本发明属于微生物技术领域，具体涉及一种秸秆低温降解酸化菌剂，本发明还涉及一种秸秆低温降解酸化菌剂的制备方法及其应用。
背景技术：
沼气作为具有温室气体负净排放效应的可再生能源，在现代能源中占有重要地位。废弃物通过沼气发酵进一步制备生物天然气，不仅可以解决废弃物的污染问题，同时可以在一定程度上应对化石能源短缺的问题。秸秆等木质纤维素材料已成为沼气生产的主要原料，在欧洲，甚至出现了用于沼气生产的能源作物种植业。但是北方寒区低温是沼气发酵的瓶颈因素，抑制了沼气产业的应用与推广。因此，在低温下秸秆酸化预处理成为低温秸秆沼气发酵的关键。
目前已经报道的秸秆预处理方法有多种，主要为物理、化学和生物方法。生物预处理技术因其低成本、低能耗、环境友好，不需使用化学品等优势，近年来引起了研究人员和工程技术人员的关注，但其仍存在如下一些问题：预处理过程中，降解对象秸秆产生有机酸的含量不明确。目前的文献和专利中已报道的预处理菌剂主要是针对秸秆的木质纤维素成分降解，并没有明确秸秆成分降解后产生的挥发性有机酸的成分，预处理之后虽然打破了秸秆的结构但是可溶性物质转化的成分并未考虑，导致预处理后沼气发酵过程中效果不佳，尤其是在低温条件下产沼气效率低。
技术实现要素：
本发明提供的一种秸秆低温降解酸化菌剂，解决了低温下秸秆降解产沼效率低的问题。
本发明的第一个目的是提供一种秸秆低温降解酸化菌剂，包括菌株和吸附载体，所述菌株包括：互氧菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌；
其中，所述互氧菌的菌落数：所述产纤维二糖梭菌的菌落数：所述木聚糖梭菌的菌落数：所述蜡状芽孢杆菌的菌落数为33～36:33～36:18～25:5～15；
所述吸附载体由麦饭石和秸秆粉混合制备而成，且所述秸秆低温降解酸化菌剂中的有效活菌总数与所述吸附载体质量的配比为1×105-1×106个:1g吸附载体。
优选的，所述互氧菌的菌落数：所述产纤维二糖梭菌的菌落数：所述木聚糖梭菌的菌落数：所述蜡状芽孢杆菌的菌落数为33:33:18:5。
优选的，所述互氧菌的菌落数：所述产纤维二糖梭菌的菌落数：所述木聚糖梭菌的菌落数：所述蜡状芽孢杆菌的菌落数为35:35:20:10。
优选的，所述互氧菌的菌落数：所述产纤维二糖梭菌的菌落数：所述木聚糖梭菌的菌落数：所述蜡状芽孢杆菌的菌落数为36:36:25:15。
优选的，所述互氧菌、所述产纤维二糖梭菌、所述木聚糖梭菌、所述蜡状芽孢杆菌的有效活菌数均为109个/mL以上。
优选的，所述秸秆低温降解酸化菌剂中的有效活菌总数与所述吸附载体质量的配比为2×105个:1g吸附载体。
优选的，所述吸附载体由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成。
本发明的第二个目的是提供一种秸秆低温降解酸化菌剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将互氧菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到互氧菌发酵液，并记录互氧菌发酵液中互氧菌的菌落数；
将产纤维二糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到产纤维二糖梭菌发酵液，并记录产纤维二糖梭菌发酵液中产纤维二糖梭菌的菌落数；
将木聚糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到木聚糖梭菌发酵液，并记录木聚糖梭菌发酵液中木聚糖梭菌的菌落数；
将蜡状芽孢杆菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到蜡状芽孢杆菌发酵液，并记录蜡状芽孢杆菌发酵液中的蜡状芽孢杆菌的菌落数；
其中，每升所述蛋白胨纤维素培养液改良培养基中包含下述组分：蛋白胨5g，酵母提取物1g，NaCl 5g，K2HPO41g，MgSO4.7H2O 0.55g，CaCO33g，水1000mL，制备出的蛋白胨纤维素培养液改良培养基的pH值为6.2；
步骤2，按照互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为33～36:33～36:18～25:5～15的比例混合均匀，得到低温秸秆降解酸化菌系；
步骤3，按照低温秸秆降解酸化菌剂中有效活菌总数：吸附载体质量比为1×105-1×106个:1g吸附载体的比例，往步骤2中的低温秸秆降解酸化菌系中添加由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成的吸附载体，混匀，得到固体型菌剂。
本发明的第三个目的是提供一种秸秆低温降解酸化菌剂在低温降解玉米秸秆中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供一种秸秆低温降解酸化菌剂，该菌剂为兼性厌氧细菌复合系，能够在低温条件下快速分解纤维素和半纤维素，并将其降解为乙酸，且产生的乙酸能够得到较为准确的计量，从而能够进一步准确的计量降解率和产气率。
2)本发明提供的低温降解酸化菌剂中各细菌生存能力强，能够在低温条件下，在酸化反应器或酸化反应池的各个部位有效的将秸秆中的纤维素和半纤维素降解为乙酸，从而提高了秸秆低温降解的效率，为秸秆沼气发酵提供了关键的预处理技术。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明中所用菌株均购买于中国农业微生物菌种保藏管理中心，下述各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
一种秸秆低温降解酸化菌剂，包括菌株和吸附载体，菌株包括：互氧菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌；
其中，互氧菌如互氧单胞菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌的有效活菌数均为109个/mL以上，并且，互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为33:33:18:5；
吸附载体由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成，并且秸秆低温降解酸化菌剂中的有效活菌总数与吸附载体质量的配比为1×106个:1g吸附载体。
具体实施步骤如下：
步骤1，将互氧菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到互氧菌发酵液，并记录互氧菌发酵液中互氧菌的菌落数；
将产纤维二糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到产纤维二糖梭菌发酵液，并记录产纤维二糖梭菌发酵液中产纤维二糖梭菌的菌落数；
将木聚糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到木聚糖梭菌发酵液，并记录木聚糖梭菌发酵液中木聚糖梭菌的菌落数；
将蜡状芽孢杆菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到蜡状芽孢杆菌发酵液，并记录蜡状芽孢杆菌发酵液中的蜡状芽孢杆菌的菌落数；
其中，每升蛋白胨纤维素培养液改良培养基中包含下述组分：蛋白胨5g，酵母提取物1g，NaCl 5g，K2HPO41g，MgSO4.7H2O 0.55g，CaCO33g，水1000mL；并且蛋白胨纤维素培养液改良培养基的pH值为6.2；
步骤2，按照互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为33:33:18:5的比例混合均匀，得到低温秸秆降解酸化菌系；
步骤3，按照低温秸秆降解酸化菌剂中有效活菌总数：吸附载体质量比为1×105-1×106个:1g吸附载体的比例，往步骤2中的低温秸秆降解酸化菌系中添加由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成的吸附载体，混匀，得到固体型菌剂。
实施例2
一种秸秆低温降解酸化菌剂，包括菌株和吸附载体，菌株包括：互氧菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌；
其中，互氧菌如互氧单胞菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌的有效活菌数均为109个/mL以上，并且，互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为35:35:20:10；
吸附载体由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成，且秸秆低温降解酸化菌剂中的有效活菌总数与吸附载体质量的配比为2×105个:1g吸附载体。
具体实施步骤如下：
步骤1，将互氧菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到互氧菌发酵液，并记录互氧菌发酵液中互氧菌的菌落数；
将产纤维二糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到产纤维二糖梭菌发酵液，并记录产纤维二糖梭菌发酵液中产纤维二糖梭菌的菌落数；
将木聚糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到木聚糖梭菌发酵液，并记录木聚糖梭菌发酵液中木聚糖梭菌的菌落数；
将蜡状芽孢杆菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到蜡状芽孢杆菌发酵液，并记录蜡状芽孢杆菌发酵液中的蜡状芽孢杆菌的菌落数；
其中，每升蛋白胨纤维素培养液改良培养基中包含下述组分：蛋白胨5g，酵母提取物1g，NaCl 5g，K2HPO41g，MgSO4.7H2O 0.55g，CaCO33g，水1000mL；并且蛋白胨纤维素培养液改良培养基的pH值为6.2；
步骤2，按照互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为35:35:20:10的比例混合均匀，得到低温秸秆降解酸化菌系；
步骤3，按照低温秸秆降解酸化菌剂中有效活总菌数：吸附载体质量比为1×105-1×106个:1g吸附载体的比例，往步骤2中的低温秸秆降解酸化菌系中添加由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成的吸附载体，混匀，得到固体型菌剂。
实施例3
一种秸秆低温降解酸化菌剂，包括菌株和吸附载体，菌株包括：互氧菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌；
其中，互氧菌如互氧单胞菌、产纤维二糖梭菌、木聚糖梭菌、蜡状芽孢杆菌的有效活菌数均为109个/mL以上，并且，互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为36:36:25:15；
吸附载体由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成，且秸秆低温降解酸化菌剂中的有效活菌总数与吸附载体质量的配比为1×105个:1g吸附载体。
具体实施步骤如下：
步骤1，将互氧菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到互氧菌发酵液，并记录互氧菌发酵液中互氧菌的菌落数；
将产纤维二糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到产纤维二糖梭菌发酵液，并记录产纤维二糖梭菌发酵液中产纤维二糖梭菌的菌落数；
将木聚糖梭菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到木聚糖梭菌发酵液，并记录木聚糖梭菌发酵液中木聚糖梭菌的菌落数；
将蜡状芽孢杆菌接种于蛋白胨纤维素培养液改良培养基中，在15℃下静置培养3d，得到蜡状芽孢杆菌发酵液，并记录蜡状芽孢杆菌发酵液中的蜡状芽孢杆菌的菌落数；
其中，每升蛋白胨纤维素培养液改良培养基中包含下述组分：蛋白胨5g，酵母提取物1g，NaCl 5g，K2HPO41g，MgSO4.7H2O 0.55g，CaCO33g，水1000mL；并且蛋白胨纤维素培养液改良培养基的pH值为6.2；
步骤2，按照互氧菌的菌落数：产纤维二糖梭菌的菌落数：木聚糖梭菌的菌落数：蜡状芽孢杆菌的菌落数为36:36:25:15的比例混合均匀，得到低温秸秆降解酸化菌系；
步骤3，按照低温秸秆降解酸化菌剂中有效活菌总数：吸附载体质量比为1×105-1×106个:1g吸附载体的比例，往步骤2中的低温秸秆降解酸化菌系中添加由麦饭石和秸秆粉按质量比3:7混合而成的吸附载体，混匀，得到固体型菌剂。
下面结合秸秆低温降解酸化菌剂在低温降解玉米秸秆中的应用来对本发明的效果做进一步的说明。
一、利用实施例1-3的秸秆低温降解酸化菌剂对玉米秸秆厌氧发酵的酸化预处理
实验材料：玉米秸秆，秸秆低温降解酸化菌剂
实验设计：设置两个酸化池，设置运行温度为低温15℃，每个酸化池体积为1立方米，每个酸化池连续运行十个水力停留时间，同时保证其他实验条件相同。
实验(1)：不加秸秆降解酸化菌剂。
实验(2)：使用实施例1-3制备出的秸秆降解酸化菌剂。
实施方法：将玉米秸秆粉碎为3-5cm，每天进料玉米秸秆60Kg(以干重计)，按每立方米酸化池体积接种秸秆降解酸化菌剂35公斤，其余体积由自来水补充，水力停留时间为7天，连续运行15天后，经过3天的预处理，测量各项参数，具体实验结果见表1。
表1秸秆低温降解酸化菌剂对玉米秸秆厌氧发酵的酸化预处理结果
由表1可知，采用本发明提供的秸秆低温降解酸化菌剂在低温15℃降解秸秆时，在连续运行15天后，均能够使玉米秸秆的降解率达到60％以上，同时，每1800kg玉米秸秆降解后产生的挥发性有机酸中乙酸的含量达到25000mg/L以上，具有较高的降解效率和产气效率。在同样条件下，未使用低温秸秆降解酸化菌剂处理的玉米秸秆的降解率仅为20％，且同样质量的玉米秸秆降解后产生的挥发性有机酸中乙酸的含量仅为11423mg/L，远小于本发明秸秆低温降解酸化菌剂的降解效果。
一般来说，农作物秸秆速效养分低，其通常是由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物组成，其产气特点是分解速度较慢，产气周期较长，本发明通过秸秆低温降解酸化菌剂有效的破坏了秸秆中木质素、纤维素、半纤维素之间的紧密联系，提高了纤维素对酶的敏感性，并且将其中的大多数有机成分转化成了乙酸。由于乙酸是厌氧消化过程中极为重要的一个中间代谢产物，也是最重要的产甲烷前体物，大约有70％以上的甲烷是通过乙酸转化而成的，因此，降解产生的乙酸含量越高，则产生的甲烷量越高，即产生的沼气量也高。但是，乙酸产甲烷菌相对于其它类型的产甲烷菌而言，其代谢和生长速率缓慢，是沼气发酵的限速步骤，尤其北方寒区低温是沼气发酵的瓶颈因素，抑制了沼气产业的应用与推广。本发明提供的秸秆低温降解酸化菌剂能够在低温下快速降解木质纤维素成分，并快速将其转化为乙酸，从而提高其产气效率。
二、利用实施例1-3的秸秆低温降解酸化菌剂对玉米秸秆和牛粪厌氧发酵的共酸化预处理
实验材料：玉米秸秆，牛粪，秸秆降解酸化菌剂
实验设计：设置两个酸化池，设置运行温度为15℃，每个酸化池体积为1立方米，每个酸化池连续运行十个水力停留时间，同时保证其他实验条件相同。
实验(1)：不加秸秆降解酸化菌剂。
实验(2)：使用实施例1-3制备出的秸秆降解酸化菌剂。
实施方法：将玉米秸秆粉碎为3-5cm，每天进料玉米秸秆40Kg(以干重计)，牛粪20Kg(以干重计)，按每立方米酸化池体积接种秸秆降解酸化菌剂30公斤，其余体积由自来水补充，水力停留时间为7天，连连续运行15天后，经过3天的预处理，测量各项相关参数，具体实验结果见表2。
表2秸秆低温降解酸化菌剂对玉米秸秆和牛粪厌氧发酵的共酸化预处理结果
由表2可知，采用本发明提供的秸秆低温降解酸化菌剂在低温15℃降解秸秆和牛粪的混合物料时，在连续运行15天后，均能够使玉米秸秆的降解率达到68％以上，同时，每1200kg玉米秸秆降解后产生的挥发性有机酸中乙酸的含量达到20000mg/L以上，具有较高的降解效率和产气效率。在同样条件下，未使用低温秸秆降解酸化菌剂处理的玉米秸秆的降解率仅为20％，且同样质量的玉米秸秆降解后产生的挥发性有机酸中乙酸的含量仅为15600mg/L，小于本发明秸秆低温降解酸化菌剂的降解效果。
在本发明中，添加牛粪可以调节酸化过程中的C/N比，从而为酸化菌剂中各细菌提供充足的养分，保持其较强的活性，从而提高酸化效率。通过对比秸秆低温降解酸化菌剂对玉米秸秆厌氧发酵的酸化预处理可知，添加牛粪后使用秸秆低温降解酸化菌剂降解秸秆的降解率最高能达到72％，较不添加牛粪仅使用秸秆低温降解酸化菌剂的降解率高。但是在不使用秸秆低温降解酸化菌剂时，添加牛粪如否对秸秆的低温降解基本没有影响，其解率率保持20％不变。另一方面，添加牛粪能提高产气效率，添加牛粪后使用秸秆低温降解酸化菌剂降解秸秆的产气效率最高能达到0.75，而未添加秸秆低温降解酸化菌剂的产气效率仅为0.4。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。