯蚓共生微生物木質(zhì)纖維素降解酶系、降解機理及高效降解木質(zhì)纖維素的微生物菌種，尋找催化活性高、成本低的降解木質(zhì)纖維素酶，不但可以提高堆肥的效率和品質(zhì)，而且還大大減少了環(huán)境污染，對農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便的利用具有實際意義。 本研究以碳氮比為35的玉米秸稈和雞糞混合物為物料，以表棲類蚯蚓赤子愛勝蚓(Eisenia foetida)和深棲類蚯蚓湖北遠盲蚓(Amynthas hupeiensis)為供試蚓，以未接種蚯蚓為對照，設置對照組即不接種蚯蚓(CK)、接種深棲類蚯蚓組(A)、接種表棲類蚯蚓組(E)，深棲類與表棲類蚯蚓共同接種組(M)4個處理，其中A1、E1、M1表示對應蚯蚓處理在第15天的取樣，A2、E2、M2表示對應蚯蚓處理在第30天的取樣，A3、E3、M3表示對應蚯蚓處理在第60天的取樣。研究了玉米秸稈在蚯蚓堆制處理期間理化性質(zhì)變化、木質(zhì)纖維素相關酶酶活性變化、木質(zhì)纖維素降解情況及微生物組成。研究結(jié)果如下： 1.蚯蚓堆制處理后物料物理化學性質(zhì)的變化：pH值均有所降低，pH值下降較快的為A組；有機碳含量均下降，A組下降最快，60d時為375.65g/kg；碳氮比低于CK，A組在第45d最小碳氮比為30.58，其次是E組，為32.27；全氮含量隨時間均呈先下降再波動升高趨勢，第15d A組全氮含量最高為13.27g/kg；全磷含量均高于CK，在第15d時M組物料中全磷含量最大，為6.58g/kg；全鉀含量隨時間呈增加趨勢，E組與A組在第60d全鉀含量分別為6.45g/kg和6.23g/kg；速效氮含量隨時間呈增加趨勢，第60d時A與E組速效氮含量分別為1195.67mg/kg、1112.55mg/kg；速效氮含量均高于CK，在第15d M組最大，為5.69g/kg；速效鉀含量均高于CK，E、M和A組的速效鉀含量分別在第45d、30d、60d最大，分別為107.36mg/kg、109.85mg/kg、106.22mg/kg。 2.蚯蚓堆制處理物料酶譜特征分析：測定降解木質(zhì)纖維素的7種酶的酶活力在蚯蚓堆制處理的物料中隨時間均呈先升后降趨勢，且在蚯蚓處理前期均高于CK。M組的羧甲基纖維素(CMC)酶、微晶纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、乙酰酯酶(AE)、阿魏酸酯酶(FAE)和錳過氧化物酶(MnP)的最高酶活力均高于其它組，并分別在第45d、15d、45d、30d、15d、15d和30d，最大酶活力為32.74U/g、185.96U/g、29.09U/g、72.82U/g、2.18U/g、0.32U/g、21.69U/g。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量均隨時間呈下降趨勢，蚯蚓堆制處理組纖維素含量均低于CK。在試驗結(jié)束時E、M和A組物料中纖維素含量分別為10.77%、8.13%、10.11%，半纖維素含量分別為21.37%、21.38%、22.41%，木質(zhì)素含量分別為6.68%、7.65%、8.07%。 3.蚯蚓堆制處理后物料中微生物群落結(jié)構(gòu)變化：在97%相似水平的細菌物種多樣性最高的為E2，最低的為M1。真菌物種多樣性最高的為M2，最低的為A3。E、M和A組堆制物料中黃桿菌科(Flavobacteriaceae)、莫拉菌科(Moraxellaceae)和假單胞菌科(Pseudomonadaceae)相對豐度隨時間延長均呈先升高后降低趨勢。試驗結(jié)束時各組物料中細菌菌群在科的水平上相對豐度相差不大，沒有出現(xiàn)優(yōu)勢細菌物種。相對豐度較高的細菌菌群均集中在不動桿菌屬(Acinetobacter)、金黃桿菌屬(Chryseobacterium)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、節(jié)細菌屬(Arthrobacter)、假單胞桿菌屬(Pseudomonas)、假黃色單胞菌屬(Pseudoxanthomonas)和鏈霉菌屬(Streptomyces)細菌中。 E、M和A組物料中毛霉菌科(Mucoraceae)、鬼傘科(Psathyrellaceae)和小壺菌科(Spizellomycetaceae)的相對豐度隨時間均呈先降后升趨勢，Mitosporic_Cystofilobasidiales的相對豐度在E和A中呈升高趨勢，在M中呈先升后降趨勢，Pseudeurotiaceae的相對豐度隨時間延長均呈升高趨勢。蚯蚓堆制處理結(jié)束時E、M和A組的優(yōu)勢真菌菌群分別為毛霉菌科(Mucoraceae)(36.82%)、毛霉菌科(Mucoraceae)(71.42%)和Mitosporic_Cystofilobasidiales(39.04%)。相對豐度較高的真菌菌群主要有鬼傘屬(Coprinopsis)、Gaertneriomyces、Guehomyces、毛霉菌屬(Mucor)、尾梗霉屬(Cercophora)假裸囊菌屬(Pseudogymnoascus)、Parascedosporium、隱球菌(Cryptococcus)、鐮刀菌屬(Fusarium)、枝鼻菌屬(Cladorrhinum)、被孢霉屬(Mortierella)、青霉菌屬(Penicillium)。 【關鍵詞】：玉米秸稈 蚯蚓堆制 理化性質(zhì) 酶活力 高通量測序
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S141.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 立題意義12-13
• 1.2 研究進展13-19
• 1.2.1 蚯蚓堆制處理底物13
• 1.2.2 影響蚯蚓堆制處理因素13-15
• 1.2.3 降解木質(zhì)纖維素的蚯蚓共生微生物及其酶系15-17
• 1.2.4 蚯蚓堆制物料微生物研究方法17-19
• 1.3 研究內(nèi)容19-20
• 1.4 本研究的技術路線20-21
• 1.5 研究創(chuàng)新點21-22
• 第2章 蚯蚓堆制物料物理化學性質(zhì)變化22-38
• 2.1 引言22
• 2.2 材料22-23
• 2.2.1 供試材料22-23
• 2.2.2 試驗試劑23
• 2.2.3 試驗儀器23
• 2.3 試驗設計23-24
• 2.4 理化指標測定方法24-26
• 2.4.1 含水量測定24
• 2.4.2 pH 測定24
• 2.4.3 有機碳的測定24-25
• 2.4.4 全氮測定25
• 2.4.5 速效氮測定25
• 2.4.6 全磷測定25-26
• 2.4.7 速效磷測定26
• 2.4.8 全鉀測定26
• 2.4.9 速效鉀測定26
• 2.4.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析26
• 2.5 結(jié)果與分析26-33
• 2.5.1 蚯蚓堆制物料含水率和 pH 的變化26-27
• 2.5.2 蚯蚓堆制物料有機碳和碳氮比的變化27-29
• 2.5.3 蚯蚓堆制物料全氮和速效氮的變化29-30
• 2.5.4 蚯蚓堆制物料全磷和速效磷的變化30-31
• 2.5.5 蚯蚓堆制物料全鉀和速效鉀的變化31-33
• 2.6 討論33-36
• 2.6.1 蚯蚓堆制物料中含水率和 pH 值的變化33-34
• 2.6.2 物料中有機碳和碳氮比的變化34
• 2.6.3 物料中全氮和速效氮的變化34-35
• 2.6.4 物料中全磷和速效磷的變化35-36
• 2.6.5 物料中全鉀和速效鉀的變化36
• 2.7 小結(jié)36-38
• 第3章 蚯蚓堆制物料酶活性變化38-55
• 3.1 引言38
• 3.2 材料38-39
• 3.2.1 試驗儀器38
• 3.2.2 試驗試劑38-39
• 3.2.3 試劑的配置39
• 3.3 試驗方案39-40
• 3.4 試驗方法40-43
• 3.4.1 粗酶液的提取方法40
• 3.4.2 葡萄糖標準曲線的制作40
• 3.4.3 CMC 酶活力的測定方法40
• 3.4.4 微晶纖維素酶活力的測定方法40-41
• 3.4.5 β-葡萄糖苷酶活力的測定方法41
• 3.4.6 木糖標準曲線的制定方法41
• 3.4.7 木聚糖酶活力的測定方法41
• 3.4.8 AE 活力的測定方法41-42
• 3.4.9 FAE 活力的測定方法42
• 3.4.10 MnP 活力的測定方法42
• 3.4.11 堆制物料成分分析方法42-43
• 3.4.12 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析43
• 3.5 結(jié)果與分析43-50
• 3.5.1 蚯蚓堆制物料纖維素酶活力的變化43-45
• 3.5.2 蚯蚓堆制物料半纖維素酶活力的變化45-48
• 3.5.3 蚯蚓堆制處理木質(zhì)素酶活力的變化48
• 3.5.4 蚯蚓堆制處理纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的變化48-50
• 3.6 討論50-53
• 3.6.1 不同蚯蚓堆制中纖維素酶活性的變化50-51
• 3.6.2 不同蚯蚓堆制中半纖維素酶活性的變化51-52
• 3.6.3 不同蚯蚓堆制中木質(zhì)素酶活性的變化52
• 3.6.4 不同蚯蚓堆制中木質(zhì)纖維素含量的變化52-53
• 3.7 小結(jié)53-55
• 第4章 蚯蚓堆制物料微生物群落結(jié)構(gòu)變化55-73
• 4.1 引言55
• 4.2 試驗材料55-56
• 4.2.1 主要設備55
• 4.2.2 主要試劑55-56
• 4.3 實驗方案56
• 4.4 試驗方法56-59
• 4.4.1 高通量測序流程56
• 4.4.2 堆制物料中基因組 DNA 的提取56-57
• 4.4.3 PCR 擴增57-59
• 4.4.4 熒光定量59
• 4.4.5 Miseq 文庫構(gòu)建59
• 4.4.6 Miseq 測序59
• 4.5 結(jié)果與分析59-69
• 4.5.1 細菌群落結(jié)構(gòu)變化59-64
• 4.5.2 真菌群落結(jié)構(gòu)變化64-69
• 4.6 討論69-71
• 4.7 小結(jié)71-73
• 第5章 結(jié)論與展望73-75
• 5.1 結(jié)論73-74
• 5.2 展望74-75
• 參考文獻75-84
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及取得的科研成果84-85
• 致謝85

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