腐植酸最高产量近357mg/g，重庆大学团队确定最佳发酵参数

作者：生辉 2024/1/31 14:23:11

化肥被视为粮食的“粮食”，其在增加土壤肥力、提高农作物产量等方面发挥着重要作用。然而，不当或者过度使用化肥会造成严重的环境污染，害虫抗药性增强以及食品安全性下降。因此，开发绿色、可持续的生物肥料受到重视和关注。堆肥是一种生产有机肥的过程，可以将秸秆等农业废弃物更环保和更可靠地循环利用起来，其生产的有机肥料具有较高的腐植酸（HA）含量和丰富的微生物。腐植酸是一种天然有机高分子化合物，也是腐殖质的主要

化肥被視為糧食的“糧食”，其在增加土壤肥力、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要作用。然而，不當(dāng)或者過度使用化肥會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，害蟲抗藥性增強(qiáng)以及食品安全性下降。

因此，開發(fā)綠色、可持續(xù)的生物肥料受到重視和關(guān)注。堆肥是一種生產(chǎn)有機(jī)肥的過程，可以將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物更環(huán)保和更可靠地循環(huán)利用起來，其生產(chǎn)的有機(jī)肥料具有較高的腐植酸（HA）含量和豐富的微生物。腐植酸是一種天然有機(jī)高分子化合物，也是腐殖質(zhì)的主要組成部分。

雖然，領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)對(duì)堆肥過程中微生物如何將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物肥料進(jìn)行了一定的研究，但是對(duì)微生物群落與腐植酸生物合成之間關(guān)系的研究還缺乏詳細(xì)的探討。

為了深入回答這一問題，來自重慶大學(xué)的研究人員分別研究了堆肥過程中接種量、底物粒徑和通風(fēng)量（aeration rate）等條件對(duì)腐植酸生物合成的影響，并通過高通量測(cè)序分析了堆肥不同階段腐植酸生物合成與微生物群落和代謝功能之間的關(guān)系。相關(guān)研究已發(fā)表在Applied Microbiology and Biotechnology上。

在研究中，科研團(tuán)隊(duì)確定了生物合成腐植酸的最佳反應(yīng)條件，并在此條件下獲得了腐植酸的最高產(chǎn)量，約為 356.9 g/kg（356.9 mg/g）。研究團(tuán)隊(duì)指出，這項(xiàng)工作可能有助于探索新的調(diào)控策略，從而提高農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物肥料的效率。

（來源：Applied Microbiology and Biotechnology）

本文的通訊作者是重慶大學(xué)生物工程學(xué)院教授王永忠，他長(zhǎng)期開展細(xì)胞工廠構(gòu)建、微生物代謝與調(diào)控以及生物傳感與檢測(cè)等研究。

在本試驗(yàn)中，研究人員以稻草為堆肥底物，分別研究了接種量、底物粒徑和通風(fēng)量對(duì)生物合成腐植酸的影響，并通過試驗(yàn)確定最佳反應(yīng)條件。

該團(tuán)隊(duì)首先測(cè)試了接種量的比例，接種比例設(shè)置為 5%、10%、15%、20% 和 25%（v/v），初始底物粒徑為 0.38 mm，通風(fēng)量為 0.5 L/kg DM/m，分別繪制了不同接種量下的總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、腐植酸產(chǎn)量和木質(zhì)纖維素降解率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，總有機(jī)碳在堆肥初期 0-16 天略有下降，在第 16 天-22 天急劇下降。這說明嗜熱微生物在堆肥初期代謝活性較弱，適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境后代謝活性顯著增強(qiáng)。

在堆肥過程中，總氮含量穩(wěn)定增加，這表明堆肥可以有效促進(jìn)稻草等含氮有機(jī)基質(zhì)的降解；堆肥結(jié)束時(shí)，接種量為 20% 時(shí)總氮含量最高，達(dá)到了 1.50%。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)接種量為 20% 時(shí)堆肥的成熟度最高，且腐植酸產(chǎn)量在接種量為 20% 時(shí)達(dá)到峰值，產(chǎn)量為 351.72 mg/g ，這表明接種量為 20% 可以達(dá)到較高的腐殖化水平；此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，接種量為 15% 和 20% 的試驗(yàn)組中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解率均顯著高于其他組。這表明，適當(dāng)?shù)慕臃N量會(huì)促進(jìn)有機(jī)化合物快速分解合成腐植酸。

▲圖 | 接種量對(duì)堆肥過程中總有機(jī)碳、總氮、腐植酸產(chǎn)量和木質(zhì)纖維素降解率的影響（來源：上述論文）

然后，該團(tuán)隊(duì)在通風(fēng)量為 0.5L/kg DM/m、接種量為 20% 以及室溫條件下研究了不同底物粒徑 4.75 mm、2.36 mm、0.83 mm、0.38 mm 和 0.25 mm 對(duì)腐植酸發(fā)酵的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，基質(zhì)粒徑為 0.83 mm 的稻草堆肥中微生物分解了更多的有機(jī)物。這表明，底物粒徑為0.83 mm時(shí)，秸稈的比表面積有利于堆肥中 O? 的質(zhì)量傳遞和微生物細(xì)胞在基質(zhì)表面的吸附；當(dāng)?shù)孜锪綖?0.83 mm 時(shí)，總氮含量達(dá)到最大即 1.51%，這表明適當(dāng)?shù)牡孜锪皆诙逊蔬^程中促進(jìn)含氮化合物的穩(wěn)定降解且使用粒徑 0.83 mm 的底物可以達(dá)到最高成熟度。

試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步顯示，當(dāng)?shù)孜锪綖?0.83 mm時(shí)，腐植酸產(chǎn)量最高，為 302.59 mg/g；發(fā)酵結(jié)束時(shí)，研究人員還觀察到底物粒徑為 0.83 mm時(shí)，纖維素降解率達(dá)到了最高值 54.43%，表明大部分纖維素可以被微生物水解?！吧鲜鼋Y(jié)果表明，合適的底物粒徑有利于 O? 的質(zhì)量傳遞、細(xì)胞吸附和底物的降解，從而使得堆肥過程中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化?！?/span>

接下來，該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了通風(fēng)量對(duì)生物合成腐植酸的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通風(fēng)量為 0.3 L/kg DM/m 時(shí)在總有機(jī)碳、總氮、腐植酸產(chǎn)量和木質(zhì)纖維素降解率方面的表現(xiàn)最佳，且纖維素達(dá)到了最大降解率 61.38％。

因此，研究人員確定了生物合成腐植酸的最佳發(fā)酵參數(shù)：接種量=20%，基質(zhì)粒徑=0.83 mm 以及通風(fēng)量=0.3 L/kg DM/m。在此條件下，腐植酸的產(chǎn)量達(dá)到了峰值 356.9 mg/g。

完成上述試驗(yàn)后，該團(tuán)隊(duì)嘗試系統(tǒng)闡明堆肥過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)第 0 天（M01）、第 10 天（M02）、第 22 天（M03）和第 36 天（M04）樣品以及生物合成腐植酸的最佳操作參數(shù)進(jìn)行了高通量測(cè)序。樣品中，M04 的微生物豐度最高，而 M01 的微生物多樣性最低；然后分析參與腐植酸生物合成的功能微生物，確定了變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門是影響堆肥腐殖化過程的優(yōu)勢(shì)門等以及堆肥過程中的優(yōu)勢(shì)屬。這些工作表明了優(yōu)勢(shì)菌屬能夠?qū)Χ逊蔬^程中的腐殖化作用產(chǎn)生有效影響。