农业废物堆肥化中理化参数对GH6家族基因影响研究

发布时间：2020-05-28 07:19

【摘要】：纤维素是自然界中含量最丰富的可再生碳源,年产量超过1500亿t,广泛存在于农林等有机固体废物中,尤其以农业废物为主。仅我国每年农作物秸秆产量就高达7亿t左右,其中稻草秸秆产量最大。堆肥化是一种自然加热、好氧、无二次污染的生物降解技术,适用于将农业废物降解转化成稳定的可用资源。含有GH6家族基因的微生物是堆肥化中参与纤维素前期降解的重要微生物,对堆肥化的顺利实施利用具有重要意义。本实验采用稻草秸秆等农业废物进行好氧堆肥,分析了堆肥化过程中pH、C/N、堆体温度、环境温度、含水率、WSC(Water soluble carbohydrates)、TN(total nitrogen)和 TOM(total organic matters)理化参数的变化情况。采用 PCR-DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis of polymerase chain reaction)技术,研究了农业废物稻草秸秆堆肥化过程中参与纤维素降解的糖苷水解酶GH6家族基因动态变化情况,使用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)、蒙特卡罗置换检验(Monte Carlo permutation test)研究获得的生物信息矩阵与环境因子矩阵间的相关性。堆肥化结果表明,堆体pH在前4天迅速上升,并在第4天达到最大值8.96。C/N由最初的30.19逐渐下降到17.72,满足堆肥达到腐熟的C/N条件。堆体温度在第2天便达到最大值61.4℃,并维持在50℃以上达6天,足以杀死堆体中的动植物病原菌。WSC在最初4天内迅速下降,并在4至8天内上升,然后逐渐下降至1.48 g.kg-1。堆体TOM含量从初始的447.75 g.kg-1逐渐下降到308.6 g.kg-1并趋于稳定。TN含量呈现出相对增加的趋势。GH6家族基因的多样性整体呈现减少趋势、基因丰度呈现出动态变化趋势。堆肥化后期微生物种类数量明显少于堆肥前期。其中编号24、25所代表的纤维素降解优势菌主要集中在堆肥高温期和腐熟期,并且两个时期的优势菌种类不同。冗余分析和蒙特卡罗置换检验结果表明,pH、堆体温度和TN是影响GH6家族基因变化的显著因子(p0.05),三者对GH6家族基因变化的解释率分别是24.92%、15.57%和15.04%。基于冗余分析的t-value分析结果表明,微生物对环境因子具有不同偏好,按微生物与不同环境因子的正负相关性,大体可分为5类,即编号4～10、编号11～14、编号15～19、编号20～23、编号24～27。
【图文】：

堆肥化,堆体,环境温度

图２．１堆肥化过程中ｐＨ和Ｃ／Ｎ变化逡逑２．４．２堆体温度和环境温度逡逑图２．２为堆肥化过程中堆体温度和环境温度变化情况。堆肥化过程中，温度逡逑是影响微生物活性的重要因素之一，同时也是微生物生命活动的反映，适宜的温逡逑度能加快微生物降解物料的速率，，缩短堆腐时间，满足堆肥产品无害化要求逡逑本次实验中堆体温度呈现出明显的４个时期，包括升温期（０？１邋ｄ）、高温期（２？７邋ｄ，逡逑温度高于５０°Ｃ）、降温期（８？３０邋ｄ）和腐熟期（３１？５０邋ｄ）。前７天，由于各种微生物新逡逑陈代谢迅速，堆体中的易降解有机物被快速分解从而释放出大量热量，使得堆体逡逑温度迅速上升，在第２天便达到最大值６１．４°Ｃ，并维持在５０°Ｃ以上达６天，足己逡逑杀死堆体中的动植物病原菌，满足了堆肥的卫生学指标和腐熟条件％。环境温度逡逑由于实验时间为２０１５年１１月左右

堆体,堆肥化,含水率,环境温度变化

图２．２堆肥化过程中堆体温度和环境温度变化逡逑２．４．３含水率和ＷＳＣ逡逑图２．３为堆肥化过程中含水率和ＷＳＣ的变化情况。为了给堆体中的微生物提逡逑供一个良好的生长环境，满足微生物生命活动的需求，每次取样后通过恒重法测逡逑定堆体含水率，通过添加灭菌去离子水使得堆体含水率大约维持在５０％？６０％左右，逡逑在堆肥化过程中，堆体含水率整体呈现出下降趋势，这是由于微生物新陈代谢过逡逑程中产生的部分Ｈ２０以气体形式挥发到环境中，同时高温期的温度也会加剧水分逡逑的蒸发。ＷＳＣ在最初４天内迅速下降，并在４至８天内上升，然后逐渐下降至逡逑１．４８邋ｇ．ｋｇ＇这可能是由于堆肥化初期，微生物大量的生长代谢，导致堆体ＷＳＣ逡逑迅速下降，当易降解有机物被分解利用完后，微生物开始降解利用堆体中的稻草逡逑秸杆
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S141.4;X71

【参考文献】