玉米秸秆降解（精选七篇）
玉米秸秆降解 篇1
1 材料
康氏木霉 (Trichoderma koningii) 和白腐真菌 (white-rot fungi) , 中国科学院微生物研究所菌种保藏中心提供;玉米秸秆, 2009年12月20日采集于青海省乐都县。
斜面PDA (马铃薯葡萄糖琼脂) 培养基:马铃薯200 g, 加水800 mL, 煮沸30 min, 用4层纱布过滤, 补水至1 000 mL, 加入1.8%琼脂, pH值不作调节。装入250 mL三角瓶中, 在0.105 MPa (121 ℃) 灭菌20 min。
菌种活化培养基 (种子培养液) :马铃薯200 g, 加水1 000 mL, 煮沸30 min, 用4层纱布过滤, 补足水至1 000 mL, pH值不作调节。
固体发酵基本培养基:麸皮1 g (氮源) 、Mandels营养液5 mL, Mandels营养液起始pH值为5, 装入250 mL三角瓶中, 0.105 MPa (121 ℃) 灭菌20 min。
Mandels营养液: (NH4) 2SO4 2.5 g、KH2PO4 2.0 g、MgSO4·7H2O 2.0 g、NaNO3 0.2 g、FeCl3 0.02 g、水1 000 mL。
2 方法
2.1 菌种培养
将购买的白腐真菌菌种接种于PDA培养基, 25 ℃斜面活化培养5 d, 再接种于综合PDA琼脂液体培养基上, 25 ℃扩大培养5 d, 备用。
2.2 秸秆处理
将玉米秸秆切短至5 cm左右, 101.33 kPa下高压灭菌15～22 min, 备用。
2.3 发酵
将准备好的液体菌种和秸秆混合, 密封发酵。
2.4 试验设计
试验采用单因素试验设计, 设置6个时间点, 分别为0, 20, 25, 30, 35, 40天。将玉米秸秆装入1 000 mL大烧杯中, 加入固体发酵基本培养基, 一组先接种白腐真菌孢子悬浮液2 mL混匀, 每天翻动1次, 33 ℃培养3 d后再接种康氏木霉2 mL, 在35 ℃恒温下培养40 d, 每天翻动1次;另一组接种白腐真菌孢子悬浮液2 mL混匀, 在35 ℃恒温培养40 d, 每天翻动1次。2组均在第20天第1次取样, 每5 d取样1次, 共取样5次。
2.5 木质素含量测定
采用薛惠琴等[6]的方法测定木质素含量。
2.6 数据分析
试验数据采用Microsoft Excel 2003和DPS V 6.55统计软件进行统计分析。
3 结果
3.1 白腐真菌的处理
白腐真菌发酵后玉米秸秆中的木质素含量变化和降解率见表1、图1。
由表1可知, 白腐真菌能一定程度地降解玉米秸秆中的木质素, 玉米秸秆的木质素含量由接种前的15.38%, 经20, 25, 30, 35, 40 d发酵培养, 分别下降到10.51%、11.14%、10.60%、10.21%、11.88%。
%
注:同行数据肩注大写字母完全不同表示差异极显著 (P<0.01) ;小写字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 相同表示差异不显著 (P>0.05) 。
玉米秸秆经白腐真菌处理后的木质素含量与对照组 (0 d) 的木质素含量间均差异极显著 (P<0.01) 。第20, 30, 35天的木质素含量与第25, 40天的木质素含量间差异显著 (P<0.05) ;而第25, 30, 35天之间木质素含量差异不显著 (P>0.05) 。
发酵培养20, 25, 30, 35, 40 d玉米秸秆木质素的降解率分别为31.68%、27.56%、31.08%、33.62%、22.74%。发酵培养35 d玉米秸秆的木质素降解率达到最高, 与发酵培养25, 40 d间差异极显著 (P<0.01) 。
由图1可以看出, 玉米秸秆木质素降解率曲线随着发酵时间的延长呈下降、上升、再下降的趋势, 35 d后下降速度很快。
3.2 两种真菌混合发酵处理结果
2种混合真菌 (白腐真菌与康氏木霉) 发酵玉米秸秆的试验结果见表2、图2。
%
注:同行数据肩注大写字母不同表示差异极显著 (P<0.01) ;小写字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 相同表示差异不显著 (P>0.05) 。
由表2可知, 2种混合真菌发酵处理玉米秸秆能有效地降解木质素, 经20, 25, 30, 35, 40 d培养, 玉米秸秆的木质素含量由接种前的15.38%分别下降到9.35%、11.58%、13.16%、9.06%、8.04%。玉米秸秆经混合真菌处理后的木质素含量与对照组 (0 d) 差异极显著 (P<0.01) 。处理20, 35, 40 d的木质素含量与处理25, 30 d间差异显著 (P<0.05) ;而处理25, 35, 40 d间的木质素含量差异不显著 (P>0.05) 。
发酵培养20, 25, 30, 35, 40 d玉米秸秆中木质素降解率分别为39.17%、24.68%、14.42%、41.09%、47.72%, 在第40天时达到最高, 同王志等[7]的分析结果基本一致。
由图2可以看出, 玉米秸秆木质素降解率随着发酵时间的延长呈先下降、后上升的趋势, 下降和上升的速度较快, 发酵30天时, 木质素降解率降至最低, 而后又迅速上升。
3.3 木质素降解率的比较
单独使用白腐真菌和2种真菌混合发酵处理玉米秸秆的木质素降解率的对比结果见表3、图3。
%
注:同列数据肩注大写字母不同表示差异极显著 (P<0.01) ;小写字母不同表示差异显著 (P<0.05) , 含相同字母或无肩标表示差异不显著 (P>0.05) 。
由表3和图3可知, 经20, 35, 40 d培养, 2种真菌混合发酵处理玉米秸秆的木质素降解率比单独使用白腐真菌分别提高了23.64%、22.22%、109.85%;但是培养25, 30 d, 2种真菌混合发酵的木质素降解率反而下降了10.45%、53.60%, 2种真菌混合发酵培养30 d玉米秸秆的木质素降解率差异极显著 (P<0.01) 。
4 讨论
4.1 发酵时间对木质素降解率的影响
(1) 图1中白腐真菌对玉米秸秆中木质素降解率曲线随着发酵时间的延长呈下降、上升、再下降的趋势。发酵35天时木质素的降解率最高, 达到33.62%。这可能是因为菌体最初不适应培养条件, 菌体数减少;25 d以后, 白腐真菌适应了培养条件, 不断生长繁殖, 产酶量逐渐升高, 后期随着营养物质的减少和温度、酸碱度的变化, 菌体逐渐老化, 产酶能力逐渐下降, 所产酶部分失活, 从而影响了木质素的降解率[8]。在利用白腐真菌发酵秸秆的过程中, 如果微生物发酵时间过短, 则木质素被白腐真菌降解的比例小, 所处理玉米秸秆的消化率低; 若木质素被降解得过多, 则其他容易消化的碳水化合物一同被降解, 也造成玉米秸秆的消化率降低。因此, 为了确定最佳发酵时间, 今后应进行进一步研究。
(2) 图2中2种真菌混合发酵玉米秸秆木质素降解率曲线随着发酵时间的延长呈先下降、后上升的趋势, 发酵30 d至最低。这可能是由于接种初期白腐真菌与康氏木霉之间激烈竞争, 菌体数减少;随着培养时间的延长, 两者都适应了培养环境, 共存于培养基中, 菌体不断生长繁殖, 产酶量逐渐升高, 提高了木质素的降解率[9];但由于试验未测定40 d以后的数据, 因此需进一步研究混合真菌发酵处理玉米秸秆更详细的降解率变化规律。
(3) 图3中2种真菌混合发酵比白腐真菌的木质素降解率显著提高, 可能是白腐真菌菌种与康氏木霉之间存在协同作用, 并和选择的白腐真菌菌种本身的木质素降解率较低有关。目前, 已知的白腐真菌有20多种, 不同白腐真菌处理秸秆, 对木质素的降解程度有很大不同;白腐真菌与康氏木霉之间可能存在的协同作用能显著提高其对木质素的降解率;但是, 在培养时间为25 d和30 d时, 2种混合真菌混菌发酵比单独使用白腐真菌的木质素降解率反而下降, 这可能与2种菌种接种量最佳体积比、最佳发酵温度、pH值、培养基成分[氮源 (NH4) 2SO4的最优质量分数]等条件控制不严有关。
4.2 培养条件对木质素降解率的影响
温度、酸碱度、培养物的气体交换等试验条件对木质素降解率有很大影响。温度高低影响真菌固体发酵的进度和秸秆木质素的降解率, 温度过高会降低秸秆木质素的降解率和瘤胃干物质消化率, 温度过低会导致固体发酵的进度减缓。大多数真菌生长的最适应温度为20～35 ℃, pH值在4～5之间;而对于耐碱性真菌, 最适pH值为7～9。在固体发酵中, 培养物的气体交换也是影响白腐真菌对秸秆降解作用的重要因素之一。王志等[7]研究表明, 当接入康氏木霉与白腐真菌时间间隔为3 d、接种液体积比为2∶2、氮源为0.3% (质量分数) 的 (NH4) 2SO4 时, 秸秆木质素降解率比单独使用康氏木霉或白腐真菌处理秸秆的效果有显著提高。此外, 接种真菌前应将秸秆剪碎, 改变秸秆的天然结构, 使微生物和酶作用面积和接触面积增大, 更有利于微生物的转化利用。
5 结论
(1) 在合适的条件下, 用康氏木霉和白腐真菌的混合菌处理玉米秸秆, 秸秆木质素的降解率比单独使用白腐真菌处理有明显提高。
(2) 康氏木霉和白腐真菌的混合菌对秸秆木质素的降解呈现先下降、后上升的趋势, 下降和上升的速度较快, 发酵30天时木质素降解率降至最低, 后又迅速上升。
参考文献
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玉米秸秆降解 篇2
关键词：玉米秸秆,生态因子,纤维素降解率,响应曲面法
1 引言
能源日益枯竭是当代人们生存与发展必须面对的重大问题,据资料显示,现已探明的资源,以现在开采速度计算,煤炭、天然气与石油还可以分别开采100年、50~60年与30~40年[2,3]。然而目前秸秆资源的利用不合理,我国是农业大国,据统计我国农作物秸秆可收集资源量约8.20亿t[1]。实际上多数地区采取焚烧方法,不仅会产生大量的化学废气,对大气生态环境造成严重污染[4],同时也造成了生态资源秸秆的浪费。因此政府对农作物秸秆资源的综合利用做出了规划和行动部署[5]。秸秆的综合利用途径可分为物理法、化学法及生物法,被人们公认的最有前途的处理方法是生物法,利用微生物对秸秆进行降解[6]。
现阶段,我国已经对秸秆的综合开发利用进行了大量深入的研究,并取得了一定的进展,但是高效合理的利用秸秆依然存在着一些困难[7]。第一,目前专门针对秸秆资源利用的大中型企业很少,缺乏一些示范企业的宣传展示,将秸秆资源变废为宝的理念没有普及开来,秸秆综合利用推广力度不够,对秸秆综合利用的认识不足[8]。第二,在提高秸秆在厌氧消化中的利用效率,优化秸秆利用方法方面,仍然存在一些技术瓶颈。秸秆资源利用仍以传统技术为主,缺乏新技术的研发与应用,秸秆利用的关键技术难题尚未突破[9]。第三,秸秆资源的分布不均匀,带明显的区域性特点,其资源利用还未形成商业化和规模化[10]。因此开发秸秆类生物质纤维素的高效降解与利用技术对能源利用十分重要。
2 材料与方法
本研究实验于2015年在辽宁工业大学微生物实验中心(锦州)进行。
2.1 实验材料
实验所用的玉米秸秆取自凌海市大有农场,挑选干净的秸秆去根烘干剪成1~2cm粉碎筛分至2mm,经微波处理后备用,经检测玉米秸秆的纤维素、半纤维素和木质素的含量百分比分别为38.3%,26.4%,9.6%,灰分为6.7%,全氮6.64g/kg,全磷2.89g/kg,C/N比为42.37。接种的活性污泥取自锦州北控水务有限公司污水处理二期工艺的好氧池,活性污泥性质参数分别为:MLSS:3770mg/L;SV:34%;SVI:90;MLVSS/MLSS:67.48%。在实验前对秸秆进行预处理,分别用2%的NaOH,H2SO4和污水污泥浸泡秸秆。
2.2 试验设计
试验以玉米秸秆为底物,以纤维素降解率为衡量指标,先用单因素试验对温度、干物质浓度、预处理方式与碳氮比四个因素进行考察,在单因素实验基础上采用Box-Behnken中心组合设计方法设计实验,并利用Design-Expert 8.0.5软件进行优化。
2.3 试验装置
实验采用资质厌氧发酵装置,如图1所示,由玻璃导管串联而成,保证密闭厌氧的环境。
2.4 试验测定方法———纤维素的测定
精确称取1g(准确至0.0001g)样品于洁净千燥的锥形瓶中(D1)加入25mL硝酸乙醇混合液,再放进10颗玻璃球,装上回流冷凝器,至沸水浴热1h,在加热过程中应随时摇荡锥形瓶,以防止残渣蹦跳。采用此方法处理样品三次,使纤维变白。将沉淀全部过滤至已知重量的滤纸(D2)上,用10mL硝酸乙醇混合液洗涤残渣,用热水洗涤至洗液用甲基橙试剂不呈酸性,最后用乙醇洗漆两次。于105℃烘干至恒重(D3),测定其灰分(D4),计算得出维生素(C)的含量:
3 结果与讨论
3.1 单因素试验
在单因素试验的基础上,选择碳氮比在干物质浓度控制为8~15%,温度设置在25~35℃,碳氮比为20∶1~30∶1比较合适。
3.2 响应面法优化玉米秸秆降解的最佳条件
本研究采用响应曲面法(response surface methodology,这种方法利用合理的试验设计并通过试验得到一定数据,采用多元二次方程来拟合因素和响应值之间的函数关系,通过对回归方程的分析来寻求最优工艺,解决多变量问题的一种统计学方法。试验是在单因素试验的基础上,根据Box-Behnken中心组合设计原理,以纤维素降解率为响应值Y,利用Design Expert8.0软件设计了四因素三水平的响应面法试验,试验因素水平见表1。
根据曲面响应法和确定的因素水平表,设计实验设计方案如表2。
3.2.1 方差分析
利用软件对实验结果进行二次多元回归拟合,进行方差分析后后得到该模型的二次多项式方程为:
方差分析的结果见表3。
由表3可知,失拟项不显著(P=0.1106>0.05),而模型的P值<0.0001,表明该模型高度显著,一次项(A、C)、二次项(C2)对结果影响高度显著(P<0.0001),一次项(B)、二次项(A2、B2)与交互项(AB、AD)对结果影响显著(P<0.05),而一次项(D)、二次项(D2)及交互项(AC、BC、BD、CD)对结果影响不显著(P>0.05)。因此采用手动优化的方法对回归模型进行优化,优化的结果见表4。
经手动优化后的回归方程为:
由表4可知,失拟项显著(P=0.0479),模型的P值<0.0001,表明模型高度显著,拟合度R2=99.40%,校正拟合度R=98.81%,这表明回归模型拟合程度良好,能很准确地解释试验数据,试验误差小,该模型是合适的。
注:P≤0.0001,为高度显著,用**表示;P≤0.05,为显著,用*表示;P>0.05,显著性为不显著
方差分析结果表明,X1、X3、X22的县属性均小于0.0001,说明温度、预处理方式与预处理方式的平方对秸秆纤维素的降解极为显著。X2、X1X2、X1X4、X12、X22的显著性水平均小于0.05,说明温度及干物质浓度、温度与碳氮比的交互效应对玉米秸秆降解的影响显著。
温度和处理方式是影响玉米秸秆降解的主要因素,在适当的温度范围和处理方式下加快了玉米秸秆表面木质纤维素的断裂,有利于纤维素和半纤维素的暴露及降解。
3.2.2 响应曲面分析与优化
模型的三维响应曲面见图2。
由图2的(a)与(b)可知,温度与干物质浓度对纤维素降解率的交互作用显著,与模型方差分析结果一致,温度在接近35℃,干物质浓度10~12%时的纤维素降解效果较好。由图2的(c)与(d)可知,温度与碳氮比的交互作用对纤维素降解的影响显著,与模型方差分析结果一致,图2(c)显示,温度与碳氮比交互作用明显,在碳氮比为20~25∶1范围内可以获得60%以上的纤维素降解率。
通过软件对回归方程进行求导,得到最佳玉米秸秆降解的条件如下:温度为35℃、干物质浓度为10.94%、处理方式为碱处理、碳氮比为20∶1,在此条件下纤维素降解率为66.54%。根据实际设计试验各生态因素为温度35℃,干物质浓度11%,处理方式碱处理,碳氮比20∶1,在该优化条件下进行了三组平行试验,纤维素降解率平均值为64.89%,与预测值接近,证明响应曲面分析法得到的降解条件可靠,可以很好地预测响应值。
4 结论
本试验考察了4个生态因子(温度、干物质浓度、处理方式、碳氮比)对玉米秸秆纤维素降解率的影响,建立了响应值的数学模型,对影响秸秆降解效率的各生态因子间的交互作用进行了分析和讨论。通过以上实验结果的分析讨论,得出以下结论。
(1)采用响应曲面法对降解条件进行优化,得到了纤维素降解率与温度、干物质浓度、处理方式和碳氮比关系的回归模型,其显著性高,拟合程度好。根据试验数据可以看出四个生态因子对纤维素降解的影响依次为温度、预处理方式、干物质浓度、碳氮比,而各因素中温度与干物质浓度、温度与碳氮比交互作用明显,而温度与预处理方式的交互作用不明显。
(2)由该模型得到玉米秸秆降解最优条件为:温度35℃、干物质浓度10.94%、碱处理、碳氮比20:1,在此条件下纤维素降解率可达66.54%。
(3)实验验证最佳实验玉米秸秆降解条件,分析结果得出纤维素降解的试验值与模型预测值之间的相对误差小于5%,这表明纤维素降解二次回归模型的可靠性较高。
参考文献
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玉米秸秆降解 篇3
1 材料与方法
1.1 试验材料
青贮饲料原料为蜡熟期去穗玉米秸秆和白酒生产的副产品酒糟, 原料均来自于大庆近郊农区。接种剂为黑龙江八一农垦大学动物科技学院实验室利用乳酸菌培养基从乳熟期玉米青贮中分离得到的微生物制剂。酶制剂 (纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶) 购自肇东日成酶制剂有限公司。
将玉米秸秆用机械揉碎至2～3 cm, 与酒糟按4∶1的比例混合后再与添加剂均匀混合, 进行塑料袋密封青贮。
1.2 试验设计
试验采用二因素析因试验设计, 设6个处理组, 每个处理3个重复, 接种剂I的添加剂量分别为0, 1×105, 1×106 CFU/g, 复合酶制剂E分别为0, n (纤维素酶1 000 IU/g+果胶酶1 000 IU/g+木聚糖酶200 IU/g) , 接种量详见表1。
1.3 试验动物及日粮
选择6只体重25 kg左右、安装永久性瘤胃瘘管的绵羊作为试验动物。试验羊单笼饲养, 每日8:00和18:00分2次饲喂, 自由饮水。试验羊每天饲喂精料240 g (玉米62.5%, 豆粕34.2%, 微量元素0.1%, 食盐3.2%) ;以羊草和玉米青贮为粗饲料, 每天饲喂羊草400 g、玉米青贮1 200 g。
1.4 试验方法
将饲料通过2.5 mm筛孔的粉碎机粉碎, 装袋 (400目尼龙袋) , 自来水浸泡冲洗, 烘干恒重, 编号, 备用。称取3 g饲料放入一个尼龙袋内, 每两个袋夹在一根长约12 cm的半软性塑料管上, 用橡皮筋紧紧缠住, 于早饲前将袋放入瘤胃腹囊处, 管的另一端用尼龙绳挂在瘘管塞上。每只羊瘤胃内放数根管, 分别在投放6, 12, 24, 48, 72 h后取出, 将取出的尼龙袋连塑料管立即在自来水下冲洗, 然后放入水中浸泡55 min, 再在中等流速的自来水下漂洗1 min, 水洗后的尼龙袋置于65 ℃烘箱中烘干, 备用。
1.5 尼龙袋的投放
试验共6个处理组, 每个处理3个重复, 每个重复2个平行, 即2个尼龙袋, 每个处理每个时间点投放6个尼龙袋, 分别投放到6只供试羊瘤胃中。
1.6 分析项目及计算方法
测定原样和水洗样中的干物质、中性洗涤纤维及酸性洗涤纤维含量, 并计算相应的消失率、降解率、有效降解率等。
1.7 统计分析
利用SAS软件包中的ANOVA程序进行方差分析, 均值的多重比较采用邓肯氏法。降解率的统计应用SAS软件包中的NLIN来确定, 并采用Φrskov和McDonald提出的数学指数模型y=a+b× (1-c) 中的降解常数a、b和c。
2 结果
2.1 接种剂与酶制剂对玉米秸秆-酒糟青贮干物质消失率的影响 (见表2)
2.2 接种剂与酶制剂对玉米秸秆-酒糟青贮中性洗涤纤维消失率的影响 (见表3)
2.3 接种剂与酶制剂对玉米秸秆-酒糟青贮酸性洗涤纤维消失率的影响 (见表4)
3 讨论
注:同行数据肩注小写字母完全不同表示差异显著 (P<0.05) 。
注:同行数据肩注小写字母完全不同表示差异显著 (P<0.05) 。
注:数据肩注小写字母完全不同表示差异显著 (P<0.05) 。
收获后的玉米秸秆含水量少, 附着的微生物数量也很少, 供微生物发酵的可溶性糖含量就更低了。如果将其直接青贮很难达到理想的效果, 利用一定的添加剂则可以弥补其不足。试验选用蜡熟期玉米秸秆和酒糟等农副产品为原料, 添加接种剂和酶制剂, 这样既增加了发酵微生物的数量, 也可以为微生物发酵提供可溶性糖。
由试验结果可见, 与对照组相比, 接种剂和酶制剂混合使用和酶制剂单独使用的效果要优于接种剂单独使用, 表明酶制剂对青贮瘤胃降解动力学的影响要大于接种剂。纤维素酶和乳酸菌的共同作用能够提高青贮饲料在瘤胃中的消失率。这是由于纤维素酶和乳酸菌的共同作用改变了秸秆的结构, 降低了秸秆中纤维素、细胞壁物质成分的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量。可见, 消失率的提高确实与细胞壁物质含量的降低相关联, 当细胞壁物质含量下降时消失率会上升。能够降解细胞壁的酶制剂一般的最适pH值为3.5～4.5, 而添加接种剂能够快速降低青贮pH值, 因此混合使用酶制剂和接种剂能够有更好的效果。
4 结论
秸秆生物降解技术的效应 篇4
秸秆的高效利用一直是需要研究的大课题, 从2006年开始, 辽宁宏阳生物有限公司与辽宁省微生物研究院共同合作, 对我国北方发展越来越多的设施农业, 从秸秆转化角度, 进行了多年探索试验, 成功研究出秸秆生物降解菌种和使用技术。使用秸秆生物降解技术, 从根本上解决了土壤生态环境恶化、农产品污染、土壤病害严重及温室内冬季地温低、二氧化碳供给不足等问题。通过试验、示范证明, 应用秸秆生物降解技术有以下5个方面的明显效应。
1 提高地温
在冬季温室里, 白天气温升高很快, 地温却由于土壤的导热差, 造成地温和气温不能同步。而地温低是影响作物生长发育和产量的关键因素, 尤其是数九寒天, 要提高地温是非常困难的。在北方, 三九天20 cm地温很少达到12℃, 一般在8~10℃, 甚至更低, 造成大棚蔬菜不能正常结果, 叶片变得越来越小, 特别是黄瓜容易出现瓜打顶和花打顶, 一旦出现瓜打顶, 1个月内很难正常长出黄瓜, 影响生长。土壤中放入秸秆, 分解后是一种放热反应, 产生热量, 成为有机质后为暗色物质, 一般是棕色到黑褐色, 吸热能力强, 可改善土壤热状况, 提高有效地温2~3℃、气温1~2℃, 促进作物的根系生长, 从而实现根、茎、叶、果协同生长[3]。
2 提高二氧化碳浓度
植物的生长、发育、开花、结果需要2个重要因素, 一是光照, 二是空气中的二氧化碳。植物叶绿素利用太阳能, 将二氧化碳和水合成根、茎、叶、果实等植物本身的有机物。空气中的二氧化碳浓度是影响植物生长速度的重要因素, 通常情况下温室中的二氧化碳浓度为500 mg/L左右, 远远不能满足作物生长的需要, 特别是温室内密闭时间长, 空气不能有效流通, 在作物生长的中、后期, 随着作物的生长, 光合作用增加, 更容易造成二氧化碳缺乏, 使作物光合效率低, 抑制作物生长, 应用秸秆生物降解可有效提高二氧化碳浓度3~6倍, 达1 500~3 000 mg/L, 可使光合效率提高50%以上, 水分利用率提高130%以上, 肥料利用率提高60%以上。
3 提高作物抗病性
秸秆生物降解使用的专用菌种中有8种有益生物, 它们在分解秸秆的同时, 能繁殖产生大量抗病微生物及孢子, 这些微生物及其孢子分布在土壤中、叶片上, 有的抑制病菌生长, 有的能杀灭病菌, 对蔬菜的各种病害, 特别是土传病害、生理病害都有很好的抑制作用, 防治效果在60%左右, 使大棚瓜、果、蔬菜的病虫害发生减轻, 真正减少了打药次数, 降低化学农药的使用量, 确实保证了农产品的安全, 生产出合格的绿色食品和有机食品[4]。
玉米秸秆经过降解、腐熟, 可将秸秆内钻蛀的玉米螟全部清除, 从而减少了虫源基数, 大大减轻大田玉米螟的发生。
4 改良土壤
大棚使用秸秆, 经过生物降解, 充分改善了土壤环境, 使土壤盐渍化、透气性、有机质含量、微量元素等均得到了很好的改善, 主要是秸秆分解剩余一些残渣, 约是秸秆的13%。这些残渣里面含有大量有机质, 这些有机质滞留在大棚的土壤中, 会使土壤变得肥沃而松软, 为根系生长创造了良好的环境, 很好地改善了土壤的营养状况[5]。
5 节本增效
应用秸秆生物降解技术能做到三节约:一是节水。秸秆吸水能力强, 渗水量少, 能保水。节水能量达30%左右, 减少浇水次数, 一般常规栽培浇2~3次水, 用该技术浇1次水即可。二是节肥。秸秆生物降解肥的流失量少, 秸秆与土壤缓释、腐熟成为有机肥, 基本能满足作物生长的需要。应用证明, 第1年减少化肥施用量的30%, 第2年减少50%, 第3年减少80%。三是节药。秸秆生物降解后, 温度、湿度条件好, 植株生长健壮, 抗病能力强, 病害发生就比较轻, 特别是土传病害、生理病害和低温冷害等, 节约用药达30%以上。
大棚使用秸秆降解技术作物产品可提前10~15 d上市, 收获期延长30~45 d, 平均产量增加30%以上, 大棚种植0.13~0.20 hm2, 应用秸秆生物降解技术产生的效益, 相当于多建0.07 hm2大棚产生的效益。
摘要：从提高地温、CO2浓度、作物抗病性及改良土壤和节本增效5个方面介绍了秸秆生物降解技术的效应, 以为该技术的推广应用提供参考。
关键词：秸秆,生物降解技术,效应
参考文献
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玉米秸秆降解 篇5
关键词：秸秆生物降解专用菌,茄子,还原糖,VC,亚硝酸盐,粗蛋白
随着社会发展和人们生活水平的提高,人们对蔬菜品质的要求出现了多元化的倾向,人们要求一年四季供应花样品种多、营养丰富、新鲜美味、无污染的绿色蔬菜以及保健蔬菜、美容蔬菜、方便蔬菜和加工蔬菜等。同时,人们对蔬菜品质的理解也发生了很大变化,品质是一个内涵复杂而外延广阔的清晰概念[1,2,3]。影响蔬菜营养价值的因素很多,使用秸秆生物降解专用菌不仅能提高产量,还能不同程度地提高作物品质。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试材料包括茄子、秸秆生物降解专用菌、秸秆。
1.2 试验设计
进行田间试验,设3个处理,即处理1:用秸秆生物降解专用菌处理后的秸秆作基质[1,2,3];处理2:只加秸秆(基质);对照组(CK):空白处理,既不加秸秆生物降解专用菌,又不用秸秆作基质。3次重复。茄子成熟后每隔15 d取样1次,共取样5次。
1.3 测定指标及方法
以粗蛋白、亚硝酸盐、可溶性还原糖、VC的含量作为测定指标,对茄子进行品质评定。其中粗蛋白的测定参照GB5009.5—1985,亚硝酸盐与硝酸盐的测定参照盐酸苯乙二胺法—亚硝酸盐测定法,可溶性还原糖的测定参照GB/T6194-86,VC测定参照GB12392-90[4,5]。
2 结果与分析
2.1 不同处理对茄子粗蛋白含量的影响
由表1、图1可以看出,处理1对茄子中粗蛋白含量的影响与处理2大致接近,处理1的粗蛋白含量比处理2高1.83%,比CK高5.03%。
2.2 不同处理对茄子亚硝酸盐含量的影响
由表2、图2可以看出,利用秸秆生物降解菌对亚硝酸盐有比较大的降低作用,处理1比处理2降低11.36%,比CK降低15.12%,这说明秸秆生物降解菌可分解某种物质,降解亚硝酸盐,提高茄子的品质。
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2.3 不同处理对茄子可溶性还原糖含量的影响
由表3、图3可以看出,利用秸秆生物降解菌对可溶性还原糖含量几乎没有明显的提高作用,处理1的可溶性还原糖含量比处理2高0.22%,比CK高1.35%,变幅微弱。
2.4 各处理对茄子中VC含量的影响
由表4、图4可以看出,利用秸秆生物降解菌对抗坏血酸含量有比较大的提高作用,处理1的VC含量比处理2高8.62%,比CK高11.50%。说明秸秆生物降解菌能有效地促进抗坏血酸的合成。
3 结论与讨论
综合试验结果,比较各处理粗蛋白、可溶性还原糖、抗坏血酸含量可以看出,秸秆生物降解专用菌处理的茄子中各组分比只加秸秆处理的茄子分别增加1.83%、0.22%、8.62%,比空白处理分别增加5.03%、1.35%、11.50%。比较各处理亚硝酸盐含量可以看出,秸秆生物降解专用菌处理的茄子比只加秸秆处理的茄子减少11.36%,比空白处理减少15.12%。
总之,秸秆生物降解菌对茄子所检测的营养品质不一定都有影响,但有些品质因素提高的幅度还很大,特别是抗坏血酸的大幅提高和亚硝酸盐的大幅下降。可以看出,秸秆生物降解菌对提高蔬菜的品质具有良好的应用前景[6]。
参考文献
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玉米秸秆降解 篇6
关键词：聚乳酸,小麦秸秆纤维,复合材料,降解,拉伸性能
聚乳酸是一类重要的绿色可降解材料,具有优良的生物相容性,较好的力学强度、弹性模量和热成型性,可用于药物缓释载体、骨折内固定材料、神经套管、手术缝合线,也可用于服装纤维、食品包装材料、快餐器具等[1,2,3]。
我国小麦秸秆资源丰富,年产量高达1.1亿吨。小麦秸秆中含有纤维素35%~40%,半纤维素20%~30%,木质素8%~15%[4]。目前,这些富含纤维素的小麦秸秆主要是焚烧处理,不仅造成资源浪费,而且严重污染环境。小麦秸秆是一种清洁的可再生资源,近年来其开发利用越来越受到人们的关注。
本研究选用聚乳酸为基体,小麦秸秆纤维为增强体制备生态复合材料,通过测试复合材料在PBS缓冲液中的吸水率、质量损失率和拉伸性能,以及对表面形貌的扫描电镜观察,分析复合材料在不同pH值条件下的降解性能,为进一步研究聚乳酸/小麦秸秆纤维复合材料的应用性能提供参考。
1 试验部分
1.1 原料及试剂
小麦秸秆,收集于江苏无锡;聚乳酸纤维(1.3D×38mm),海宁新能纺织有限公司;氢氧化钠(NaOH),国药集团化学试剂有限公司;冰乙酸(CH3COOH),国药集团化学试剂有限公司;磷酸氢二钠(Na2HPO4),国药集团化学试剂有限公司;磷酸二氢钠(NaH2PO4),国药集团化学试剂有限公司;洗洁精,上海和黄白猫有限公司。
1.2 仪器
HH-4数显恒温水浴锅,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;101A-1B电热鼓风干燥箱,上海安亭科学仪器有限公司;EL204型电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;Carver热压机,美国CARVER公司;HITACHI SU1510型扫描电子显微镜,日本日立株式会社;3385H型电子万能材料试验机,美国Instron公司。
1.3 试样制备
小麦秸秆纤维的制备:将小麦秸秆纵向分离后洗涤烘干,置于4%质量分数的NaOH溶液中,100℃处理lh。处理完毕后用乙酸溶液中和、清水洗涤呈中性,于烘箱中80℃烘至恒重。
PLA/小麦秸秆纤维复合材料的制备:PLA/小麦秸秆纤维复合材料采用热压成型的制备方法,实验设备为Carver热压机。PLA纤维与小麦秸秆纤维的质量比为40∶60,采用一层PLA纤维一层小麦秸秆纤维的铺层方法,并且使材料的上下表面层均为PLA纤维层,以便于小麦秸秆纤维与PLA基体之间的粘合。先将铺层混合的PLA/小麦秸秆纤维材料在热压机上进行预压,预压温度为50℃,压力为5MPa,预压时间为3min,再进行热压,热压温度为175℃,压力为10MPa,热压时间为5min,最后冷却得到复合材料。
1.4 降解试验
先将试样在80℃干燥5h,再将干燥后的试样称量并记录试样的初始质量(M0),然后将试样分别浸入不同pH值的恒温(温度25℃)磷酸盐PBS缓冲液中。该缓冲液由0.2mol/L Na2HPO4和0.3mol/L NaH2PO4按表1所示的比例配制,模拟复合材料在自然环境中的降解条件,并可部分抵抗PLA在降解过程中出现的pH值变化,维持正常pH值。各组试样分别经5、10、20、30和50 d降解后取出,更换上述溶液,取出的试样用去离子水淋洗,除去表面水分称取各组试样湿重(M),待完全干燥后再称取各组试样干重(M1)[5,6,7,8]。主要研究复合材料的吸水率(MA)、质量损失率(ML)和拉伸性能随降解时间的变化。吸水率、质量损失率分别按公式(1)、公式(2)计算:
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式中:MA—吸水率;ML—质量损失率;M0—初始质量;M—试样湿重;M1—试样干重。
1.5 拉伸性能测试
试样在温度(20±3)℃、相对湿度(65±5)%的环境下放置24 h,进行拉伸强度测试,测试仪器为Instron 3385H型电子万能材料试验机。拉伸试验使用ASTM D638标准的试样,拉伸速度5mm/min,标距65mm。
1.6 降解前后复合材料的表面形貌
在温度20℃、相对湿度65%条件下,采用日本HITACHI 公司的SU1510型扫描电子显微镜观察PBS缓冲液pH=8.0时不同降解时间的复合材料的表面形貌。
2 结果与讨论
2.1 降解过程中吸水率的变化
降解过程中复合材料吸水率与降解时间、PBS缓冲液pH值的关系如图1所示。
由图1可以看出,在不同pH值的PBS缓冲液中,复合材料吸水率随降解时间的变化规律非常相似。在0~5天内,复合材料吸水率随时间的增加而快速增加;5~20天内,复合材料吸水率继续增加,但增加速度下降;20~50天内,复合材料吸水率变化比较平缓。聚乳酸是一种疏水性聚合物[9],根据相关文献[8]纯聚乳酸50天时的吸水率还不到1%,正是由于小麦秸秆纤维的存在,使复合材料具有很好的亲水性能。从图1中还可以看出,PBS缓冲液的酸碱性对复合材料吸水率也有影响。降解时间相同时,弱碱性环境中的复合材料吸水率最大,弱酸性环境次之,中性环境最小。
2.2 降解过程中质量损失率的变化
降解过程中复合材料质量损失率与降解时间、PBS缓冲液pH值的关系如图2所示。
由图2可以看出,在不同pH值PBS缓冲液中,复合材料的降解规律相同,都是随着降解时间的延长,复合材料的质量不断降低。在0~5天内,复合材料的质量损失率随时间的增加而逐渐增大;在10~30天内,复合材料的质量损失率快速增加;在30~50天内,复合材料的质量损失率增加趋于平缓,呈慢速增加。例如复合材料在pH=8.0的PBS缓冲液中经过5天降解后的质量损失率是0.9%;30天降解后的质量损失率是5.4%;50天降解后的质量损失率是5.6%。这是因为聚乳酸/小麦秸秆纤维复合材料的降解主要是聚乳酸的水解,随着降解时间的增加,复合材料的吸水率增加,有利于聚乳酸的水解[10,11]。此外,在水解初期,聚乳酸酯键水解断裂是随意的,链的分子水解的位点多[12],故质量损失率增加快。
PBS缓冲液的pH值对复合材料的降解也有影响。从图2可知,复合材料在弱碱性环境中质量损失率最大,弱酸性环境中居中,中性环境中最小。这是因为聚乳酸中的酯基对碱敏感[13],易于水解,且弱碱性环境可以中和聚乳酸降解产生的酸性,加快水解速度;弱酸性环境对聚乳酸水解有“自催化效应”,也可增加水解速度[5]。
2.3 降解过程中拉伸性能的变化
降解过程中复合材料拉伸性能与降解时间、PBS缓冲液pH值的关系如图3所示。复合材料的降解会导致其拉伸性能的下降。在降解过程中,随着聚乳酸的水解,聚乳酸与小麦秸秆纤维之间的界面遭到破坏,复合材料的界面结合强度降低,导致复合材料的整体结构破坏,拉伸性能下降。
由图3可以看出,复合材料的拉伸强度和杨氏模量均随着降解时间的延长而减小。在0~5天内,拉伸强度和杨氏模量快速下降,原因是此时复合材料含水量迅速增加,大量的水使复合材料的界面结合强度下降,拉伸强度和杨氏模量损失大;在5~30天内,拉伸强度和杨氏模量下降得比较快,主要是因为聚乳酸的降解,造成复合材料整体结构的破坏;在30~50天内,拉伸强度和杨氏模量下降趋于平缓。例如复合材料在pH=8.0的PBS缓冲液中经过5天降解后的拉伸强度下降57.2%,杨氏模量下降50.7%;30天降解后的拉伸强度下降78.4%,杨氏模量下降62.9%;50天降解后的拉伸强度下降79.4%,杨氏模量下降64.7%。
图3也反映了不同pH值的PBS缓冲液对复合材料拉伸强度和杨氏模量的影响。在弱碱性环境中复合材料的拉伸强度和杨氏模量要比弱酸性、中性环境中下降得快。这是因为在弱碱性环境中复合材料的降解程度要大于在弱酸性、中性环境中,拉伸性能损失也较大。经过50天的降解后,无论在何种pH值的PBS缓冲液中,复合材料的拉伸强度和杨氏模量下降非常明显。
2.4 降解过程中表面形貌的变化
PBS缓冲液pH=8.0时,复合材料降解过程中表面形貌的变化如图4所示,其中(a)是降解前复合材料的表面形貌,(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别是经过5天、10天、20天、30天、50天降解后复合材料的表面形貌。
由图4可以看出,复合材料降解前表面光滑。经过0~10天的降解后,复合材料表面出现了裂纹,并且裂纹逐渐变多;10~30天的降解后复合材料表面变得凹凸不平,由于聚乳酸的降解,小麦秸秆纤维开始裸露在表面;30~50天的降解后,表面的凹凸不平进一步加剧,有大面积的小麦秸秆纤维裸露在表面。
3 结论
(1)在不同pH值的PBS缓冲液中,聚乳酸/小麦秸秆纤维复合材料的吸水率、质量损失率都随着降解时间的延长而增大,但后期增加得比较缓慢;复合材料在弱碱性环境中降解最快,弱酸性环境次之,中性环境最慢。
(2)随着降解时间的增加,聚乳酸/小麦秸秆纤维复合材料的拉伸强度和杨氏模量明显降低,PBS缓冲液的pH值也影响拉伸性能的变化。
(3)聚乳酸/小麦秸秆纤维复合材料降解过程中表面形貌发生很大变化,表面由光滑变成凹凸不平,小麦秸秆纤维裸露在表面。
参考文献
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玉米秸秆降解 篇7
1 材料与方法
1.1 试验材料
将风干稻草切为2~3 cm, 用0.3%的秸秆发酵微生物菌剂 (黔科合NY字[2009]3058项目产品) 与含水量40%、50%、60%、70%的稻草基料配方 (稻草300 kg, 食盐2.55 kg, 尿素6 kg, 红糖1.5 kg, 复合微量元素0.6 kg, 复合维生素0.18 kg) 混合后, 分装入双层塑料袋压实发酵。按照发酵时间第0 d、第10 d、第20 d、第30 d取样保存, 每次取料后必须立即将口封严, 避免引起饲料变质。将发酵草样置于65℃的恒温干燥箱中烘48 h至恒重, 回潮24 h, 测定初水含量, 全部样本粉碎, 过Φ2 mm筛, 放入样本瓶中备用。
1.2 试验动物及日粮
试验动物为3只体重为40±2.8 kg, 安装有永久性瘤胃瘘管的波杂羊。试验日粮由精料补充料和青草组成, 精料补充料日喂量300 g/ (只·天) ;青草自由采食, 计量不限。试验用精料配方及其营养成分含量见表1。试验山羊单笼饲养, 日喂料2次 (07:30和16:00) , 自由饮水。
1.3 尼龙袋规格
尼龙布的孔径为46μm, 裁成6.0 cm×10.5 cm长方形, 用尼龙线双线缝合成尼龙袋和活动尼龙袋。用防水胶密封针孔和袋边孔隙, 蜡烛火将袋边烤焦以免脱丝。
1.4 测定步骤
采用万分之一的分析天平, 准确称取样本3 g, 小心装入尼龙袋中, 每个样本63个尼龙袋。将63个样本袋分为3组, 每组21个样本袋, 用橡皮筋分别系在50 cm长的3根尼龙线上, 其中2根线上均为9个袋, 1根线上为3个袋。于上午10:00分别将准备好的样本袋按照18个/只羊, 放入3只试验羊瘤胃内, 下午18:00分别将准备好的样本袋按照3个/只羊, 放入3只试验羊瘤胃内。每只羊放入21个样本袋, 将尼龙绳上端系在瘘管塞上, 样本放入瘤胃后按照4、8、16、24、48、72、96 h从每只羊的瘤胃中各取出3个尼龙袋。用水冲洗, 至水清为止, 然后放入65℃烘箱中烘至恒重。取0 h的样本, 按照上述方法进行清洗、烘干、称重, 计算出每个尼龙袋的干物质的消失率。
1.5 计算方法
根据φrskov等[3]提出的公式:p=a+b (1-e-ct) , 饲料干物质在瘤胃内某一时间点的尼龙袋消失率与方程适合。用作图法估算出快速降解部分 (a) 、慢速降解部分 (b) 、降解速度 (c) 。即先将实测的6个时间点降解率绘制成曲线, 第1个时间点外推到的截距便是a, 最后的平稳降解率为a+b, b= (a+b) -a, 选择曲线拐点处实测的降解率p, 则可求出c:e-ct=[ (a+b) -p]/b, 计算干物质在瘤胃的动态降解率值;饲料的瘤胃外流速度为k=0.023 5%/h[4], 当时间趋于无穷大时, 得到1个动态降解率公式:有效降解率 (ED) =a+b[c/ (c+k) ], 计算ED值。
1.6 数据分析处理
用Fitcurve6软件计算样本在瘤胃内各个培养时间点的DM降解率。利用SAS for Windows 9.1软件进行数据的差异显著性检验, 各指标以平均数±标准差表示。各组间差异显著性用Duncan’s方法进行比较。指标差异显著判断标准为P<0.05。
2 结果
2.1 发酵饲料在羊瘤胃内的DM动态降解率
尼龙袋测定饲料养分的降解部分一般被认为是被微生物或酶降解的部分。表2列出不同含水量的饲料发酵0、10、20、30 d在不同时间点干物质动态降解率因含水量不同、发酵时间不同而表现出显著差异性, 发酵30 d在瘤胃内培养96 h的降解率最高。
2.2 发酵饲料在羊瘤胃内的DM动态降解参数
由表3可以看出, 发酵饲料的降解参数a、b、c、ED值在不同含水量、不同发酵时间下有显著差异, a、b值变化趋势一致, c、ED值的变化趋势一致。其中以60%组发酵30 d饲料的a、b、ED值最高, 分别为7.60%、39.37%、38.75%, 高于0 d (P<0.01) 、10 d (P<0.01) 、20 d (P<0.05) 的发酵饲料;c值为0.075 8/h, 显著高于0 d (P<0.01) 。
注:表中数据为平均值±标准差;同列数据中肩标相同字母 (含两个字母肩标有一个相同字母) 者表示差异不显著 (P>0.05) , 肩标不同字母 (相邻) 表示差异显著 (P<0.05) , 肩标不同字母 (相间) 表示差异极显著 (P<0.01) 。
3 讨论
3.1 不同水分含量和不同发酵时间对饲料DM动态降解参数的影响
研究结果表明, 各组饲料的动态降解参数a、b值变化趋势一致, c、ED值的变化趋势一致。c值越高, ED值越高, 说明c值可以显著地影响有效降解率, 这与王吉峰等[5]的报道一致。本次测得含水分60%组发酵30 d饲料的a、b、ED值最高, 分别为7.60%、39.37%、38.75%, 显著高于未发酵、发酵10 d和20 d的饲料组;c值为0.075 8/h, 显著高于未发酵组。其中ED值与前人的报道具有一定差异, 王雅晶等[6]用FP4稻草秸秆剂处理粉碎稻草3 d后, 结合尼龙袋法测定其在黄牛瘤胃内DM的ED值为27.14%。这可能与测定的试验动物有关, 一般奶牛DM降解率要高于黄牛, 黄牛又高于山羊[7]。本试验是山羊DM降解率高于黄牛, 可能与发酵天数和稻草处理方法有关。本次试验各饲料DM的c值在0.042 2~0.081 1/h之间, 与王云[8]报道的DM的c值在0.006~9.19/h基本相符合。
3.2 稻草纤维含量对饲料DM有效降解率的影响
稻草的粗纤维含量高, 未发酵稻草的中性洗涤纤维高达74.48%, 而经过30 d发酵后的稻草中性洗涤纤维下降到57.14%[9], 说明未发酵的稻草细胞壁成分不易被瘤胃微生物降解, 影响其在消化道的吸收利用, 故表现出较低的有效降解率。本试验证明了含水分60%组发酵30 d的稻草秸秆微生物饲料作为山羊饲料的适宜性, 与其他组相比, 具有较高的a、b、c值, 是1种降解率较高的微生物饲料, 具体对山羊生产性能的影响需要进一步研究。
4 小结
不同的饲料水分含量和发酵天数决定了其在瘤胃内有效降解率的差异性, 本试验以水分含量为60%的饲料发酵30 d的DM降解参数和有效降解率最高, 适宜作为山羊饲料。
参考文献
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