秸稈降解菌篩選及其應用研究進展

　　摘 要 秸稈降解菌是促進秸稈降解的關鍵因素，研制出高效快速降解秸稈的菌劑可較大程度上提高我國秸稈肥料化應用的比重，促進我國農業可持續化發展。國內外關于產纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶等產酶微生物的研究較多，但關于秸稈降解的應用研究較少，市場上也未有應用效果較好的產品，應該加大秸稈降解菌在堆肥實驗、還田應用、環境馴化等方面的研究及加快秸稈降解菌的產品化和標準化進程。本研究從高溫、常溫、低溫降解菌 3 方面綜述了水稻、小麥、玉米 3 大作物秸稈降解菌的篩選及應用研究進展，并總結出秸稈降解菌進一步研究的有利措施，以期能夠為我國秸稈肥料化應用研究提供有利依據。

　　關鍵詞 秸稈; 降解菌; 篩選; 應用

　　王炳坤; 郭立煒; 王剛; 張斯童; 張宏澤; 陳歡; 陳光， 分子植物育種 發表時間：2021-11-09

　　隨著國家持續加大農作物秸稈綜合利用支持力度，我國秸稈綜合利用率已高達 90%，其中肥料化利用率占 51.2%，秸稈還田是肥料化利用的主要形式，如何高效快速降解秸稈，已成為我國農業可持續發展研究的重點問題。據《第二次全國污染源普查公報》數據顯示，2017 年全國秸稈產生量為 8.05 億噸，玉米、水稻、小麥 3 種作物秸稈年產量占比達 82.42%。在這 3 種作物秸稈中，碳、氧、氮元素及固定碳含量分別均為 41.29%、36.36%、0.66%、16.47% (Han et al., 2020)，其可作為生物炭基肥料的主要原料。

　　現在農業生產中，秸稈還田主要有堆漚、過腹、留高茬、旋耕、翻壓、覆蓋、條帶等還田模式(劉芳等, 2012)，無論哪種處理方式，均依賴微生物的降解，利用微生物降解秸稈是最綠色、高效、經濟的措施。自然界中，可降解秸稈的微生物多達 200 多種(Tsapekos et al., 2017)，按分解底物的不同可分為纖維素、半纖維素、木質素、木聚糖等降解菌，按種類可分為真菌、細菌、放線菌，其主要是通過產生纖維素酶、葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶等活性酶協同作用降解秸稈(Bhat and Bhat, 1997)。因此，產酶能力成為衡量秸稈降解菌優劣的重要依據。

　　關于秸稈降解菌的研究已經取得了一定的進展，篩選出了適用特定作物(班允赫等, 2019)、特定降解模式(王旭輝等, 2017)、特定溫度(劉建斌等, 2017)等的降解菌，但我國土地遼闊，地貌氣候復雜多樣，不同的降解菌在各地的適用情況不一樣，針對特殊地貌、氣候等秸稈降解菌還需進一步研究。本文綜合了不同適宜溫度秸稈降解菌及復合菌系篩選應用情況，以期能夠為我國東北、西北、青藏高原等特殊低溫地區秸稈降解菌的篩選應用研究提供有力的依據。

　　1 秸稈降解菌篩選研究進展

　　1.1 高溫降解菌

　　秸稈高溫降解菌主要以細菌為主，包括短小芽孢桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿、熱纖梭菌等，大多是從秸稈堆肥的肥堆中分離篩選得到的，作物種類以水稻秸稈為主，最適產酶溫度最高達 75℃。其中，熱纖梭菌 M3 僅液態發酵 3 天，水稻秸稈纖維素降解率高達 34.44%。小麥秸稈降解菌僅有從土壤中分離的白耙齒菌的報道，其主要特性是降解木質素;玉米秸稈高溫降解菌堅強芽孢桿菌應用效果最好，液態發酵 7 天，秸稈降解率達 62.9%。高溫放線菌降解菌僅發現了鏈霉菌 F1、F2，其固體發酵 10 天，水稻秸稈降解率達 20%。

　　1.2 常溫(中溫)降解菌

　　秸稈常溫降解菌的報道較多，真菌、細菌、放線菌均有較多發現。真菌秸稈降解菌以青霉、曲霉、枝孢菌等為主，固態發酵和液態發酵均有應用。其中，曲霉 M-17 固態發酵 10 天，水稻秸稈降解率達 34.64%;赭綠青霉菌液態發酵 10 天，小麥秸稈纖維素、半纖維素、木質素降解率依次可達 43.5%、 49.7%、9.3%;尖孢鐮刀菌液態發酵 15 天，秸稈降解率高達 59.43%。細菌降解菌以桿菌、泛生菌等為主，其來源多樣，包括從土壤中分離、瘤胃液分離、內生菌、發酵的秸稈分離等。其中，從瘤胃液分離出的金黃桿菌液態發酵 10 天，水稻秸稈降解率可達 34.4%，發酵 90 天，秸稈降解率高達 62.5%。放線菌秸稈降解菌以鏈霉菌為主，主要有土壤分離和內生菌 2 種來源。其中，OsiRt-1 液態發酵 6 d，水稻秸稈降解率可達 35.2%;灰略紅鏈霉菌 C-5 固態發酵 15 天，水稻秸稈降解率可達 25.09%;鏈霉菌 GS-4-21 液態發酵 5d，秸稈降解率、纖維素、半纖維素、木質素降解率分別為 23.54%、30.33%、31.95%、18.91%。

　　1.3 低溫降解菌

　　秸稈低溫降解菌的報道較少，玉米秸稈低溫降解菌的報道較多，沒有發現水稻秸稈低溫降解菌的報道。玉米秸稈降解菌來源主要有土壤分離、腐解物分離 2 種，草酸青霉應用效果較好，液態發酵 6 天，玉米秸稈降解率高達 58%。小麥秸稈降解菌僅有從原始森林土壤種分離的蠟狀芽孢桿菌 LYZ22，盆缽實驗 60 天，秸稈降解率為 30%，加入鈣鎂元素后秸稈降解率提高至 48.48%。

　　2 秸稈降解菌復合菌系篩選研究進展

　　2.1 高溫降解菌

　　秸稈高溫降解菌復合菌系的報道較少，沒有發現小麥秸稈降解菌復合菌系的報道，以努比鹵地無氧芽孢桿菌和熱斑土芽孢桿菌組成的玉米秸稈細菌降解復合菌液態發酵 20 天，秸稈木質素、纖維素降解率分別達 24.51%、20.47%;以黃麻鏈霉菌、芽孢桿菌等組成的玉米秸稈放線菌和細菌復合菌固態堆肥 12 天，秸稈纖維素、半纖維素降解率分別為 21.1%、7.2%。以淀粉芽孢桿菌等細菌組成的水稻秸稈降解菌液態發酵 5 天，秸稈降解率高達 80.9%;以鏈霉菌組成的水稻秸稈放線菌復合菌固態發酵 10 天，水稻秸稈降解率為 31.27%。

　　2.2 常溫(中溫)降解菌

　　秸稈常溫降解菌復合菌的報道相對較多，水稻、小麥、玉米秸稈降解菌均有報道，細菌組成的復合降解菌較多。以弓形桿菌屬、擬桿菌屬等組成的水稻細菌降解復合菌采用尼龍網袋法秸稈還田 5 個月，降解率高達 72.7%;以康寧木霉、黃孢原毛平革菌組成的水稻秸稈真菌降解復合菌固態發酵 70 天，水稻秸稈降解率達 54.74%。小麥秸稈降解復合菌的報道較水稻更多一些，主要是以真菌組成的復合降解菌，從土壤分離出的 Clostridium sp. BNL1100 等復合降解菌液態發酵 16 天，秸稈降解率高達 76.92%; Uncultured Bacillus sp.等復合降解菌液態發酵 10 天，秸稈纖維素、半纖維素、木質素降解率分別達 40.2%、 45.9%、23.6%。玉米秸稈降解復合菌細菌、真菌組成的均有，整體上比較，由細菌組成的復合降解菌應用效果較好，蠟樣芽孢桿菌等組成的復合降解菌液態發酵 7 天，秸稈降解率高達 60.9%。

　　2.3 低溫降解菌

　　秸稈低溫降解菌僅有玉米秸稈降解菌的報道，從土壤分離出的混合纖維弧菌、酵母菌等細菌和真菌組成的復合降解菌固態發酵 30 天，秸稈降解率達 37.58%，秸稈還田 50 天，秸稈降解率為 32.12%，其應用溫度僅有 10℃。從腐解物中分離的木霉、青霉、芽孢桿菌、草螺菌等真菌和細菌組成的降解復合菌應用溫度為 15℃，液態發酵 15 天，秸稈降解率為 32.21%。

　　3 秸稈降解菌應用研究進展

　　產酶微生物的研究較多，在秸稈降解方面的研究較少。產酶能力是評價秸稈降解菌強弱的重要指標，國內外對于產纖維素酶、半纖維素酶、木質素酶等產酶微生物的研究較多，例如：根霉、土曲霉、嗜熱子囊菌、嗜熱毛殼菌等真菌產酶菌，纖維弧菌、枯草芽孢桿菌、嗜熱裂孢菌等細菌產酶菌，鏈霉菌、擬諾卡氏菌等放線菌產酶菌。然而，這些優良產酶微生物在水稻、小麥、玉米等秸稈降解的應用中研究較少，研究深度也較淺，尚未研制出生產應用效果較好的產品。

　　秸稈降解菌在菌株篩選方面的研究較多，在生產實踐中的應用研究較少。秸稈降解菌的篩選研究較為簡單，從土壤、腐解物、發酵堆富集分離菌株后，通過剛果紅實驗和濾紙條崩解試驗就能初步篩選出具有纖維素分解能力的菌株，進一步通過產酶測定、液態發酵、固態發酵實驗就能篩選出具有潛在應用價值的秸稈降解菌。然而，這些降解菌在自然狀態下的應用效果往往不穩定，距離推廣應用還有較大距離，建議加大秸稈降解菌在堆肥實驗、還田應用、環境馴化方面的研究。

　　通過對水稻、小麥、玉米秸稈降解菌篩選及應用方面的分析，總結出秸稈降解菌進一步研究應注意以下幾點：(1)秸稈表面有蠟質層，自然狀態下，降解菌短時間內很難直接對秸稈纖維素、木質素等進行作用，在使用秸稈降解菌時，可伴施無機鹽，能顯著增加秸稈降解率。(2)高溫、常溫降解菌不僅在其適宜溫度下產酶能力高，在低溫環境中，對秸稈也有較好的降解效果，在針對我國高海拔、高緯度、低溫等特定環境篩選降解菌時，可以擴大菌株的篩選范圍。(3)秸稈富含纖維素、半纖維素、木質素等大分子物質，單一功能的降解菌作用效果往往應用不理想，篩選出同時作用于纖維素、木質素等物質的復合菌劑，應用效果更好、范圍更廣。(4)秸稈降解復合菌中加入固氮菌、解磷菌、解鉀菌等功能菌可促進秸稈降解復合菌的應用效果和土壤肥力。

　　4 展望

　　我國是傳統的農業大國，每年秸稈產生量大，秸稈還田問題已成為我國農業可持續發展的瓶頸問題。秸稈還田不僅能夠解決農作物殘留物污染的問題，還能解決土壤板結、肥力下降、化肥使用過量等問題。本文從秸稈降解菌來源、最適溫度、應用效果等方面綜述了水稻、小麥、玉米 3 大作物秸稈降解菌篩選及應用研究進展，以期能夠為我國秸稈還田應用的進一步研究提供有利依據。