阅读说明：本技术 一种秸秆好氧固态发酵高产腐殖酸的工艺 (Process for high yield of humic acid by straw aerobic solid state fermentation ) 是由 王永忠 刘帅 王楠 丁柯 羊羊尤佳 吉婕莉 刘乙 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种秸秆好氧固态发酵高产腐殖酸的工艺,通过单因素实验,研究了基质颗粒大小为0.2-12mm,通风量为0.1-1.2L/min和纤维素酶添加量为5-20FPU/g基质条件下发酵基质温度、pH、TOC、TN、C/N、木质纤维素含量及腐殖酸产量的变化,获得了最优的发酵高产腐殖酸的工艺。在最优发酵条件下,腐殖酸产量为352.5g kg<Sup>-1</Sup>；C/N降至10.53；木质素、纤维素和半纤维素的降解率分别为69.83％、45.58％和78.3％。将发酵所产腐殖酸用于青菜种子发芽率试验,相比对照组不同浓度的腐殖酸溶液(10％、20％、30％和40％)种子发芽率分别提高了6.55％、6.95％、6.95％和12.2％。通过分析不同发酵时间基质细菌群落结构变化,结果表明,Pseudoxanthomonas、Lactobacillus、Phenylobacterium、Pseudomonas、Brevundimonas、Rhizobium和Chryseobacterium为秸秆好氧发酵生物转化腐殖酸过程中的优势菌属。(The invention discloses a process for producing humic acid with high yield by aerobic solid-state fermentation of straws, which researches the changes of the temperature, pH, TOC, TN, C/N, lignocellulose content and humic acid yield of a fermentation substrate under the conditions that the substrate particle size is 0.2-12mm, the ventilation volume is 0.1-1.2L/min and the cellulase addition amount is 5-20FPU/g substrate through a single-factor experiment, and obtains the optimal process for fermenting high-yield humic acid. Under the optimal fermentation condition, the yield of humic acid is 352.5g kg ‑1 (ii) a C/N is reduced to 10.53; the degradation rates of lignin, cellulose and hemicellulose were 69.83%, 45.58% and 78.3%, respectively. Will be provided withWhen the humic acid produced by fermentation is used for the germination rate test of the green vegetable seeds, compared with humic acid solutions (10%, 20%, 30% and 40%) with different concentrations in a control group, the germination rates of the seeds are respectively improved by 6.55%, 6.95% and 12.2%. By analyzing the structural change of the substrate bacterial community at different fermentation times, the result shows that pseudomonad, Lactobacillus, Phenylobacterium, Pseudomonas, Brevundimonas, Rhizobium and Chryseobacterium are the dominant genera in the process of biologically converting humic acid by the aerobic fermentation of straws.)

一种秸秆好氧固态发酵高产腐殖酸的工艺

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种秸秆好氧固态发酵高产腐殖酸的工艺。

背景技术

秸秆的主要成分为木质素、纤维素和半纤维素。其中纤维素为含量最高的成分(约占30％-42％)；其次为半纤维素(约占35％-48％)；木质素(约占15％-25％)。由于木质纤维素特殊的结构，导致其很难被降解。木质素包裹着纤维素以及半纤维素形成了致密的网状结构，以至于纤维素酶无法与纤维素接触。因此，每年有大量的秸秆被焚烧或堆置处理，造成了资源浪费。

我国有着十分丰富的秸秆资源。但由于秸秆处理的技术相对落后、较低的产业化程度以及秸秆有效利用的高成本等问题。绝大多数的秸秆被就地堆置，或直接焚烧，造成了极大的资源浪费。同时，秸秆的焚烧也导致了温室气体的排放，造成了空气污染以及土壤成分结构破坏等问题。因此，合理有效的利用秸秆资源，使用成本低廉高效的工艺，将秸秆进行转化为有应用价值的产物是解决问题的有效方法。

好氧堆肥发酵纤维素基质，操作简单，成本低廉是有效解决秸秆浪费的有效工艺。根据好氧堆肥过程中温度的变化，可以将堆肥过程分为三个阶段，即中温阶段、适温阶段和成熟阶段。好氧堆肥过程受各种微生物作用的调节，发酵基质颗粒大小、通风量以及发酵基质的预处理是微生物转化秸秆形成腐殖酸的主要决定因素。腐殖酸不仅可以促进微生物的生长和代谢，而且在土壤修复中发挥重要作用。因此，优化获得秸秆好氧发酵高产腐殖酸的工艺是解决秸秆浪费的有效手段。

发明内容

针对以上问题，本发明以农作物秸秆为原料，通过好氧发酵，研究了不同基质颗粒大小、通风量和纤维素酶添加量对腐殖酸产量以及秸秆有机质降解的影响，获得秸秆好氧发酵生产腐殖酸的优化工艺条件。

本发明提供了上述工艺所生产的腐殖酸在种子发芽率方面的应用。

本发明还提供了不同发酵时间的微生物高通量测序分析，揭示了腐殖酸发酵过程中的优势菌属。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种秸秆好氧固态发酵高产腐殖酸的工艺，该工艺包括如下步骤：

1)将干燥的稻草秸秆进行粉碎，用不同目数的筛子筛选基质颗粒大小为0.2-12mm的基质，备用；称取200-400g污泥与不同基质颗粒大小物料进行混合后加入反应器；分别设置通风量为0.1-0.9L/min和纤维素酶添加量为5-20FPU/g基质，进行发酵获得最优发酵基质颗粒大小为0.5-1.0mm；

2)在最优发酵基质颗粒大小的条件下，分别设置通风量为0.1-0.9L/min和纤维素酶添加量为5-20FPU/g基质，在该条件下进行发酵获得最优通风量为0.5-0.8L/min；

3)在最优发酵基质颗粒大小和最优通风量的条件下，设置纤维素酶添加量为5-20FPU/g基质，在该条件下进行发酵获得最优纤维素酶添加量为10-15FPU/g基质。

进一步，在上述获得的最优条件下进行发酵，分别取第0、5、10、16、22、29、36天的发酵样品进行温度、pH、TOC、TN和木质素、纤维素、半纤维素、腐殖酸含量的测定。

进一步，通过高通量测序，获得腐殖酸发酵过程中的优势微生物群落，Pseudoxanthomonas、Lactobacillus、Phenylobacterium、Pseudomonas、Brevundimonas、Rhizobium和Chryseobacterium为好氧发酵过程中的优势菌属。

与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：

1、以秸秆为原料进行好氧固态发酵生产腐殖酸，提高了秸秆的利用率。

2、优化发酵工艺参数，提高了秸秆资源转化效率和腐殖酸产量。

3、应用发酵所产腐殖酸进行种子发芽率实验，证明了产物的应用价值。

4、揭示了参与秸秆转化形成腐殖酸的关键微生物。

附图说明

图1为最优发酵条件下温度的变化图；

图2为最优发酵条件下pH的变化图；

图3为最优发酵条件下TOC、TN和C/N的变化图；

图4为最优发酵条件下腐殖酸产量的变化图；

图5为好氧发酵过程中微生物群落变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

实施例1

最优发酵条件下发酵基质温度的变化：

使用数据采集器每天15:00记录发酵环境温度和发酵基质上中下三个不同位置的温度，对三个点的温度取平均值，即为当日的发酵温度。堆肥开始时环境温度为25.9℃，但反应器内温度急剧升高，第一天达到30.0℃以上，并保持中温状态21天。随后，堆肥内部温度在第22天达到34℃以上，并保持高温状态7天。随着反应的进行，温度在第30天下降到26.5℃，并逐渐接近环境温度，如图1所示。

实施例2

最优发酵条件下发酵基质pH的变化：

称取1.0-2.0g发酵样品置于烧杯中，加入去离子水(1:20，w/v)进行充分混合，用pH计测定样品的酸碱度。堆肥第5天pH值由7.1降至5.4，第22天开始上升并稳定在7.66左右，如图2所示。

实施例3

最优发酵条件下发酵基质TOC、TN和C/N的变化：

在0-10天堆肥过程中，TOC的含量略有下降，从335.65g kg^-1降至316.47g kg^-1。随后，TOC含量在10-22天急剧下降，从316.47g kg^-1下降到163.03g kg^-1。发酵结束时TOC含量变化相对稳定(22-36天，从163.03g kg^-1到108.37g kg^-1)。在堆肥过程中，TN含量稳步增加，从4.79g kg^-1增加到10.29g kg^-1。在整个堆肥过程中，C/N从70.07降至10.53。这一现象表明堆肥已经达到成熟，如图3所示。

实施例4

最优发酵条件下发酵基质木质素、纤维素和半纤维素降解率：

木质素、纤维素和半纤维素含量测：木质纤维素测定分别采用中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)技术。堆肥后，纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为45.58％、78.30％和69.83％，如下表1所示。

表1纤维素、半纤维素和木质素含量变化

实施例5

最优发酵条件下发酵基质腐殖酸含量变化：

堆肥0-5d时，腐殖酸含量略有下降，从最初的124.14g kg^-1降至98.28g kg^-1。随后，腐殖酸含量显著增加，在好氧堆肥结束时达到352.5g kg^-1的峰值，如图4所示。

实施例6

种子发芽率：

将发酵所产腐殖酸用于青菜种子发芽率试验，相比对照组不同浓度的腐殖酸溶液(10％、20％、30％和40％)发芽率分别提高了6.55％、6.95％、6.95％和12.2％，如下表2所示。

表2不同浓度的腐殖酸溶液处理组种子发芽个数、根长和发芽率

实施例7

发酵过程中微生物群落变化：

在最优条件下好氧发酵条件下取第0(M01)、10(M02)、22(M03)、36(M04)天的发酵样品进行16S rRNA高通量测序技术，测定秸秆生物转化产腐殖酸过程中的优势菌株，结果表明，Pseudoxanthomonas、Lactobacillus、Phenylobacterium、Pseudomonas、Brevundimonas、Rhizobium和Chryseobacterium为好氧发酵过程中的优势菌属，如图5所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。