秸秆降解菌筛选及其应用研究进展

　　摘 要 秸秆降解菌是促进秸秆降解的关键因素，研制出高效快速降解秸秆的菌剂可较大程度上提高我国秸秆肥料化应用的比重，促进我国农业可持续化发展。国内外关于产纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶等产酶微生物的研究较多，但关于秸秆降解的应用研究较少，市场上也未有应用效果较好的产品，应该加大秸秆降解菌在堆肥实验、还田应用、环境驯化等方面的研究及加快秸秆降解菌的产品化和标准化进程。本研究从高温、常温、低温降解菌 3 方面综述了水稻、小麦、玉米 3 大作物秸秆降解菌的筛选及应用研究进展，并总结出秸秆降解菌进一步研究的有利措施，以期能够为我国秸秆肥料化应用研究提供有利依据。

　　关键词 秸秆; 降解菌; 筛选; 应用

　　王炳坤; 郭立炜; 王刚; 张斯童; 张宏泽; 陈欢; 陈光， 分子植物育种 发表时间：2021-11-09

　　随着国家持续加大农作物秸秆综合利用支持力度，我国秸秆综合利用率已高达 90%，其中肥料化利用率占 51.2%，秸秆还田是肥料化利用的主要形式，如何高效快速降解秸秆，已成为我国农业可持续发展研究的重点问题。据《第二次全国污染源普查公报》数据显示，2017 年全国秸秆产生量为 8.05 亿吨，玉米、水稻、小麦 3 种作物秸秆年产量占比达 82.42%。在这 3 种作物秸秆中，碳、氧、氮元素及固定碳含量分别均为 41.29%、36.36%、0.66%、16.47% (Han et al., 2020)，其可作为生物炭基肥料的主要原料。

　　现在农业生产中，秸秆还田主要有堆沤、过腹、留高茬、旋耕、翻压、覆盖、条带等还田模式(刘芳等, 2012)，无论哪种处理方式，均依赖微生物的降解，利用微生物降解秸秆是最绿色、高效、经济的措施。自然界中，可降解秸秆的微生物多达 200 多种(Tsapekos et al., 2017)，按分解底物的不同可分为纤维素、半纤维素、木质素、木聚糖等降解菌，按种类可分为真菌、细菌、放线菌，其主要是通过产生纤维素酶、葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶等活性酶协同作用降解秸秆(Bhat and Bhat, 1997)。因此，产酶能力成为衡量秸秆降解菌优劣的重要依据。

　　关于秸秆降解菌的研究已经取得了一定的进展，筛选出了适用特定作物(班允赫等, 2019)、特定降解模式(王旭辉等, 2017)、特定温度(刘建斌等, 2017)等的降解菌，但我国土地辽阔，地貌气候复杂多样，不同的降解菌在各地的适用情况不一样，针对特殊地貌、气候等秸秆降解菌还需进一步研究。本文综合了不同适宜温度秸秆降解菌及复合菌系筛选应用情况，以期能够为我国东北、西北、青藏高原等特殊低温地区秸秆降解菌的筛选应用研究提供有力的依据。

　　1 秸秆降解菌筛选研究进展

　　1.1 高温降解菌

　　秸秆高温降解菌主要以细菌为主，包括短小芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆、热纤梭菌等，大多是从秸秆堆肥的肥堆中分离筛选得到的，作物种类以水稻秸秆为主，最适产酶温度最高达 75℃。其中，热纤梭菌 M3 仅液态发酵 3 天，水稻秸秆纤维素降解率高达 34.44%。小麦秸秆降解菌仅有从土壤中分离的白耙齿菌的报道，其主要特性是降解木质素;玉米秸秆高温降解菌坚强芽孢杆菌应用效果最好，液态发酵 7 天，秸秆降解率达 62.9%。高温放线菌降解菌仅发现了链霉菌 F1、F2，其固体发酵 10 天，水稻秸秆降解率达 20%。

　　1.2 常温(中温)降解菌

　　秸秆常温降解菌的报道较多，真菌、细菌、放线菌均有较多发现。真菌秸秆降解菌以青霉、曲霉、枝孢菌等为主，固态发酵和液态发酵均有应用。其中，曲霉 M-17 固态发酵 10 天，水稻秸秆降解率达 34.64%;赭绿青霉菌液态发酵 10 天，小麦秸秆纤维素、半纤维素、木质素降解率依次可达 43.5%、 49.7%、9.3%;尖孢镰刀菌液态发酵 15 天，秸秆降解率高达 59.43%。细菌降解菌以杆菌、泛生菌等为主，其来源多样，包括从土壤中分离、瘤胃液分离、内生菌、发酵的秸秆分离等。其中，从瘤胃液分离出的金黄杆菌液态发酵 10 天，水稻秸秆降解率可达 34.4%，发酵 90 天，秸秆降解率高达 62.5%。放线菌秸秆降解菌以链霉菌为主，主要有土壤分离和内生菌 2 种来源。其中，OsiRt-1 液态发酵 6 d，水稻秸秆降解率可达 35.2%;灰略红链霉菌 C-5 固态发酵 15 天，水稻秸秆降解率可达 25.09%;链霉菌 GS-4-21 液态发酵 5d，秸秆降解率、纤维素、半纤维素、木质素降解率分别为 23.54%、30.33%、31.95%、18.91%。

　　1.3 低温降解菌

　　秸秆低温降解菌的报道较少，玉米秸秆低温降解菌的报道较多，没有发现水稻秸秆低温降解菌的报道。玉米秸秆降解菌来源主要有土壤分离、腐解物分离 2 种，草酸青霉应用效果较好，液态发酵 6 天，玉米秸秆降解率高达 58%。小麦秸秆降解菌仅有从原始森林土壤种分离的蜡状芽孢杆菌 LYZ22，盆钵实验 60 天，秸秆降解率为 30%，加入钙镁元素后秸秆降解率提高至 48.48%。

　　2 秸秆降解菌复合菌系筛选研究进展

　　2.1 高温降解菌

　　秸秆高温降解菌复合菌系的报道较少，没有发现小麦秸秆降解菌复合菌系的报道，以努比卤地无氧芽孢杆菌和热斑土芽孢杆菌组成的玉米秸秆细菌降解复合菌液态发酵 20 天，秸秆木质素、纤维素降解率分别达 24.51%、20.47%;以黄麻链霉菌、芽孢杆菌等组成的玉米秸秆放线菌和细菌复合菌固态堆肥 12 天，秸秆纤维素、半纤维素降解率分别为 21.1%、7.2%。以淀粉芽孢杆菌等细菌组成的水稻秸秆降解菌液态发酵 5 天，秸秆降解率高达 80.9%;以链霉菌组成的水稻秸秆放线菌复合菌固态发酵 10 天，水稻秸秆降解率为 31.27%。

　　2.2 常温(中温)降解菌

　　秸秆常温降解菌复合菌的报道相对较多，水稻、小麦、玉米秸秆降解菌均有报道，细菌组成的复合降解菌较多。以弓形杆菌属、拟杆菌属等组成的水稻细菌降解复合菌采用尼龙网袋法秸秆还田 5 个月，降解率高达 72.7%;以康宁木霉、黄孢原毛平革菌组成的水稻秸秆真菌降解复合菌固态发酵 70 天，水稻秸秆降解率达 54.74%。小麦秸秆降解复合菌的报道较水稻更多一些，主要是以真菌组成的复合降解菌，从土壤分离出的 Clostridium sp. BNL1100 等复合降解菌液态发酵 16 天，秸秆降解率高达 76.92%; Uncultured Bacillus sp.等复合降解菌液态发酵 10 天，秸秆纤维素、半纤维素、木质素降解率分别达 40.2%、 45.9%、23.6%。玉米秸秆降解复合菌细菌、真菌组成的均有，整体上比较，由细菌组成的复合降解菌应用效果较好，蜡样芽孢杆菌等组成的复合降解菌液态发酵 7 天，秸秆降解率高达 60.9%。

　　2.3 低温降解菌

　　秸秆低温降解菌仅有玉米秸秆降解菌的报道，从土壤分离出的混合纤维弧菌、酵母菌等细菌和真菌组成的复合降解菌固态发酵 30 天，秸秆降解率达 37.58%，秸秆还田 50 天，秸秆降解率为 32.12%，其应用温度仅有 10℃。从腐解物中分离的木霉、青霉、芽孢杆菌、草螺菌等真菌和细菌组成的降解复合菌应用温度为 15℃，液态发酵 15 天，秸秆降解率为 32.21%。

　　3 秸秆降解菌应用研究进展

　　产酶微生物的研究较多，在秸秆降解方面的研究较少。产酶能力是评价秸秆降解菌强弱的重要指标，国内外对于产纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶等产酶微生物的研究较多，例如：根霉、土曲霉、嗜热子囊菌、嗜热毛壳菌等真菌产酶菌，纤维弧菌、枯草芽孢杆菌、嗜热裂孢菌等细菌产酶菌，链霉菌、拟诺卡氏菌等放线菌产酶菌。然而，这些优良产酶微生物在水稻、小麦、玉米等秸秆降解的应用中研究较少，研究深度也较浅，尚未研制出生产应用效果较好的产品。

　　秸秆降解菌在菌株筛选方面的研究较多，在生产实践中的应用研究较少。秸秆降解菌的筛选研究较为简单，从土壤、腐解物、发酵堆富集分离菌株后，通过刚果红实验和滤纸条崩解试验就能初步筛选出具有纤维素分解能力的菌株，进一步通过产酶测定、液态发酵、固态发酵实验就能筛选出具有潜在应用价值的秸秆降解菌。然而，这些降解菌在自然状态下的应用效果往往不稳定，距离推广应用还有较大距离，建议加大秸秆降解菌在堆肥实验、还田应用、环境驯化方面的研究。

　　通过对水稻、小麦、玉米秸秆降解菌筛选及应用方面的分析，总结出秸秆降解菌进一步研究应注意以下几点：(1)秸秆表面有蜡质层，自然状态下，降解菌短时间内很难直接对秸秆纤维素、木质素等进行作用，在使用秸秆降解菌时，可伴施无机盐，能显著增加秸秆降解率。(2)高温、常温降解菌不仅在其适宜温度下产酶能力高，在低温环境中，对秸秆也有较好的降解效果，在针对我国高海拔、高纬度、低温等特定环境筛选降解菌时，可以扩大菌株的筛选范围。(3)秸秆富含纤维素、半纤维素、木质素等大分子物质，单一功能的降解菌作用效果往往应用不理想，筛选出同时作用于纤维素、木质素等物质的复合菌剂，应用效果更好、范围更广。(4)秸秆降解复合菌中加入固氮菌、解磷菌、解钾菌等功能菌可促进秸秆降解复合菌的应用效果和土壤肥力。

　　4 展望

　　我国是传统的农业大国，每年秸秆产生量大，秸秆还田问题已成为我国农业可持续发展的瓶颈问题。秸秆还田不仅能够解决农作物残留物污染的问题，还能解决土壤板结、肥力下降、化肥使用过量等问题。本文从秸秆降解菌来源、最适温度、应用效果等方面综述了水稻、小麦、玉米 3 大作物秸秆降解菌筛选及应用研究进展，以期能够为我国秸秆还田应用的进一步研究提供有利依据。