CN102660487B - 一株嗜热地芽孢杆菌utm02及其应用 - Google Patents

一株嗜热地芽孢杆菌utm02及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一株嗜热地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)菌株UTM02,其保藏编号为CGMCC No.5642。本发明提供的菌株UTM02在70℃下能快速增殖。本发明还提供了利用菌株UTM02制备的固态堆肥接种剂及其制备方法和应用,该堆肥接种剂生产成本低,质量稳定,可应用于高温污泥堆肥,操作方便,不会影响堆体的含水率,且绿色环保,无污染,性能优良,达到热能利用与废物处理双重效果,具有较好的经济效益和社会效益。

Description

一株嗜热地芽孢杆菌UTM02及其应用
技术领域
本发明涉及环境微生物技术领域,具体地,涉及一种嗜热地芽孢杆菌菌株UTM02及其应用。
背景技术
嗜热菌是一类在高温条件下仍能生长并可以保持生物降解活性的微生物菌群。最高生长温度高于60℃,最适生长温度高于50℃的微生物就叫嗜热(thermophilic)菌,而最高生长温度高于90℃,最适生长温度高于65℃的微生物就叫极端嗜热(Hyper-thermophilic)菌。嗜热菌的细胞中含有的酶蛋白具有独特的耐热性和与之相适应的分子结构,因此其在基因工程、蛋白质工程、矿产资源等的开发利用上均有很大的应用价值。
在有机固体废物堆肥过程中,合理添加高效菌剂有助于增强堆肥微生态系统的功能,加速堆肥进程,提高堆肥效率。嗜热菌较常温菌相比,具有更高的微生物代谢活性和有机物降解速率,在固体有机废物处理领域具有广阔的应用前景和科学价值。嗜热菌还具有热稳定性的降解酶,可以将堆肥温度维持在60℃-70℃或更高的温度,所以可以更加有效的杀死病原微生物,达到无害化的要求,同时嗜热菌酶不仅耐热,而且对不良化学环境也具有高度的耐受性,能抵抗一些有毒害作用的污染物或代谢产物的抑制作用,提高处理效率,缩短生产周期。嗜热菌的应用,可为有机固体废物更好的实现减量化、无害化、稳定化和资源化利用的工业化生产创造有利条件。
地芽孢杆菌属(Geobacillus sp.)是国际上2001年新命名的一类细菌,目前仍有新的菌株及新的特性被不断发现与描述,是一类具有广阔应用潜力和重要研究价值的嗜热菌。将地芽孢杆菌应用于有机固体废物的堆肥处理过程,将有助于弥补堆肥高温期土著菌活性下降的不足,促进有机物的降解,提高处理效率。但目前仍未见到关于地芽孢杆菌在此方面应用的报到。再者,目前商业菌剂多为液体,不利于保藏和运输,保存期大于3个月时,活菌数会明显下降,而且,通常发酵温度的控制需要外加能源,能耗相对较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嗜热地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)及其应用。
本发明提供的菌株为嗜热地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)菌株,是以高温期(大于80℃)污泥堆肥作为分离源,在70℃下经富集分离纯化得到的,命名为UTM 02。采用形态观察法和16S rRNA序列测定相结合的方法,将该菌鉴定为地芽孢杆菌属(Geobacillus sp.),并将其命名为嗜热地芽孢杆菌UTM02。该菌株已于2011年12月26日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC,地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,邮编100101)保藏,分类命名为Geobacillus sp.,保藏号为CGMCC No.5642。
将嗜热地芽孢杆菌菌株UTM02在固体培养基平板(配方:牛肉膏3-5g,蛋白胨8-12g,氯化钠3-5g,琼脂12-20g,植物凝胶8-12g,蒸馏水1000ml,pH 7.2-7.4)上划线接种,70℃下培养12小时,便可形成明显菌落与菌苔;单菌落为淡黄色,圆形,直径约3mm,表面湿润,中央稍突,边缘完整;菌体细胞为杆状。
本发明提供了含有嗜热地芽孢杆菌UTM02的菌剂。
本发明提供了嗜热地芽孢杆菌UTM02或其发酵产物或上述菌剂在堆肥中的应用。
本发明提供了嗜热地芽孢杆菌UTM02或其发酵产物或上述菌剂在制备堆肥接种剂中的应用。
本发明还提供了一种制备堆肥接种剂的方法,包括以下步骤:
1)菌种活化:取嗜热地芽孢杆菌菌株UTM02的菌种在培养基上活化,培养至形成丰厚菌落或菌苔,活化条件为60-70℃;
2)向培养液中添加腐熟污泥堆肥水浸提液,灭菌冷却后,接种活化培养后的UTM02菌种,振荡培养得到UTM02种子液;
3)将步骤2)制得的种子液接种至灭菌培养液中进行发酵培养,得到发酵种子液;
4)制备接种剂,选有机废弃物湿基为主料,有机废弃物干基为辅料,混合,添加碳源,混匀后进行堆置发酵,期间加入步骤3)制得的发酵种子液,继续堆置发酵。
进一步地,步骤2)是按5%-10%体积比向培养液添加浸提比1∶5-20的腐熟污泥堆肥水浸提液,灭菌冷却至45-55℃,接种活化培养后的UTM02菌种,在65-70℃下振荡培养1-3天,振荡频率150-200rpm;所述培养液配方是:牛肉膏3-5g,蛋白胨10g,氯化钠3-5g,水1000ml,pH 7.2-7.4;
进一步地,步骤3)是将步骤2)得到的种子液按3%-10%体积比接入装有已灭菌培养液的种子罐中,温度65℃-70℃,间隔3-6小时通气10-30分钟,通气量体积比0.5~1.5∶1,150-200rpm搅拌,培养2-5天;
进一步地,步骤4)混合湿基和干基使碳氮比在20-30∶1;按堆肥总重量0.1%-0.5%添加碳源,并保持含水率在50%-65%。
进一步地,步骤4)所述的有机废弃物湿基为畜禽粪便、市政污泥中的一种或多种;所述有机废弃物干基为木屑、花生壳粉、糠醛、糖渣中的一种或多种;所述碳源为红糖或糖蜜。
进一步地,步骤4)所述的堆置发酵方法是,堆置开始的6-24小时内不通风,之后进行强制通风,间隔1-3小时鼓风20-40min,通风量为0.03-0.06m3/(min·m3),并每天监测堆温的变化,待堆肥达到45℃-55℃时,通风量为0.08-0.20m3/(min·m3),当堆体中心温度达到70℃时,取相当于堆料重量0.1%-0.5%的发酵种子液用玉米粉或麦麸吸附后均匀散撒在堆体表面后,进行翻堆,继续堆置5-10天,期间翻堆1-3次,出料前2-4天搅拌1次,取出物料进行陈化风干,使含水率下降至30%以下,所得陈化料进行筛分后即为接种剂。
本发明提供了上述方法制备得到的堆肥接种剂。
本发明还提供了上述堆肥接种剂在污泥堆肥中的应用。
本发明的优点是提供了一株在70℃下能快速增殖的嗜热地芽孢杆菌UTM02。利用UTM02菌株制备堆肥接种剂的方法中,本发明突破常规地将分离源浸提液添加到菌种培养基中,为微生物的生长提供了常规培养基无法提供的生长因子,有助于提高UTM02菌株繁殖速率。另外在利用本菌株制备接种剂时,采用有机废物为原料,依靠有机废物自身发酵的热量为热源,进行繁殖生长,达到热能利用与废物处理的双重功效,且本菌剂为含水率在30%以下的固态菌剂,利于保存与运输,使用时直接与堆料混合,操作方便,还不会提高物料水分,也是一种良好的湿基物料调理剂。
附图说明
图1为显微镜下嗜热地芽孢杆菌菌株UTM02(1000×)。
图2为堆肥过程中温度的变化。
图3为堆肥过程中挥发分的变化。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换,均属于本发明的范围。
若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1 嗜热地芽孢杆菌UTM02的分离与鉴定
在无菌的环境中,称取5g污泥堆肥样品于装有10粒玻璃珠的50ml无菌水三角瓶中,置于摇床上160r/min振荡30min,使样品充分散开,然后在70℃下,静置培养6小时。
另称取10g污泥堆肥样品于装有200ml蒸馏水的烧杯中,在磁力搅拌器上搅拌1小时,然后用滤纸过滤取其滤液。按配方牛肉膏0.5g,蛋白胨1g,氯化钠0.5g,滤液100ml,pH 7.2-7.4,配制细菌滤液培养基,121℃灭菌20min。
取出以上静置培养的三角瓶,在无菌的环境中,静置3min,再用无菌吸管吸取10ml上清液加到装有100ml已灭菌的细菌滤液培养基中,充分摇匀,放置于70℃下,静置富集培养24小时,如此,传代培养3代。
取出以上培养3代的富集培养三角瓶,用1ml无菌吸管吸取1ml上清液加到装有9ml无菌水中即得(10-1)稀释液。依次类推,制得10-1至10-6稀释液。取6个无菌平皿,用1ml无菌吸管分别吸取以上稀释液0.2ml,接入平皿;将已融化并冷却至50℃左右的细菌培养基倒入无菌培养皿中,每皿约20ml,前后左右轻轻摇动培养皿,使菌液充分混匀,凝固后,在培养皿上作好稀释度及日期标记.
待平板凝固后,将上述平板恒温恒湿培养箱中,在70℃下进行培养12小时。
观察各平板的生长情况,选择菌落分散较好的平板上挑取菌落形态不同的单菌落进行划线培养,如此至3代以后,将形态一致的菌落制片,进行简单染色,在油镜下观察菌体形态,见图1。多视野下观察菌体细胞形态,确认菌体形态一致后,用细菌培养基斜面培养至丰厚,于4℃冰箱中保存菌种,备用。
上述细菌固体培养基的成分为:牛肉膏5g,蛋白胨10g,氯化钠5g,琼脂16g,植物凝胶10g,蒸馏水1000ml,pH 7.2。
以本发明菌株的DNA为模板,PCR扩增其16S rRNA序列,引物为(27f):5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′和(1492r):5′-GGTTAC CTT GTT ACG ACT T-3′。PCR反应程序为:95℃预变性5min,95℃变性30s,53℃退火45s,72℃延伸90s,30个循环,72℃延伸10min。扩增产物经电泳检测其纯度后测序。获得的16S rRNA基因序列通过EzTaxon数据库(http://www.eztaxon.org/)进行比对,与菌株Geobacillusgalactosidasius CF1BT(AM408559)的相似性最高,同源性为99.10%,把该菌株鉴定为地芽孢杆菌属(Geobacillus sp.),命名为UTM02,并于2011年12月26日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,邮编100101)保藏,分类命名为Geobacillus sp.,保藏号为CGMCC No.5642。
实施例2 堆肥接种剂的制备
(1)斜面活化:取保藏的菌种斜面,在斜面上多重划线65℃下活化培养至形成丰厚菌落;
(2)摇瓶种子液制备:按5%(v/v)向细菌培养液添加浸提比1∶10的腐熟污泥堆肥水浸提液,并置于锥形瓶中灭菌,待冷却至50℃,接种一支活化培养后的斜面菌种菌落,置于恒温水浴振荡器中,在70℃下振荡培养24小时,振荡频率160rpm;
(3)发酵种子液制备:摇瓶种子按10%(v/v)接入装有已灭菌细菌培养液的种子罐,控制温度65℃,间隔6小时通气30min,通气量1∶1(v/v),160rpm搅拌,培养48小时。
所述细菌培养液配方是:牛肉膏3g,蛋白胨10g,氯化钠3g,水1000ml,pH 7.2。
(4)接种剂的制备:
先用红砖砌发酵槽,发酵槽为4m×2m×0.8m,发酵槽上部安装有机械翻堆设备,底部铺设PVC通气管,管上每隔20em有一个通气孔,靠水泥墙一端端口用胶塞塞住,另一端用同样的通气管和连接管与其他几条平行通气管连接起来,并在中央用同样的连接管与鼓风机相连,作为通气系统。
选择鲜鸡粪为主料,选择糠醛、糖渣为辅料,并检测其基本性质,见下表:
  原料   水分(%)   全碳(%)   全氮(%)
  鸡粪   65.5   18.3   1.5
  糠醛   46.1   35.4   1.3
  糖渣   41.7   46.8   1.2
根据物料性质,经计算,物料配比为:鲜鸡粪∶糠醛∶糖渣∶水=4∶4∶1∶0.5,C/N约为23,含水率约56%,红糖添加比例约为0.1%。取鲜鸡粪400kg,糠醛400kg,糖渣100kg,红糖1kg,用50kg水将红糖溶解,物料与溶液混合均匀。置于发酵池中进行堆置发酵,12小时内不通风,之后进行强制通风,间隔2小时鼓风30min,通风量为0.05m3/(min ·m3),并每天监测堆温的变化,待堆肥达到45℃时,通风量为0.15m3/(min ·m3),当堆体中心温度达到70℃时,取2L发酵种子液用玉米粉或麦麸吸附后均匀散撒在堆体表面,进行翻堆,继续堆置7天,期间翻堆2次,以达到无害化标准,出料前2天再次翻堆1次,出料后进行陈化风干,使含水率下降至30%以下后,进行筛分后即为接种菌剂。
实施例3 堆肥接种剂的制备
(1)斜面活化:取菌种斜面,在斜面上划线60℃下活化培养至形成丰厚菌落;
(2)摇瓶种子液制备:按(v/v)10%向细菌培养液添加浸提比1∶20的腐熟污泥堆肥水浸提液,并置于锥形瓶中灭菌,待冷却,接种一支活化培养后的斜面菌落,置于恒温水浴振荡器中,在65℃下振荡培养48小时,振荡频率200rpm;
(3)发酵种子液制备:摇瓶种子按3%(v/v)接入装有已灭菌细菌培养液的种子罐,控制温度70℃,间隔5小时通气20min,通气量0.5∶1(v/v),200rpm搅拌,培养4天。
所述细菌培养液配方是:牛肉膏5g,蛋白胨10g,氯化钠5g,自来水1000ml,pH 7.3。
(4)接种剂的制备:
先用红砖砌发酵槽,发酵槽为4m×2m×0.5m,发酵槽上部安装有机械翻堆设备,底部铺设PVC通气管,管上每隔20cm有一个通气孔,靠水泥墙一端端口用胶塞塞住,另一端用同样的通气管和连接管与其他几条平行通气管连接起来,并在中央用同样的连接管与鼓风机相连,作为通气系统。
选择鲜鸡粪为主料,选择糠醛、糖渣为辅料,并检测其基本性质,见下表:
  原料   水分(%)   全碳(%)   全氮(%)
  鸡粪   65.5   18.3   1.5
  花生壳   34.5   30.7   1.0
  糖渣   41.7   46.8   1.2
根据物料性质,经计算,物料配比为:鲜鸡粪∶花生壳粉∶糖渣∶水=8∶4∶1∶0.8,C/N约为21,含水率约57%,红糖添加比例为0.5%。取鲜鸡粪800kg,花生壳粉400kg,糖渣100kg,红糖6.5kg,用80kg水将红糖溶解,物料与溶液混合均匀。置于发酵池中进行堆置发酵,8小时内不通风,之后进行强制通风,间隔1小时鼓风20min,通风量为0.06m3/(min·m3),并每天监测堆温的变化,待堆肥达到55℃时,通风量为0.18m3/(min·m3),当堆体中心温度达到70℃时,取1.5L的发酵种子液用玉米粉或麦麸吸附后均匀散撒在堆体表面,进行翻堆,继续堆置5天,期间翻堆1次,以达到无害化标准,出料前2天搅拌1次,出料后进行陈化风干,使含水率下降至30%以下后,进行筛分后即为接种菌剂。
实施例4 堆肥接种剂的制备
(1)斜面活化:取菌种斜面,在斜面上划线70℃下活化培养至形成丰厚菌落;
(2)摇瓶种子液制备:按(v/v)5%向细菌培养液添加浸提比1∶5的腐熟污泥堆肥水浸提液,并置于锥形瓶中灭菌,待冷却,接种一支活化培养后的斜面菌落,置于恒温水浴振荡器中,在68℃下振荡培养2天,振荡频率150rpm;
(3)发酵种子液制备:摇瓶种子按6%(v/v)接入装有已灭菌细菌培养液的种子罐,控制温度68℃,间隔3小时通气10min,通气量1.5∶1(v/v),150rpm搅拌,培养4天。
所述细菌培养液配方是:牛肉膏4g,蛋白胨10g,氯化钠4g,自来水1000ml,pH 7.4。
(4)接种剂的制备:
先用红砖砌发酵槽,发酵槽为4m×2m×0.5m,发酵槽上部安装有机械翻堆设备,底部铺设PVC通气管,管上每隔20cm有一个通气孔,靠水泥墙一端端口用胶塞塞住,另一端用同样的通气管和连接管与其他几条平行通气管连接起来,并在中央用同样的连接管与鼓风机相连,作为通气系统。
选择鲜鸡粪为主料,选择糠醛、糖渣为辅料,并检测其基本性质,见下表:
  原料   水分(%)   全碳(%)   全氮(%)
  鸡粪   65.5   18.3   1.5
  糠醛   46.1   35.4   1.3
  糖渣   41.7   46.8   1.2
根据物料性质,经计算,物料配比为:鲜鸡粪∶糠醛∶糖渣∶水=4∶6∶2∶1,C/N约为25,含水率约56%,红糖添加比例为0.3%。取鲜鸡粪400kg,糠醛600kg,糖渣200kg,红糖4kg,用100kg水将红糖溶解,物料与溶液混合均匀。置于发酵池中进行堆置发酵,24小时内不通风,之后进行强制通风,间隔4小时鼓风40min,通风量为0.05m3/(min·m3),并每天监测堆温的变化,待堆肥达到50℃时,通风量为0.15m3/(min·m3),当堆体中心温度达到70℃时,取6L的种子液用玉米粉或麦麸吸附后均匀散撒在堆体表面,进行翻堆,继续堆置10天,期间翻堆2次,以达到无害化标准,出料前3天再次搅拌1次,出料后进行陈化风干,使含水率下降至30%以下后,进行筛分后即为接种菌剂。
实施例5 堆肥接种剂的应用和效果
下面以污泥堆肥为例,说明本发明堆肥接种剂的应用和效果。
检测污泥及辅料花生壳粉的基本性质如下:
  原料   水分(%)   全碳(%)   全氮(%)
  市政污泥   77.68   20.03   2.2
  花生壳粉   8.89   60.07   1.2
根据物料性质,经计算,物料配比为市政污泥∶花生壳粉=3∶1时,C/N为26,含水率为60%。取市政污泥750kg,花生壳粉250kg,本发明实施例3制得的接种剂2kg,混合均匀,置于发酵槽中进行堆置发酵。同时进行不接种的污泥堆肥对照试验。
堆肥系统由发酵系统和通风系统组成。发酵系统包括发酵槽和渗滤液收集槽,共有2组发酵槽,槽尺寸为1200mm×1200mm×1200mm,砖砌构筑物,槽底部有渗滤液收集槽,其上放格栅;通风系统包括鼓风机、气体流量计和配套的通风管道。堆肥槽罩在塑料大棚内。
堆肥周期为24天,通风方式为强制通风,堆肥后24小时后进行通风,通气量为0.2m3·h-1·m-3,通风频率为间隔12小时通风30min。在距离堆垛底端40cm处的中心部位用热电偶温度传感器测定温度。间隔3天翻堆1次,翻堆后取样检测相关指标。发酵过程产生的渗滤液经收集后回灌到堆肥中。实验结果见图2、图3。
从图2可见,接种处理自建堆后1天堆温即升至58℃,而对照处理的堆温仅为48℃;堆肥前4天,接种处理比对照处理平均温度高约10℃;堆肥的第20天后,接菌处理出现明显的稳定期,而对照处理仍处于降温期,堆肥接种菌剂后,堆肥周期明显缩短。接种本发明实施例3制得的接种剂,可快速启动堆体发酵,使堆肥快速进入高温期,在约70℃的高温环境中高效进行。
从图3可见,对挥发分含量的测定表明,堆肥过程中对照处理的挥发分含量大于接种处理,接种堆肥和对照堆肥在16天和24天以后,挥发分的质量分数趋于稳定,在42%~39%之间,接种处理的有机物降解速率明显大于对照组,表明接种本发明实施例3制得的接种剂明显加速了有机物降解速率,加快了物料的稳定化进程。
采用实施例2、4制得的堆肥接种剂进行上述相同的实验,其实验结果均与实施例3的接种剂效果相似,说明本发明提供的堆肥接种剂能够快速启动堆体发酵,使堆肥快速进入高温期,加速了有机物降解速率,加快了物料的稳定化进程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Figure IDA00001711259700011

Claims (9)

1.一株嗜热地芽孢杆菌(Geobacillus sp.)菌株UTM02,其保藏编号为CGMCC No.5642。
2.含有权利要求1所述嗜热地芽孢杆菌UTM02的菌剂。
3.权利要求1所述的嗜热地芽孢杆菌UTM02或其发酵产物或权利要求2所述的菌剂在堆肥中的应用。
4.权利要求1所述的嗜热地芽孢杆菌UTM02或其发酵产物或权利要求2所述的菌剂在制备堆肥接种剂中的应用。
5.一种制备堆肥接种剂的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)菌种斜面活化:取权利要求1所述嗜热地芽孢杆菌菌株UTM02的菌种在培养基上活化,培养至形成丰厚菌落或菌苔,活化条件为60-70℃;
2)向培养液中添加腐熟污泥堆肥水浸提液,灭菌冷却后,接种活化的UTM02菌种,振荡培养得到UTM02菌种种子液;
3)将步骤2)制得的种子液接种灭菌培养液中进行发酵培养,得到发酵种子液;
4)制备接种剂,选有机废弃物湿基为主料,有机废弃物干基为辅料,混合,添加碳源,混匀后进行堆置发酵,期间加入步骤3)制得的发酵种子液,继续堆置发酵;所述的有机废弃物湿基为畜禽粪便、市政污泥中的一种或多种;所述有机废弃物干基为木屑、花生壳粉、糠醛、糖渣中的一种或多种;所述碳源为红糖或糖蜜。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤2)是按5%-10%体积比向培养液添加浸提比1:5-20的腐熟污泥堆肥水浸提液,灭菌冷却至45-55℃,接种活化的UTM02菌种,在65-70℃下振荡培养1-3天,振荡频率150-200rpm;所述培养液配方是:牛肉膏3-5g,蛋白胨10g,氯化钠3-5g,水1000ml,pH 7.2-7.4。
7.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤3)是将步骤2)得到的种子液按3%-10%体积比接入装有已灭菌培养液的种子罐中,温度65℃-70℃,间隔3-6小时通气10-30分钟,通气量体积比0.5~1.5:1,150-200rpm搅拌,培养2-5天。
8.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤4)混合湿基和干基使碳氮比在20-30:1;按堆肥总重量0.1%-0.5%添加碳源,并保持含水率在50%-65%。
9.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤4)所述的堆置发酵方法是,堆置开始的6-24小时内不通风,之后进行强制通风,间隔1-3小时鼓风20-40min,通风量为0.03-0.06m3/(min·m3),并每天监测堆温的变化,待堆肥达到45℃-55℃时,通风量为0.08-0.20m3/(min·m3),当堆体中心温度达到70℃时,取相当于堆料重量0.1%-0.5%的发酵种子液用玉米粉或麦麸吸附后均匀散撒在堆体表面后,进行翻堆,继续堆置5-10天,期间翻堆1-3次,出料前2-4天搅拌1次,取出物料进行陈化风干,使含水率下降至30%以下,所得陈化料进行筛分后即为接种剂。
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