CN102453676B - 秸秆发酵剂及其在秸秆发酵中的应用方法 - Google Patents

Abstract

一种秸秆发酵剂，包括粪鬼伞、青霉、木霉和墨汁鬼伞。该发酵剂可用于稻草、麦秸等多种秸秆的微生物发酵，安全无毒，对发酵条件的适应性强，温度范围广，在室外温度为15-35℃都能进行发酵，根据温度不同，发酵时间在20-80天。发酵后的秸秆可以用作沼气、饲料和有机肥的基质。

Description

秸秆发酵剂及其在秸秆发酵中的应用方法

技术领域

本发明涉及一种利用微生物对秸秆进行生物转化的混合物，尤其涉及一种包括多种微生物组成的秸秆发酵剂，以及在秸秆发酵中的应用。

背景技术

中国年产作物秸秆约7亿吨，由于农村劳动力转移和耕作方式的转变，大部分秸秆被就地焚烧或废弃。但是，由于秸秆就地焚烧或废弃所带来的环境污染和资源浪费问题已经成为相关管理部门和科研人员关注的焦点。秸秆中超过60％为纤维素和半纤维素，是非常优良的生物质资源，通过生物转化后可广泛应用于饲料、有机肥、生物气等方面。但是，秸秆的天然结构非常复杂，生物转化效率较低，将其直接用作以上相关产品开发的难度较大，成本较高。因此，对秸秆进行有效预处理是秸秆资源化利用中最为重要的一个环节，也就是通过对水稻秸秆外围基质的破坏，如：对半纤维素和木质素的复合结构解聚，以增加酶与纤维素的接触，并降低天然结构对物质转运的阻碍作用，预处理同样可以降低纤维素的结晶程度。

目前秸秆的预处理方法有物理处理法、化学处理法和生物处理法。

(1)物理处理法：利用高温、超声波、微波等物理手段都能不同程度地破坏木质纤维的天然结构，改变其稳定性。秸秆经蒸汽爆破后能实现各化学组分的初步分离，纤维变得蓬松，比表面积增大，氢键减少，结构重排，有利于提高试剂的可及度，增强反应性能。但物理处理法需要专用设备，成本较高，处理过程有二次污染。

(2)化学处理法：NaOH、H₂O₂、氨水等化学试对秸秆类材料进行处理后，秸秆的纤维组成、形态、结晶区都有一定程度的破坏，秸秆表面变得疏松，出现了部分微孔，秸秆的生物降解性能得到提高。但化学处理会产生非常严重二次污染。

(3)生物处理法：利用高效的降解菌对水稻秸秆进行发酵处理，秸秆外表上的硅质瘤状结构脱落，细胞壁出现大范围破损，整个秸秆组织变得松散。秸秆降解菌能分解其组织中各种聚合物，将秸秆中的木质素、纤维素和半纤维素分解成为单体或低聚物，改善其利用性能。生物法处理成本较低，没有二次污染，但目前常用的生物处理法中所用微生物转化效率较低，处理时间较长，影响了生物处理法的应用和推广。

200910013635.4公开了一种直接分解农作物秸秆发酵产沼气的专用微生物复合菌剂制备及其应用方法。此专用微生物复合菌剂为液态或固态，由腊状芽孢杆、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、球状芽孢杆菌、产芽孢梭菌、丙酮丁酸梭菌、巴氏梭菌、拜氏梭菌、热纤梭菌、绿色木霉、瑞氏木霉、黑曲霉中的一株或几株，经发酵培养后，组合复配而成。同时，利用此专用微生物复合菌剂作为接种菌剂，提供对农作物秸秆进行分解处理。

200810208211.9公开了一种稻麦秸秆废弃物的微生物处理方法，将稻麦秸秆废弃物集中堆置接种复合微生物发酵进行无害化处理方法，在由枯草芽孢杆菌、梭菌和根霉菌组成的复合微生作用下稻麦秸秆废弃物持续发酵升温，杀灭有害病原体的同时，使稻麦秸秆废弃物充分分解后腐熟，得到优质的有机肥料。

200910220566.4公开了一种分解秸秆的复合微生物菌剂及其制备方法和应用。采用的技术方案如下：分解秸秆的复合微生物菌剂由枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、融合乳酸菌、圆褐固氮菌和酿酒酵母菌制成。采用该菌剂处理秸秆可以制备秸秆生物有机肥。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种包括多种微生物的秸秆发酵剂，通过利用高效降解微生物，对秸秆进行生物预处理，提高秸秆的可利用效率，从而建立一种秸秆资源化利用的平台技术。

本发明的另一个目的是提供一种秸秆的发酵方法，将包括多种微生物的秸秆发酵剂用于不同作物秸秆(玉米、小麦、水稻、高梁等)发酵当中，经发酵过的秸秆可用于畜禽饲料(牛、羊、猪等)，或沼气或有机肥的生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明使用多种高效降解菌，如：粪鬼伞(Coprinus sterqulinus)、青霉(Penicillium expansum)、木霉(Trichoderma koningii)和墨汁鬼伞(Coprinusatramentaria)对秸秆进行发酵，发酵剂可发酵不同作物秸秆(玉米、小麦、水稻、高梁等)，而且发酵秸秆可用作畜禽饲料(牛、羊、猪)，或沼气发酵或有机肥的原料。

本发明提供的秸秆发酵剂，主要包括重量百分数如下的微生物组分：粪鬼伞0.2-0.4份、青霉0.1-0.3份、木霉0.1-0.3份和墨汁鬼伞0.2-0.5份。

这些微生物可以直接购买或自行培养。培养这些微生物是本领域技术人员的普通技能。如：本发明各种微生物可以通过如下方法进行培养。

把斜面菌种接种在液体摇瓶中进行培养，然后把液体摇瓶中的种子液再接种到液体种子罐内培养，最后将液体种子罐内的种子液接种于发酵罐进行培养，发酵结束后进行板框压滤，固液分离收集菌丝体，将菌丝体用吸附剂吸附，得到干菌粉，将不同菌种按比例混合制成发酵剂入库备用。

斜面菌种培养的具体步骤为：把每种菌种接种于相应的培养基当中(如：PDA培养基)，在25-35℃条件下恒温培养72-200h，放入4℃冰箱保存。

摇瓶培养的具体步骤为：将每种菌种接种于装有相应培养基的摇瓶中，菌种的接种量为2-10v/v％，再于25-35℃，转速100-200r/m的条件下，培养120-168小时。

发酵罐培养的具体步骤为：将每种菌种接种于装有相应培养基的发酵罐中，菌种的接种量为2-10v/v％，再于25-35℃，通气量0.5-1.2vvm，罐压0.02-0.1Mpa的条件下，培养120-240小时。

本发明中，为利于微生物菌体的培养，在相同微生物的摇瓶培养和发酵罐培养阶段可使用相同或不同的培养基，不同的微生物使用相同或不同的培养基。如：粪鬼伞菌在摇瓶培养和发酵罐培养阶段的培养基为：在100mL发酵液中加入菜籽饼4.0g、尿素0.3g、蔗糖0.025g、MgSO₄·7H2O 0.03g、CaCl₂ 0.03g、KH₂PO₄ 0.2g、FeSO4·7H₂O 0.5mg、MnSO₄·H₂O 0.16mg、ZnSO4·7H₂O 0.14mg、CoCl₂ 0.2mg，初始pH 5；再如：青霉菌在摇瓶培养阶段的培养基为：在100mL发酵液中加入硝酸钠0.3g、磷酸氢二钾0.1g、硫酸镁0.05g、氯化钾0.05g、硫酸亚铁0.001g、蔗糖3g，初始pH 5.5；青霉菌在发酵罐培养阶段的培养基为：在100mL发酵液中加入蛋白胨1.2g、秸秆粉0.5g、磷酸氢二钾0.05g、硫酸镁0.025g、氯化钾0.025g、硫酸亚铁0.001g和蔗糖3g；又如：木霉菌在摇瓶培养阶段的培养基为：在100mL发酵液中加入硝酸钠0.3g、磷酸氢二钾0.1g、硫酸镁0.05g、氯化钾0.05g、硫酸亚铁0.001g、蔗糖3g，初始pH 5.5；木霉菌在发酵罐培养阶段的培养基为：在100mL发酵液中加入酵母膏2g、秸秆粉0.5g、磷酸氢二钾0.08g、硫酸镁0.02g、氯化钾0.02g和蔗糖1g；另如：墨汁鬼伞菌在摇瓶培养和发酵罐培养阶段的培养基为：在100mL发酵液中加入菜籽饼2.0g、麸皮1.0g、尿素0.3g、MgSO₄·7H₂O 0.03g、CaCl₂ 0.03g、KH₂PO₄ 0.2g，初始pH6。

将本发明的秸秆发酵剂用于秸秆的发酵过程中，以加快秸秆的生物转化和提高秸秆的利用效能。

本发明提供的一种秸秆的发酵处理方法：

1)秸秆预处理：将秸秆与一定量的增效剂混合，使体系含水量在60-70w/w％之间，且体系的碳/氮比为45-70；

2)堆放发酵秸秆：在发酵场地先铺上一层厚度为20-50cm的秸秆料，然后撒上一层本发明的秸秆发酵剂，然后在料堆上横放数根竹杆，竹杆长度与料堆宽度一致，竹杆放置间距为2m，依次再铺上一层秸秆料和本发明秸秆发酵剂，当秸秆发酵剂的总用量为秸秆重量的5-10w/w％时，停止堆高秸秆，并覆盖塑料薄膜；

3)秸秆发酵：发酵5-7天后将竹杆全部取出，秸秆发酵过程中堆温不高于25℃，直至秸秆轻搓即碎时结束发酵。

增效剂是含氮化合物或有机质，如：人畜尿液、尿素和硫酸铵等。使用时，直接使用或制成溶液，添加至体系的碳/氮比为45-70为宜。增效剂还包括部分速效碳源，如：玉米粉和麸皮等，使用量为1-3w/w％。

本发明实现的有益效果：

本发明是多种微生物混合制成的秸秆发酵剂。发酵秸秆是安全无毒的，发酵剂对发酵条件的适应性强，温度范围广，在室外温度为15-35℃都能进行发酵，根据温度不同，发酵时间在20-80天。发酵剂处理的原料来源广泛，包括水稻秸秆、玉米秸秆、高梁秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆及藤、蔓等，也可以是多种秸秆的混合物。秸秆经发酵后，轻搓即碎，木质结构被严重破坏，可利用性能得到极大提高，可直接应用于饲料、沼气发酵和有机肥制作。利用本发明中的秸秆发酵剂进行秸秆发酵，操作简单，设备要求低，具有良好的推广应用前景。

具体实施方式

以下详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体方法，该方法的其规模不受实施例的限制。

实施例1粪鬼伞菌的培养

把斜面菌种接种在液体摇瓶中进行培养，然后把液体摇瓶中的种子液再接种到液体种子罐内培养，最后将液体种子罐内的种子液接种于发酵罐进行培养，发酵结束后进行板框压滤，固液分离收集菌丝体，将菌丝体用吸附剂吸附，得到干菌粉。

斜面菌种培养：按PDA培养基配方配制斜面培养基，并加入1.5％琼脂，挑取保藏的斜面菌种接入新鲜的斜面培养基，在28℃条件下恒温培养96h，放入4℃冰箱保存。

摇瓶培养：粪鬼伞的摇瓶培养基为(100mL发酵液)：菜籽饼4.0g，尿素0.3g，蔗糖0.025g，MgSO₄·7H2O 0.03g，CaCl₂ 0.03g，KH₂PO₄ 0.2g，FeSO4·7H₂O 0.5mg，MnSO₄·H₂O 0.16mg，ZnSO4·7H₂O 0.14mg，CoCl₂0.2mg；初始pH 5，250mL三角瓶中装液量为50mL，，温度30℃，摇床转速170r/m，接种量5％，时间为120h。

发酵罐培养：粪鬼伞在发酵罐中的培养基同摇瓶培养，温度为28℃，通气量0.5vvm，罐压0.04Mpa，接种量3％，发酵时间为168h。

实施例2青霉菌的培养

把斜面菌种接种在液体摇瓶中进行培养，然后把液体摇瓶中的种子液再接种到液体种子罐内培养，最后将液体种子罐内的种子液接种于发酵罐进行培养，发酵结束后进行板框压滤，固液分离收集菌丝体，将菌丝体用吸附剂吸附，得到干菌粉。

斜面菌种培养：按PDA培养基配方配制斜面培养基，并加入1.2％琼脂，挑取保藏的斜面菌种接入新鲜的斜面培养基，在28℃条件下恒温培养72h，放入4℃冰箱保存。

摇瓶培养：青霉的摇瓶培养基为(100mL发酵液)：硝酸钠0.3g，磷酸氢二钾0.1g，硫酸镁0.05g，氯化钾0.05g，硫酸亚铁0.001g，蔗糖3g；初始pH 5.5，250mL三角瓶中装液量为50mL，温度30℃，摇床转速170r/m，接种量5％，时间为144h。

发酵罐培养：青霉在发酵罐中的培养基为(100mL发酵液)：蛋白胨1.2g，秸秆粉0.5g，磷酸氢二钾0.05g，硫酸镁0.025g，氯化钾0.025g，硫酸亚铁0.001g，蔗糖3g；温度为28℃，通气量0.5vvm，罐压0.04Mpa，接种量3％，发酵时间为168h。

实施例3木霉菌的培养

把斜面菌种接种在液体摇瓶中进行培养，然后把液体摇瓶中的种子液再接种到液体种子罐内培养，最后将液体种子罐内的种子液接种于发酵罐进行培养，发酵结束后进行板框压滤，固液分离收集菌丝体，将菌丝体用吸附剂吸附，得到干菌粉。

斜面菌种培养：按PDA培养基配方配制斜面培养基，并加入1.5％琼脂，挑取保藏的斜面菌种接入新鲜的斜面培养基，在28℃条件下恒温培养72h，放入4℃冰箱保存。

摇瓶培养：木霉的摇瓶培养基为(100mL发酵液)：硝酸钠0.3g，磷酸氢二钾0.1g，硫酸镁0.05g，氯化钾0.05g，硫酸亚铁0.001g，蔗糖3g；初始pH5.5，250mL三角瓶中装液量为50mL，温度30℃，摇床转速170r/m，接种量5％，时间为100h。

发酵罐培养：木霉在发酵罐中的培养基为(100mL发酵液)：酵母膏2g，秸秆粉0.5g，磷酸氢二钾0.08g，硫酸镁0.02g，氯化钾0.02g，蔗糖1g；温度为28℃，通气量1vvm，罐压0.04Mpa，接种量5％，发酵时间为150h。

实施例4墨汁鬼伞菌的培养

把斜面菌种接种在液体摇瓶中进行培养，然后把液体摇瓶中的种子液再接种到液体种子罐内培养，最后将液体种子罐内的种子液接种于发酵罐进行培养，发酵结束后进行板框压滤，固液分离收集菌丝体，将菌丝体用吸附剂吸附，得到干菌粉。

斜面菌种培养：按PDA培养基配方配制斜面培养基，并加入1.5％琼脂，挑取保藏的斜面菌种接入新鲜的斜面培养基，在28℃条件下恒温培养180h，放入4℃冰箱保存。

摇瓶培养：墨汁鬼伞的摇瓶培养基为(100mL发酵液)：菜籽饼2.0g，麸皮1.0g，尿素0.3g，MgSO₄·7H₂O 0.03g，CaCl₂ 0.03g，KH₂PO₄ 0.2g；初始pH6，250mL三角瓶中装液量为50mL，温度30℃，摇床转速170r/m，接种量5％，时间为172h。

发酵罐培养：粪鬼伞在发酵罐中的培养基同摇瓶培养，温度为28℃，通气量0.9vvm，罐压0.04Mpa，接种量3％，发酵时间为180h。

实施例5水稻秸秆的发酵处理及其在沼气发酵中的应用

准备水稻秸秆20吨，另加入猪尿1.5吨，尿素50kg，玉米粉100kg，麸皮250kg，加水混合后使体系含水量为65％，测得体系的碳/氮比为52。在发酵场地先铺上一层厚度为25cm的水稻秸秆，然后撒上一层发酵剂(其中粪鬼伞0.4份，青霉0.2份，木霉0.2份，墨汁鬼伞0.2份)，然后在料堆上横放数根竹杆，竹杆长度与料堆宽度相当，竹杆放置间距为2m，依次再铺上一层秸秆料和发酵剂，堆高2m，建堆完成后在堆料上覆盖塑料薄膜。发酵7d后将所有竹杆全部抽出来。当季室外温度为15-31℃，发酵35d后检测，水稻秸秆用手轻搓即碎，发酵结束。将料堆打开摊晒数日，降低含水量至20％，以备使用。

将经发酵处理过的水稻秸秆加入生物反应器进行沼气发酵。精确称取发酵水稻秸秆10g，放入1500mL反应器中，加入1.3g NH₄Cl、适量活性污泥和水，使体系中秸秆含量为1.0g/L，且pH 7.0，在25℃条件下恒温反应30d。每天记录产气量，得总产气量为30.9L。以未经发酵处理的水稻秸秆为原料重复上述操作，得总产气量为10.2L。

实施例6

玉米秸秆的发酵及其在饲料中的应用。

准备玉米秸秆1吨，另加入尿素150kg，加水1.2吨，混合后堆积，外覆塑料薄膜，放置3天后摊开放置1天。然后加入麸皮100kg，加水混合后使体系含水量为65％，测得体系的碳/氮比为48。在发酵场地先铺上一层厚度为50cm的玉米秸秆，然后撒上一层发酵剂(其中粪鬼伞0.2份，青霉0.4份，木霉0.3份，墨汁鬼伞0.1份)，然后在料堆上横放数根竹杆，竹杆长度与料堆宽度相当，竹杆放置间距为2m，依次再铺上一层秸秆料和发酵剂，堆高1m，建堆完成后在堆料上覆盖塑料薄膜。发酵5d后将所有竹杆全部抽出来。当季室外温度为15-31℃，发酵60d后检测，玉米秸秆用手轻搓即碎，发酵结束。将料堆打开摊晒数日，降低含水量至20％，以备使用。

将发酵玉米秸秆和非发酵玉米秸秆均粉碎至颗粒直径2cm左右，用作奶牛饲料。选择3-5岁，泌乳天数、产奶量及体重相近的健康泌乳奶牛20头，分为试验组和对照组，每组10头。奶牛各项生理指标经生物学统计分析(f值检验)差异不显著(P＞0.05)。对照组奶牛每天饲喂非发酵玉米秸秆饲料20kg，试验组奶牛每天饲喂发酵玉米秸秆饲料20kg，其他基础日粮组成相同。所有供试奶牛均在同一栋牛舍内分栏饲养，其他饲养管理条件完全一致，日喂3次，自由采食和饮水，机器挤奶，每日3次。饲喂发酵玉米秸秆的试验组平均产奶量达25.95kg/d.头，比对照组高出0.96kg/d.头。

实施例7大豆秸秆的发酵及其在有机肥生产中的应用

准备大豆秸秆5吨，另加入猪尿2吨，加水混合后使体系含水量为65％，测得体系的碳/氮比为65。在发酵场地先铺上一层厚度为25cm的大豆秸秆，然后撒上一层发酵剂(其中粪鬼伞0.4份，青霉0.1份，木霉0.4份，墨汁鬼伞0.1份)，然后在料堆上横放数根竹杆，竹杆长度与料堆宽度相当，竹杆放置间距为2m，依次再铺上一层秸秆料和发酵剂，堆高2m，建堆完成后在堆料上覆盖塑料薄膜。发酵4d后将所有竹杆全部抽出来。当季室外温度为15-31℃，发酵50d后检测，大豆秸秆用手轻搓即碎，发酵结束。将料堆打开摊晒数日，降低含水量至20％，以备使用。

准备干混分离后收集的猪粪50吨，加入上述全部发酵大豆秸秆，并调整含水量至70％，加入有机肥发酵剂50kg，入槽发酵，利用翻耕机定期翻料，保持料温50℃以上，30d有机肥发酵结束，所生产有机肥质量如表1。

表1 有机肥品质检测

Claims (2)

1.一种秸秆发酵剂，以重量份计，组成为：粪鬼伞0.2-0.4份、青霉0.1-0.3份、木霉0.1-0.3份和墨汁鬼伞0.2-0.5份。

2.一种秸秆的发酵处理方法，包括如下步骤：

1)秸秆预处理：将秸秆与增效剂混合，使体系含水量在60-70w/w％之间，且体系的碳/氮比为45-70；所述的增效剂为人畜尿液、尿素和硫酸铵中的至少一种，所述的增效剂使用量为1-3w/w％；

2)堆放发酵秸秆：在发酵场地先铺上一层厚度为20-50cm的秸秆料，然后撒上一层权利要求1所述的秸秆发酵剂，然后在料堆上横放数根竹杆，竹杆长度与料堆宽度一致，竹杆放置间距为2m，依次再铺上一层秸秆料和权利要求1所述的秸秆发酵剂，当秸秆发酵剂的总用量为秸秆重量的5-10w/w％时，停止堆高秸秆，并覆盖塑料薄膜；

3)秸秆发酵：发酵5-7天后将竹杆全部取出，秸秆发酵过程中堆温不高于25℃，直至秸秆轻搓即碎时结束发酵。