酸解羽毛粉研制生物有机肥及其促生效果研究

('酸解羽毛粉研制生物有机肥及其促生效果研究刁春武;曹亮亮;黄忠阳;王东升;周晓平;王蓓;李荣;沈其荣【摘要】Inordertoimprovethequalityofbio-organicfertilizer(BIO),additionofaminoacidstoassistwiththereproductionofthefunctionalmicrobeinoculatedintomaturedcompoststhoughsolid-statefermentationisdemonstratedtobeanefficientway.AnadditionofsignificantquantityofoilrapeseedcakescouldleadtoamuchbettergrowthofmicrobialspeciesaddedduringtheBIOpreparation,however,thehigherproductioncostshinderedseverelythelarge-scaleextensionofBIOs.Thisstudyinvestigatedthepossibilitytoproducebio-organicfertilizer(BIO)byusinghydrolyzedfeatherpowdersasasolid-statefermentation(SSF)medium.Theresultsshowedthatthebiomassoffunctionalstrainincreasedwiththeincreasingamountofhydrolyzedfeatherpowdersaddedinthematuredcompostwithbestadditiveamountof50g/kg.PotexperimentsshowedthattheproducedBIOefficientlypromotedthegrowthsofeggplantandtomato;comparedwiththecontrol,thenewproducedBIOincreasedplantheight,stemdiameterandSPADvaluesby19.02%,29.02%and4.80%,respectively,aftertransplantingfor20daysforeggplant;andby14.74%,18.70%and4.74%,respectively,aftertransplantingfor50daysfortomato.Inconclusion,supplementedwithhydrolyzedfeatherpowdershascertainadvantagesinsolid-statefermentationofthePGPRstrainandcanproducehighqualitybio-organicfertilizerforpromotingplantgrowth.TheaboveresultsprovidethetheoreticalandtechnicalsupportsforthedevelopmentofBIOs.%为提升生物有机肥料中功能微生物的数量，腐熟堆肥中添加外源氨基酸固态发酵功能菌是研制生物有机肥的主要手段。目前主要外源添加氨基酸菜粕的高成本严重阻碍了生物有机肥产业的发展。本试验通过研究酸解羽毛粉作为外源添加蛋白对固态发酵功能菌的影响及其所研制生物有机肥的促生效果，以开发生物有机肥新的原料配方。研究结果表明，腐熟堆肥中，随着酸解羽毛粉添加量的增加，所研制生物有机肥中功能菌的数量呈现先增加后下降趋势，为促进功能菌的增殖，酸解羽毛粉最优添加量为50g/kg；盆栽试验结果表明，酸解羽毛粉作为外源蛋白添加制成的生物有机肥能够显著增加茄子和番茄株高、茎粗和SPAD值，移栽20天时，相比于对照，茄子分别增加19.02%、29.02%和4.80%；移栽50天时，番茄分别增加14.74%、18.70%和4.74%。研究结果表明，酸解羽毛粉作为外源蛋白添加剂能够有效增殖固体发酵过程中的功能菌，研制的低成本生物有机肥具有优异的促生效果，研究结果能够为生物有机肥产业的发展提供理论依据。【期刊名称】《土壤》【年(卷),期】2016(048)004【总页数】7页(P661-667)【关键词】酸解羽毛粉;生物有机肥;促生【作者】刁春武;曹亮亮;黄忠阳;王东升;周晓平;王蓓;李荣;沈其荣【作者单位】国家有机类肥料工程技术研究中心，农业部长江中下游植物营养与肥料重点实验室，江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095;南京市蔬菜科学研究所，南京210042;国家有机类肥料工程技术研究中心，农业部长江中下游植物营养与肥料重点实验室，江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095;南京市蔬菜科学研究所，南京210042;国家有机类肥料工程技术研究中心，农业部长江中下游植物营养与肥料重点实验室，江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095;南京市蔬菜科学研究所，南京210042;南京市蔬菜科学研究所，南京210042;国家有机类肥料工程技术研究中心，农业部长江中下游植物营养与肥料重点实验室，江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095;南京秦邦吉品农业开发有限公司，南京211516;国家有机类肥料工程技术研究中心，农业部长江中下游植物营养与肥料重点实验室，江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095;国家有机类肥料工程技术研究中心，农业部长江中下游植物营养与肥料重点实验室，江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095【正文语种】中文【中图分类】S144.9现代农业中，随着家禽养殖的大规模扩张，家禽羽毛废弃物产量越来越多，我国2008年年产量已超过70万t［1］。一方面，羽毛作为废弃物不能得到合理处理将造成大范围的环境污染，制约经济发展；另一方面，由于羽毛中角蛋白资源丰富，若能将角蛋白合理利用，将是不错的可循环利用资源［2-3］。化学处理法为常用羽毛资源化方法，包括酸解法和碱解法，主要用于饲料工业和氨基酸工业，其能得到较高的氨基酸转化率，并且大量研究表明硫酸水解工艺是最佳生产工艺［4-5］。以羽毛角蛋白为原料酸解提取特定氨基酸后，剩余母液仍含有丰富的营养，若将其丢弃将造成资源浪费，同时对环境产生污染，急需开发出高附加值利用技术［6］。生物有机肥是指特定功能微生物与主要以动植物残体（如畜禽粪便、农作物秸秆等）为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料［7-9］。生物有机肥产品质量的关键指标是产品的有效活菌数，添加外源氨基酸固态发酵工艺促进功能微生物的繁殖，是目前生产高效生物有机肥的重要手段［10-12］。菜粕为目前主要的外源添加原料，大量的研究中菜粕的添加量已经达到50%，虽肥料效果很好，但由于菜粕成本较高，导致该类生物有机肥虽具优异的效果，但大面积推广受到限制［13］。因此，考虑开发更多的廉价蛋白源固体废弃物作为生物有机肥生产中的外源添加氨基酸来代替部分菜饼，在确保生物有机肥品质的前提下大幅度降低肥料成本，将为生物有机肥产业快速发展提供保障。本试验从资源化利用和节约成本角度出发，通过研究酸解羽毛粉作为外源氨基酸添加剂对固态发酵中功能菌数量的影响及所研制肥料对植株的促生效果，以期开发出酸解羽毛粉新的资源化利用工艺，同时研制出低成本高效生物有机肥。1.1材料固态发酵原料：普通腐熟鸡粪堆肥含全氮（N）6.1g/kg，全磷（P2O5）10.8g/kg和全钾（K2O）16.9g/kg；酸水解羽毛粉由新沂市汉菱生物工程有限公司提供，是羽毛经酸水解后提取有用氨基酸后干燥制成的粉末物。酸解羽毛粉含水量为6.67%，pH3.64，总氮179.1g/kg，碳氮比为1.2。菌种：BacillusamyloliquefaciensSQR9（SQR9）由本实验室保存［7］。1.2酸解羽毛粉不同添加量对固态发酵过程中功能菌数量的影响LB液体培养基配方［8］：蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，氯化钠10g/L，pH7.0～7.2，121℃下灭菌20min。菌液制备：接种SQR9菌种至LB液体培养基中制成种子液，种子液按照1%的比例转接至LB液体培养基中，30℃、170r/min培养36h左右即可，下同。为比较酸解羽毛粉对固态发酵过程中功能菌数量的影响，共设置5个处理：BOF，腐熟鸡粪堆肥中不添加酸解羽毛粉；BIO-1，腐熟鸡粪堆肥中添加10g/kg酸解羽毛粉；BIO-2，腐熟鸡粪堆肥中添加30g/kg酸解羽毛粉；BIO-3，腐熟鸡粪堆肥中添加50g/kg酸解羽毛粉；BIO-4，腐熟鸡粪堆肥中添加100g/kg酸解羽毛粉。每个堆体2kg干重，菌液加入量为100ml/kg，调节含水量一致，室温下发酵一周取样计功能菌数量。1.3盆栽试验盆栽试验供试作物为茄子和番茄。试验共设6个处理（表1），每个处理10个重复。每个盆钵装3kg土，施肥量为10g/kg干土，将土与肥料混合均匀后备用。待育苗钵中幼苗两片真叶完全打开后，移至盆钵中。常规水肥管理。1.4测定方法1）肥料中功能菌SQR9数量测定。称取肥料鲜样5g于45ml无菌水中，振荡20min混匀后梯度稀释，选择合适梯度的稀释液涂布于选择性培养基平板上，30℃培养36h左右计数。选择性培养基配方如下［14］：蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，氯化钠10g/L，pH7.0～7.2，琼脂20g/L，121℃下灭菌20min。冷却后加入20mg/L多粘菌素和40mg/L放线菌酮。2）植株生物量测定。在茄子移栽后20、30天，番茄移栽后20、30、50天分别测株高、茎粗和SPAD值；最后一次测量时取植株地上部测其干、鲜重。3）土壤中可培养微生物的统计［15］。50天时，采集番茄地下部用于可培养微生物的统计，抖落所有附着在番茄植株根系上的土壤后，每10g根加90ml无菌水放入事先装有玻璃珠的三角瓶中，再将三角瓶在170r/min下震荡20min，然后超声波15min，此时洗脱在无菌水中的土壤即为根际土壤。土体土为番茄根部抖落下的土。细菌计数采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌计数采用高氏1号培养基，真菌计数采用马丁氏培养基。1.5数据分析采用Excel2010进行数据分析，用SPSS16.0软件进行统计分析。2.1酸解羽毛粉不同添加量对固态发酵过程中功能菌数量的影响不同含量酸解羽毛粉与腐熟鸡粪固态发酵功能菌结果如图1所示。结果表明，随着酸解羽毛粉添加量的增加，生物有机肥中功能菌的数量呈现先增加后下降趋势，10g/kg添加量对增殖效果不显著；当添加量增至50g/kg时，肥料中功能菌的数量达到最高，为2.86×108CFU/g，并且显著高于其他处理。表明酸解羽毛粉丰富的营养给微生物的生长创造了良好的环境，能促进微生物的增殖，酸解羽毛粉的添加量高于10g/kg较适宜。2.2酸解羽毛粉不同添加量所研制生物有机肥的理化性质添加不同量酸解羽毛粉所研制生物有机肥基本性质见表2。随着酸解羽毛粉添加量的增加，生物有机肥的全氮含量和电导率不断增加，pH逐渐下降。但是羽毛粉含量的增加对有机质、全钾、全磷含量影响不显著。比较OF（普通腐熟鸡粪堆肥）与BOF处理，添加功能菌固态发酵后，肥料的全氮含量有所降低，但差异不显著，pH上升，电导率也有小幅度上升，说明微生物的作用降解了有机肥中部分物质，提高肥料中离子浓度。综上，在肥料中添加酸解羽毛粉可以提高肥料的品质。2.3酸解羽毛粉不同添加量生物有机肥对茄子生长的影响2.3.1对株高、茎粗和SPAD值的影响在茄子移栽20天和30天时，分别对株高、茎粗和SPAD值三个指标进行统计，结果见表3。20天时，BIO-3处理的株高和茎粗显著高于OF和BOF处理，其他3个处理BIO-1、BIO-2和BIO-4处理的株高和茎粗显著高于OF处理，但与BOF处理差异不显著。比较各处理茄子叶片的SPAD值，除施用100g/kg添加量酸解羽毛粉所研制生物有机肥的处理BIO-4显著高于OF处理外，其他各处理间差异不显著。30天时，施用50g/kg添加量酸解羽毛粉所研制生物有机肥的BIO-3处理在株高、茎粗、SPAD值上均显著高于OF和BOF处理；比较4个施用添加酸解羽毛粉生物有机肥处理，随着酸解羽毛粉添加量的增加，肥料对植株的促进作用越明显，施用50g/kg添加量酸解羽毛粉生物有机肥的处理BIO-3株高最高，施用100g/kg添加量酸解羽毛粉生物有机肥的BIO-4处理茎粗和SPAD值最高。OF与BOF处理相比，BOF处理茄子的株高显著高于OF处理，但在茎粗和SPAD值上差异不显著。说明在有机肥中添加功能菌可以增加茄子的株高，同时在有机肥中添加酸解羽毛粉能够进一步增加株高、茎粗和SPAD值。2.3.2对茄子地上部干、鲜重的影响移栽30天后采集茄子植株，测定地上部干、鲜重，结果如图2所示，与有机肥对照（OF）相比，所有生物有机肥处理的地上部鲜重和干重均显著高于OF处理；与BOF处理相比，除BIO-1处理外，其他施用含酸解羽毛粉生物有机肥处理的地上部干、鲜重差异显著，且施用50g/kg添加量酸解羽毛粉生物有机肥BIO-3处理的地上部鲜重和干重最高，显著高于其他处理。2.4不同酸解羽毛粉添加量生物有机肥对番茄生长的影响2.4.1对番茄株高、茎粗、SPAD的影响番茄移栽20天、30天和50天时，分别对株高、茎粗、SPAD三个指标进行统计，如表4所示，随着时间的推移，番茄各处理在株高和茎粗上表现的差异前后基本一致。30天时，株高和茎粗值最高的处理是施用50g/kg添加量酸解羽毛粉生物有机肥的BIO-3处理，其株高和茎粗分别是有机肥对照OF处理的1.16倍和1.16倍；50天时，BIO-3处理的株高和茎粗同样最高，分别是OF处理的1.15倍和1.19倍，是生物有机肥对照BOF处理的1.11倍和1.10倍，而施用100g/kg添加量酸解羽毛粉生物有机肥的BIO-4处理，其株高和茎粗是OF处理的1.10倍和1.12倍，是BOF处理的1.06倍和1.05倍。当添加量达到50g/kg时，继续添加酸解羽毛粉，株高和茎粗与添加量不呈正相关，可能与酸解羽毛粉pH值较低有关，过多添加酸解羽毛粉会降低肥料pH，施入土壤后影响根际土壤pH，从而影响根际微生物群落，不利于植株生长。在20天和30天时，番茄叶片各处理间SPAD值差异不明显，而50天时，当酸解羽毛粉添加量达到30g/kg时，番茄叶片的SPAD值高于BOF处理，其中施用100g/kg添加量酸解羽毛粉生物有机肥BIO-4处理的SPAD值显著高于OF和BOF处理，分别是OF和BOF处理的1.19倍和1.17倍。酸解羽毛粉能增加番茄生长后期叶片中的叶绿素含量，与酸解羽毛粉游离氨基酸含量高有关，游离氨基酸能螯合多种微量元素，促进植株生长。2.4.2对番茄地上部干、鲜重的影响番茄种植50天后其地上部干、鲜重如图3所示，结果表明：与有机肥对照OF相比，所有施用生物有机肥处理的地上部干、鲜重显著高于OF处理；与施用生物有机肥对照BOF处理相比，除BIO-1处理干重差异不显著外，其他施用添加酸解羽毛粉生物有机肥的处理的地上部干、鲜重都高于BOF，且差异显著。当生物有机肥中酸解羽毛添加量为50g/kg和100g/kg，施用这两种肥料的BIO-3和BIO-4处理地上部鲜重和干重最高，分别是BOF处理的1.99倍、1.36倍和1.88倍、1.40倍。不同酸水解羽毛粉添加量生物有机肥对番茄植株地上部干、鲜重的影响与对茄子地上部干、鲜重的影响基本一致。由此推测，将酸解羽毛加入畜禽粪便中发酵制成的生物有机肥对植株生长具有普遍促进作用，可以显著增加植株的地上部干、鲜重，酸解羽毛粉的添加量选择50g/kg即可。2.4.3对番茄土壤中可培养微生物的影响施肥50天后，对番茄根际土壤中可培养微生物的影响如表5所示，与施用有机肥对照OF处理相比，施用生物有机肥可以显著增加根际土壤中放线菌数量，减少真菌数量；与施用生物有机肥对照BOF处理相比，施用10g/kg、30g/kg添加量酸解羽毛粉的生物有机肥BIO-1和BIO-2处理根际土壤中细菌、放线菌和真菌数量差异不显著；但当添加量达到50g/kg时，施用该生物有机肥BIO-3处理能显著增加根际土壤中细菌和放线菌数量，显著减少真菌数量。BIO-3处理根际土中细菌数量是OF和BOF处理的1.37倍和1.33倍，放线菌是OF、BOF处理的2.36倍和1.35倍，真菌数量较少为OF处理的36.57%、BOF处理的76.95%。所以在有机肥中添加酸解羽毛粉能够很好地改善根际土壤中微生物的群落结构，酸解羽毛粉的添加量达到50g/kg时对可培养微生物的影响已经很显著。施肥50天后，对番茄土体土中可培养微生物的影响如表6所示，与施用有机肥对照OF处理相比，施用生物有机肥可以增加根际土壤中细菌和放线菌数量，减少真菌数量，其中对真菌的影响最显著；随着生物有机肥中酸解羽毛粉添加量的增加，土壤中细菌和放线菌的数量上升，真菌数量下降。表明酸解羽毛粉能影响土壤中微生物群落结构。当生物有机肥中酸解羽毛粉的添加量达到50g/kg时，施用此肥料的BIO-3处理中可培养微生物的数量与OF和BOF处理差异极显著，BIO-3处理中细菌数量是OF、BOF处理的1.84倍和1.36倍，放线菌是OF、BOF处理的3.56倍和2.14倍，真菌数量减少至OF处理的45.37%、BOF处理的69.49%。以上结果表明在有机肥中添加酸解羽毛粉能够改善土体土中微生物的群落结构，酸解羽毛粉的添加量达到50g/kg时对可培养微生物的影响已经很显著。本研究以腐熟鸡粪为主要材料，酸解羽毛粉为外源固态发酵氨基酸添加剂，研究了其添加对根际促生细菌（PGPR）的固态发酵效果。随着酸解羽毛粉的增加，生物有机肥中功能菌的数量先上升后下降，当酸解羽毛粉的添加量为50g/kg时，肥料中功能菌数量最多，并且显著高于其他处理。功能菌有效活菌数是生物有机肥在克服土传病害和促进作物生长方面的关键因素［16］，结合梯度选择试验，本研究最终确立酸解羽毛粉的最优添加量为50g/kg。盆栽结果表明：当施用的肥料中添加50g/kg酸水解羽毛粉即对茄子、番茄的株高和茎粗有最大的促进作用，显著增加地上部干、鲜重。这可能是由于这新研制的生物有机肥中首先含有大量的功能菌BacillusamyloliquefaciensSQR-9，该菌株已经被证明能够显著促进黄瓜和茄子植株的生长［13，17］。其次所研制生物有机肥由于酸解羽毛粉的添加，提高了肥料中养分的含量，增加养分含量是促进作物生长的有效手段；更重要的是所填加的酸解羽毛粉含有丰富的游离氨基酸，外源氨基酸已经被广泛证实能够有效促进植物的生长［18-20］。然而添加100g/kg酸水解羽毛粉研制的生物有机肥的促生效果却低于50g/kg添加量的效果，这可能是由于肥料中电导率过高的原因（表2）。另一方面，施用添加酸解羽毛粉制成的生物有机肥能改善根际可培养微生物的组成。大量的研究表明：长期连作与非连作植物根际土壤相比，微生物区系遭到破坏，细菌的数量明显下降，放线菌的数量略微下降，而真菌的数量显著上升，连作土壤普遍真菌化［21-22］。本研究中施用添加50g/kg酸水解羽毛粉生物有机肥的处理BIO-3根际土中细菌数量是施用有机肥对照OF处理和施用生物有机肥对照BOF处理的1.37倍和1.33倍，放线菌是OF、BOF处理的2.36倍、1.35倍，真菌数量较少为OF处理的36.57%、BOF处理的76.95%。初步表明该生物有机肥在连作土壤中的田间应用，将能缓解这一难题，这与曹亮亮等［3］研究的结论一致，但实际效果仍需进一步研究。【相关文献】［1］周小霞，胥江河，李明川，等.废弃羽毛资源化利用研究进展［J］.重庆工商大学学报，2008，25（3）：270-273［2］曹亮亮，王康，马婧，等.酸解羽毛粉代替蛋白胨研制新型细菌培养基［J］.微生物学通报，2014，41（11）：2353-2361［3］曹亮亮，张苗，施娟娟，等添加蛋白原料辅助固态发酵生产功能菌生物有机肥的研究［J］.南京农业大学学报，2014，37（2）：85-91［4］刘玉芬，仇德勇，徐伟，等.羽毛粉加工工艺与开发［J］.畜牧与饲料科学，2010，31（1）：87-88［5］张大雷，单安山.羽毛粉蛋白饲料的开发及其在畜牧生产中的应用［J］.饲料工业，2003，24（9）：49-51［6］庄媛，周美华，赵晓祥.羽毛角蛋白的提取及其应用进展［J］.环境科学与技术，2013，36（3）：65-69［7］沈德龙，曹凤明，李力.我国生物有机肥的发展现状及展望［J］.中国土壤与肥料，2007（6）：1-5［8］赵秉强，张福锁，廖宗文，等.我国新型肥料发展战略研究［J］.植物营养与肥料学报，2004，10（5）：536-545［9］李庆康，张永春，杨其飞，等.生物有机肥肥效机理及应用前景展望［J］.中国生态农业学报，2003，11（2）：78-80［10］李红丽，郭夏丽，李清飞，等.抑制烟草青枯病生物有机肥的研制及其生防效果研究［J］.土壤学报，2010，47（4）：798-801［11］LingN，ZhangWW，TanSY，etal.EffectofthenurseryapplicationofbioorganicfertilizeronspatialdistributionofFusariumoxysporumf.sp.niveumanditsantagonisticbacteriumintherhizosphereofwatermelon［J］.AppliedSoilEcology，2012，59：13-19［12］WangBB，YuanJ，ZhangJ，etal.EffectsofnovelbioorganicfertilizerproducedbyBacillusamyloliquefaciensW19onantagonismofFusariumwiltofbanana［J］.BiologyFertilitySoils，2013，49：435-446［13］ZhangM，LiR，CaoLL，etal.AlgalsludgefromTaihuLakecanbeutilizedtocreatenovelPGPR-containingbio-organicfertilizers［J］.JournalofEnvironmentalManagement，2014，132：230-236［14］KomadaH.DevelopmentofaselectivemediumforquantitativeisolationofFusariumoxysporumfromnaturalsoil［J］.ReviewofPlantProtectionResearch，1975，8：114-125［15］刘晓珍，肖逸，戴传超.盐城药用菊花连作障碍形成原因初步研究［J］.土壤，2012，44（6）：1035-1040［16］CookRJ.Makinggreateruseofintroducedmicroorganismsforbiologicalcontrolofplantpathogens［J］.AnnualReviewofPhytopathology，1993，31：53-80［17］CaoY，ZhangZH，LingN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