核桃青皮土壤改良剂的制备与应用

作     者：程燕萍 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱晓丽

授予年度：2022年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 081703[工学-生物化工] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0817[工学-化学工程与技术] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：核桃青皮 木质素 纤维素 降解菌 土壤改良剂 

摘      要：核桃青皮是核桃产业的主要副产物,其资源化利用至关重要。核桃青皮含有大量的纤维素、木质素,难以被分解,且含水率高,活性物质含量丰富,随意在野外堆放,会严重影响周边生态环境。目前核桃青皮提取物主要应用于医药、食品等方面,但提取活性物质只能利用小部分的核桃青皮,而提取完的核桃青皮得不到有效处理。人类活动使土壤重金属污染日益严重,研究具有重金属修复效果的土壤改良剂有重要现实意义。本文采用在核桃青皮发酵过程中添加核桃青皮木质素、纤维素降解菌的方法,利用微生物将木质素和纤维素降解成易被生物利用的低聚体或者单体化合物。为了解决核桃青皮的化感作用,研究胡桃醌、多酚、黄酮的降解方法。将发酵产物配比生物炭制备成有机肥产品,研究其对青菜生长的促进作用,采用有机肥结合解无机磷菌和硫酸盐还原菌制备成土壤改良剂,用于盆栽土壤重金属Pb、Cu、Cd的修复,分析青菜生物量、地上部和地下部的重金属含量以及土壤重金属形态的变化,探讨土壤改良剂的修复效果。研究结果如下:(1)筛选出木质素降解菌2株(M2、M7)和纤维素降解菌2株(X1、X2),M2、M7、X1、X2分别是肠杆菌科细菌、伯克霍尔德氏菌、聚多曲霉、球孢白僵菌。X1用了20d使滤纸条崩解,降解率为15.24%,14d时M7对碱木质素的降解率为6.8%。四种菌株在14d时对核桃青皮木质素的降解率均达到了50%以上,其中M7对核桃青皮木质素的降解率最高为61%,21d时M7对核桃青皮木质素的降解效果最好,降解率为68%。添加菌剂后,纤维素含量有不同程度增加,M7增加最多,为29.3%。(2)采用胡桃醌为单一碳源的培养基未筛选出胡桃醌降解菌。木质素、纤维素降解菌可降解胡桃醌、多酚、类黄酮,M2在21d对核桃青皮胡桃醌、多酚、类黄酮的降解率最高,分别为93.6%、68.9%、81.9%。(3)通过测定菌株木质素、纤维素降解酶的相关酶活,发现M7的木质素酶活略高于M2,X1的纤维素酶活高于X2,后续优化培养条件仅对M7和X1进行。M7的最佳产酶条件为:温度35℃,pH为6,碳源为碱木质素,氮源为蛋白胨。X1的最佳产酶条件为:温度30℃,pH为6,碳源为CMC-Na和葡萄糖1:1,氮源为蛋白胨。(4)发酵过程中含水率和pH相对稳定,pH一直维持在4～5之间,含水率维持在85%以上。发酵产物总钾、总氮和总磷的总含量大于4%,添加4种菌剂的发酵产物养分含量和重金属含量均符合现行(NY 525—2021)《有机肥料》标准。21d时M7的GI值高于75%,满足有机肥标准,X2的GI值相比Z组低10%,在发酵过程无法起到促进作用。为使发酵产物的pH和含水率满足有机肥标准,添加60%生物炭制备成有机肥H。(5)有机肥H相比有机肥CK的青菜鲜重提高了2.75%,干重提高了0.77%,株高提高1.84%,施加有机肥对青菜生长的促进效果不显著。重金属XF组与重金属CK组相比,青菜的生物量均有不同程度的增加,Cu XF组与Cu CK有显著性差异,15-3-2修复土壤Cu污染效果良好。改良剂对重金属的稳定化起到了一定作用,添加改良剂后,青菜根部的重金属Pb、Cu、Cd含量相比CK组降低了82.8%、92.9%、72.8%,青菜叶部的重金属Pb、Cu、Cd含量相比CK组降低了52.2%、34.0%、3.30%。改良剂作用后,盆栽土壤Pb、Cu、Cd的可交换态一定程度下降,而碳酸盐结合态和残渣态有所提升。