一种秸秆的预处理方法以及包含经预处理后秸秆的修复剂与流程
本发明涉及一种秸秆的预处理方法以及包含经预处理后秸秆的修复剂，属于生物技术领域。
背景技术：
土传病害是由于土壤中病原物侵染寄主植物所引起的一类植物病害。通常作物栽培3-5年后土传真菌和根结线虫危害会越来越重，对作物的产量和品质造成严重的影响。一般可以造成减产20％-40％，严重的可减产60％以上甚至绝收。我国是农业大国，近年来随着农业结构的调整和农村经济的快速发展，我国设施农业蓬勃发展，保护地蔬菜面积已超过约230万公顷，高附加值作物和种苗种植面积超过500万公顷，保护地蔬菜栽培和生产己成为农业经济的重要部分。但是由于大棚生产栽培品种单一，复种指数高，再加上温室大棚特殊的环境条件和管理模式，随着栽培时间的延长，土传植物病害发生严重，农作物产量下降，品质变差，严重影响了保护地栽培的可持续发展。特别是近年来，由于温室大棚及其相关设施日益完善，保护地栽培已经进入了稳定的规模化生产阶段，农户因为市场需求和土地资源的紧张，越来越多地进行高附加值产品的连续化生产，农作物轮作期限大大缩短，这更为植物土传病害在温室大棚的发生创造了适宜的生态环境和滋生条件。由于缺乏有效的技术防治，致使温室大棚产生的经济利益逐年下降。
引起植物土传病害的主要病原真菌有镰孢菌(fusariumspp.)、立枯丝核菌（rhizoetoniaspp.）和灰葡萄孢菌（botrytiscinerea）等。这些土传病原菌可以在土壤或植物残体上习居存活多年，难以清除，造成防治困难，一旦温度、湿度等条件合适时就会侵染寄主，引发枯萎病、根腐病、立枯病、灰霉病等农作物常见病和多发病害。特别是在冬季连续阴天、高湿情况下，植株一旦发病，田间发病率可以达25％-65％，严重的田块达75％-85％，甚至全部毁灭。给菜农造成重大经济损失。同时，由于温室大棚连茬种植，使得棚内土壤理化性质和环境条件发生变化，一些有益微生物的生长受到抑制，而有害微生物迅速繁殖，土壤微生态平衡遭到破坏。而病害的频繁发生，又导致菜农频繁使用化学农药来防治，这又使土壤中农药残留大幅增加，形成恶性循环。我们采用多点取样的方法，在同一地块的温室大棚内和大棚外分别采取土壤样品，通过实验室培养、检测得出如下结果：
温室大棚内土壤和棚外土壤生物捡测结果
由上表可见：棚内土壤中，土传病原菌数量是棚外的3.2倍，其他微生物如细菌量减少了7.8倍，真菌量减少2倍，放线菌减少5倍，农药残留量却比棚外高了6.7倍。可见重茬种植使棚内土壤中的病原菌大量孳生繁殖，导致其他有益微生物数量降低，严重破坏了土壤微生态平衡；同时土传病原菌的大量存在，也易引发蔬菜病害的频繁发生，而菜农频繁的喷药防治，又增加了土壤和蔬菜中的农药残留量。
由于土传病害一旦发生就很难根治，因此在作物定植前也可对土壤进行消毒处理，从而杀灭土壤中的植物病原菌。溴甲烷(methylbromide,mb)是使用广泛、效果较好的熏蒸剂，可有效杀灭土壤中的真菌、细菌、土传病毒、线虫等。但溴甲烷是破坏臭氧层物质，因此被《蒙特利尔议定书》列为受控物质，在2015年后已禁止使用。
生物防治是用拮抗微生物防治植物土传病害的一种经济、安全、有效地防治方法，前景广阔。生物防治已有60多年历史，并取得了一定的成果。近年来土传病害的生物防治在许多方面取得了重大进展，有些生防材料的商品化制剂己在有些国家开始出售，其中以木霉为主成分的杀菌剂己经至少在6个国家注册。目前国外防治温室大棚土传病害的微生物农药有80多种。其中新西兰生产的用来防治植物土传病害的木霉产品有5种；美国生产了绿粘帚产品用于防治丝核菌引起的立枯病；我国也研制了一些生物农药，如防治青枯病的青枯散等。但由于生物农药生产及使用成本较化学农药高几倍、甚至十几倍，限制了生物农药的推广和使用。
我国是农业大国，秸秆资源丰富，每年秸秆产量约6一7亿吨，其中玉米秸秆3-4亿吨，占比达到50％左右。玉米秸秆作为廉价的可再生性生物质资源，可谓来源丰富。当前，秸秆的利用率仅为30％，大量农作物秸秆被废弃，甚至被露天焚烧，导致空气污染和资源浪费。玉米秸秆主要基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。其中纤维素约占32％、半纤维素为27.8％。纤维素是由葡萄糖基结构单元通过β-1，4-糖苷键连接形成的线性高分子聚合物，线性聚合物通过氢键和范德华作用力结合形成的具有晶体结构的纤维束。纤维素、半纤维素和木质素相互交织、连接形成了致密顽固的三维网状空间结构，以及纤维素自身所具有的结晶结构，从而导致秸秆中的可发酵碳水化合物组分很难被微生物直接代谢利用，需要先进行预处理脱除木质素或半纤维素，破坏纤维素的结晶结构。在酸、碱等作用下，可脱除木质纤维素中的半纤维素以及木质素，打破纤维素的结晶结构，为后续纤维素发酵过程提供适宜的底物。但传统的酸、碱预处理过程，会产生大量的废水，面临着环境污染严重、处理成本较高等问题。
技术实现要素：
本发明针对上述缺陷，目的在于提供一种能有效的对秸秆进行预处理，使其内含的可发酵碳水化合物被微生物利用，且得到一种能具备很好土壤修复能力的一种秸秆的预处理方法以及包含经预处理后秸秆的修复剂。
为此本发明采用的技术方案是：一种秸秆的预处理方法，采用一级预处理方式进行秸秆处理，以fecl3为催化剂，jfc-m溶液为高温渗透剂。
按照以下具体步骤进行：
1）取20-21g干燥玉米秸秆样品和400-410ml去离子水，加入催化剂fecl31.0-1.1g；加入高温渗透剂jfc-m溶液20ml-21ml，混合后加入到反应釜中，并密封反应釜；
2）打开磁力搅拌装置的冷却水阀，先行冷却，避免高温导致磁力搅拌器消磁；
3）将磁力搅拌器的转速调至260-280r/min，打开电加热装置开关，开始加热；
4）水热预处理：当温度160-165℃，恒温保持时间25-26min，进行水解，分离玉米秸秆中的半纤维素组分，脱除木质素，预处理反应结束后，进行固液分离，固项物料送至固体发酵，液项返回级预处理当做水继续使用；
上述各组分的比例可同比例放大或缩小。
所述jfc-m溶液浓度为6mg/ml。
一种土壤修复剂，采用所述处理过的秸秆作为原料，还包括有木霉菌tg31-6；
所述tg31-6分离筛选按照以下方式进行：在100ml含多菌灵浓度为200mg/l的富集培养液中分别加入10g土样，30℃摇床培养3d后，吸取5ml转接至多菌灵浓度为400mg/l富集培养液中，培养3d，依次连续富集、转接5次，使多菌灵浓度依次为200、400、500、600和800mg/l。富集完毕后，取培养液均匀涂布于相同浓度的多菌灵分离纯化培养基平板上，30℃培养箱中培养，待平板上出现单菌落后，挑取较大单菌落转接至pb培养基上，反复纯化，最终筛选出降解菌tg31-6。经过实验室初步鉴别为绿色木霉；
其中无机盐培养基（g/l）：k2hpo45.71,kh2po41.70,(nh4)2so42.63,mgso4·7h2o0.095,mnso40.05,feso40.05,cacl20.003,水1000,ph=7.0；
富集培养基:无机盐培养基加入多菌灵(多菌灵先用少量稀盐酸溶解设5个浓度梯度,分别为200mg、400mg、500mg、600mg、800mg)；
分离培养基（g/l）：牛肉膏5.0，蛋白胨10.0，nacl5.0，琼脂20。
一种土壤修复剂，具体按照以下步骤进行：
1）液体发酵：
液体培养基：土豆浸出液8-10ml，（nh4）2so40.2g-0.4g，k2hpo40.2g-0.3g，cac031g，补加水至100ml，调ph6-6.5；用上述物质配成培养液100ml，高压灭菌20-30分钟，冷却后接入已活化好的木霉菌tg31-6，于25-28℃、200转/分钟震荡培养，用分光光度计测量od600值达到0.30-0.35停止液体发酵，发酵液作为种子液备用；
2）固体发酵：
固体培养基：已预处理的玉米秸秆粉10-11g，麸皮1-2g，葡萄糖0.8-0.9g，（nh4）2so40.2-0.4g,kh2po40.1-0.2g，mgs04·7h200.08-0.1g，水100ml，调ph6-6.5；先用水把葡萄糖和无机盐溶解后，再与玉米秸秆粉、麸皮搅拌均匀，用稀酸液调节溶液ph值为5-5.5，高压灭菌30分钟，冷却后接入上述tg31-6种子液100-130ml，同时加入10fpu/g底物的纤维素酶，搅拌均匀，放在25-28℃恒温培养箱中培养80-90小时，用血球计数板测量固体发酵物的产孢量达到1015/g，即可结束固体混菌发酵出料，常温风干或使用真空干燥器控制温度43-45℃干燥，即可得到生物修复剂。
本发明的优点是：本发明开发了一级水热预处理工艺。高温液态水能够自电离产生h3o+，离子积常数增大，介电常数降低，用于预处理木质纤维素能够有效水解半纤维素，破坏木质纤维素致密的结构，活化纤维素，从而提高纤维素酶的可及度。水热预处理玉米秸秆，能够有效的水解玉米秸秆中的半纤维素，降解少量木质素，破坏纤维素的结晶结构，从而提高玉米秸秆中纤维素在酶解糖化过程中的效率。经过处理的纤维素能够通过纤维素酶降解生成其组成单元葡萄糖，葡萄糖可以作为碳源而被微生物更好地利用。
本发明研制的土壤生物修复剂，它既能有效抑制土壤中的土传病原菌，提高有益微生物数量，修复被破坏的生态环境；又可生物降解土壤中的农药残留，使生产的农产品达到绿色食品标准。这就从根本上解决温室大棚产生的作物发病率越来越高，产品中的农药残留量越来越高，而农产品产量和品质却逐年下降问题。
附图说明
图1为本发明tg31-6菌株对五种不同化学农药的降解率柱图。
图2为处理多菌灵2d的培养液采用hplc-ms分析，结果出现4个峰的图形。
图3、4、5、6为本发明的质谱图。
图7为对12-8菌株处理多菌灵5d的培养液进行分析时的图形。
具体实施方式
下面对本发明作出进一步详细的说明：
一、秸秆预处理
1、水热预处理优点
针对玉米秸秆结构致密、难于直接被酶水解的特点,目前均采用稀酸、氨水/稀酸、氢氧化钠等方法对玉米秸秆进行预处理。预处理的目的就是降解脱除木质纤维素中的半纤维素以及木质素，打破纤维素的结晶结构，为后续纤维素的酶解、发酵过程提供适宜的底物。但传统的酸、碱预处理过程，会产生大量的废水，面临着环境污染严重、处理成本较高等问题。本成果开发了一级热水预处理工艺。其优点：
（1）水热预处理技术对环境友好，更加经济、绿色、清洁、环保。
（2）预处理液循环回用技术可提高预处理液的酸度，强化玉米秸秆原料水热预处理的效果，此过程无需额外添加化学试剂，不会对产品分离等后续工艺造成负担。且将预处理液回用能降低过程能耗和工艺废水的排放。
（3）fe3+对半纤维素的溶出率有很强烈的催化作用，可大幅提高酶水解转化率和葡萄糖得率，和未添加fecl3时对比,分别提高了酶水解转化率和葡萄糖得率为48.6%和66.5%。预处理温度由未加的180℃、处理时间30min，下降为160℃,20min，可降低能源消耗和处理成本。因为预处理温度过高，纤维素在预处理过程中损失严重，从而导致酶解过程中葡萄糖的收率下降。够获得较高的葡萄糖收率，控制纤维素在预处理过程中的降解损失是非常有必要的。水热预处理能够有效水解分离玉米秸秆中的半纤维素成分，同时较好的保护纤维素组分不受损失，尤其在较低的预处理温度和较短的预处理时间条件下，能够较好的保护纤维素的完整性，提高木霉分生孢子产量。
（4）高温渗透剂jfc-m的加入，利于热水及催化剂fe3+渗透纤维素的结晶结构，更好地脱除半纤维素及木质素。分析认为：jfc-m是聚氧乙烯醚化合物，由于醚基和热水自电离产生h3o+和fe3+通过范德华力等相互作用，有利于热水和催化剂渗透到致密的纤维结晶结构，大幅提高半纤维素和木质素的脱除率。可使文献中的二级预处理工艺，简化成一级。简化了工艺流程，提高可劳动生产率、降低了设备投资及能源消耗。
2、水热处理工艺
玉米秸秆原料自然风干后，通过物料粉碎机将风干的玉米秸秆粉碎、筛分，筛选出粒径约40目的部分，放入真空干燥箱中，在温度为105℃条件下干燥，将干燥后的秸秆原料置于干燥器中储备备用。
玉米秸秆水热预处理具体实验步骤如下：
（1）预处理实验采用的固液比为5%（wt），即取20-21g干燥玉米秸秆样品和400-410ml去离子水，加入催化剂fecl31.0-1.1g；加入高温渗透剂jfc-m溶液20ml-21ml（浓度为6mg/ml的jfc-m溶液），混合后加入到1000ml的反应釜中，并密封反应釜。
（2）首先打开磁力搅拌装置的冷却水阀，先行冷却，避免高温导致磁力搅拌器消磁。
（3）依次打开实验装置的总电源、控制器电源、显示器电源，设定预处理目标温度，将磁力搅拌器的转速调至260-280r/min，打开电加热装置开关，开始加热。
（4）水热预处理：当温度160-165℃，恒温保持时间25-26min，进行水解，分离玉米秸秆中的半纤维素组分，脱除木质素，使秸秆结构变得疏松，预处理反应结束后，通过布氏漏斗进行固液分离，固项物料送至固体发酵；液项返回级预处理当做水继续使用。
（5）在上述相同条件下，作不加jfc-m的二级水热预处理试验：
第一级预处理：当温度180℃，恒温保持时间30min，进行水解，预处理反应结束后，通过布氏漏斗进行固液分离，固体相进行第二级水热预处理；液项返回第一级预处理当做水继续使用。
第二级预处理：一级处理后的固体20-21g，400-410ml去离子水，混合后加入到1000ml的反应釜中，并密封反应釜。当温度达到200℃时，恒温30min，二级水热预处理反应结束后，将物料通过布氏漏斗进行固液分离，固项底物送至酶解装置。
（6）预处理反应结束时，关闭电加热装置开关，停止加热，打开冷却水给反应釜降温，当反应釜温度降到30℃时，关闭冷却水。
其中高温渗透剂jfc-m溶液配制：
配制浓度为6mg/ml的jfc-m溶液：称取1.2g(精确至o.ooolg)jfc-m，溶于200ml水(加热),摇匀,待用。
3.结果分析
把经过一级预处理和经过二级处理后的秸秆取样，在相同条件下酶解。用高速液相色谱分析酶解液中葡萄糖的收率，结果如下表：
由上表可见：加入高温渗透剂jfc-m后，不仅处理温度下降，处理时间由原来的1小时缩短为25分钟，而且，把繁琐的二级工艺，简化为一级处理工艺，既降低设备投资，还提高了劳动生产率、降低了能源消耗和处理成本。而且，通过一级处理后的葡萄糖收率还比二级处理的高10.1%。分析认为：加入由于jfc-m是聚氧乙烯醚化合物，
经过水热预处理后，玉米秸秆固体发酵的物料中，木霉分生孢子产量由原来的1010/g，提高到1015/g。减少了产品的运输和包装成本。同时，玉米秸秆的利用率由原来的5%，提高到15-20%，提高了原料的利用率，节约了资源，提高了劳动生产率，降低了生产成本。
二、高温渗透剂筛选：
按上述方法，同时做高温渗透剂jfc-4、aep980ep-98对比试验。
用高速液相色谱分析酶解液中葡萄糖的收率，结果如下表：
由此可以得出采用高温渗透剂jfc-m的葡萄糖收率明显高于aep980ep-98、jfc-4的收率，因此本发明选用jfc-m为高温渗透剂。
三、液、固体发酵
土壤复合生物修复剂的方法，按以下步骤进行：
1液体发酵：
液体培养基：土豆浸出液8-10ml,（nh4）2so40.2g-0.4g，k2hpo40.2g-0.3g，cac031g，补加水至100ml，调ph6-6.5；用上述物质配成培养液100ml，高压灭菌20-30分钟，冷却后接入已活化好的木霉菌tg31-6，于25-28℃、200转/分钟震荡培养,用分光光度计测量od600值达到0.30-0.35停止液体发酵，发酵液作为种子液备用；
2固体发酵：
固体培养基：已预处理的玉米秸秆粉10-11g，麸皮1-2g，葡萄糖0.8-0.9g，（nh4）2so40.2-0.4g,kh2po40.1-0.2g，mgs04·7h200.08-0.1g，水100ml，调ph6-6.5；先用水把葡萄糖和无机盐溶解后，再与玉米秸秆粉、麸皮搅拌均匀，用稀酸液调节溶液ph值为5-5.5，高压灭菌30分钟，冷却后接入上述tg31-6种子液100-130ml，同时加入10fpu/g底物的纤维素酶，搅拌均匀，放在25-28℃恒温培养箱中培养80-90小时，用血球计数板测量固体发酵物的产孢量达到1015/g，即可结束固体混菌发酵出料，常温风干或使用真空干燥器控制温度43-45℃左右干燥，即可得到生物修复剂。
tg31-6的分离筛选:土样：取自江苏靖江农药厂仓库被多菌灵等农药长期污染的土壤；
多菌灵标准品（纯度99.1％）：由山东化扬科技股份有限公司提供。
纤维素酶活是以滤纸酶活(filterpaperactivity)定义的。即1单位的酶活(filterpaperunit,fpu).是以whatmanno.l滤纸为底物,在ph值5.50℃的条件下,每分钟内催化纤维素水解产生1μmol葡萄糖所用的酶量。实验前根据测试数据，计算出10fpu/g底物的纤维素酶的量。
木霉(trichodermasp.)tg31-6菌株，对病原真菌镰孢菌(fusariumspp.)、立枯丝核菌（rhizoetoniaspp.）和灰葡萄孢菌（botrytiscinerea）等多种土传病原菌具有良好抑制作用；其特征主要有：
1、对五种农药残留有良好的降解作用
该菌株在保持对多种病原菌有良好拮抗性同时，对速克灵、多菌灵等氨基甲酸甲酯类化学农药残留有显著的降解效果，降解率达80-95%，可显著降解土壤中的农药残留，使生产的蔬菜等农产品有害残留大幅降低，达到绿色食品标准，
在土壤中，人工接种该修复剂，接种量为0.3g/kg干土，含水量15％，加入多菌灵、速克灵，粉锈宁，克菌丹，甲霜灵，浓度为100mg/kg干土。把盆土放入人工环境培养箱，在温度25℃、湿度85%下进行降解处理10-12d时，取样残留高速液相色谱检测，农药残留量。对这些农药的降解率达80-95%。
能对多种化学农药具有显著的将解效果，这一特性在目前国内外的研究中还没未见报道（见图1）。
2、对农药残留降解产物不产生二次污染，菌株tg31-6对多菌灵降解实验：
在无机盐培养基中加入100mg/l多菌灵,以5%接种量接入木霉)tg31-6种子液,于25℃、200r/min振荡培养。第2d，第5d分别取样1次,用hplc-ms检测培养液中多菌灵及代谢产物。
处理多菌灵2d的培养液采用hplc-ms分析，结果出现4个峰（图2），结合质谱图3、图4、图5、图6认为代谢产物分别为：2-氨基苯腈、2-氨基苯并咪唑、苯并咪唑和残留的多菌灵，保留时间分别为：1.41,1.81，2.42和3.14min。而在对12-8处理多菌灵5d的培养液进行分析时，却未检测出代谢产物和多菌灵（图7）。表明12-8菌株5d已完全降解100mg/l的多菌灵。
通过hplc-ms质谱联用仪分析，认为12-8菌株产生的酯酶首先使多菌灵氨基甲酸酯的酯键断裂，形成2-氨基苯并咪唑，进而继续转化成苯并咪唑、2-氨基苯腈，再通过单加氧酶或双加氧酶将氧原子加在苯环上形成羟基团导致开环，最终被彻底降解成二氧化碳和水，对环境不产生二次污染。
3、可生物防治5种土传植物病害：
该修复剂还可以防治农作物枯萎病、灰霉病和霜霉病等常见病和多发病害，生防效果达到80%以上，均优于化学农药防治效果。
取修复剂5g与2000g土壤混合后装入盆内；取2000g土壤装入盆内，用50%多菌灵可湿性粉剂500倍液15ml浇灌；取2000g土壤装入盆内作为对照。以上三盆分别移栽8株津青1号黄瓜苗。然后分别取15ml尖镰孢菌孢子悬浮液（105cfu/ml）灌根。每处理4盆，重复3次。于25℃保湿10d，调查瓜苗发病情况，计算发病率和对枯萎病的防治效果。依据上述方法分别用甲霜灵、粉锈宁和代森锰锌替代多菌灵；用灰葡萄孢菌、古巴假霜霉菌、单丝壳白粉菌、炭疽病病原菌葫芦科刺盘孢菌代替尖镰孢菌，用于防治灰霉病、霜霉病、白粉病和炭疽病。
发病率=感病株数/总株数×100％
防治效果=（对照发病率-用药发病率）/对照发病率×100％
防治效果防治结果见表1-5。
4、提高农作物产量：
使用本生物修复剂处理后，还可使农作物产量曾加15-30%。在种植黄瓜的温室大棚内，把本生物修复剂用玉米秸秆粉稀释到分生孢子为（108个/克），在黄瓜秧长到1.3米左右，随机选取100株，围绕黄瓜秧的根部（不要伤害根）挖10公分左右的坑，每株放置50克菌剂，然后用土壤填埋好。并选取旁边100株黄瓜，每株按上述方法放入50克秸秆粉作对照。在采摘黄瓜时统计20次的采摘量作为对照产量，实验结果见表6。
表6使用本修复剂处理和未处理的黄瓜产量统计结果
对土壤起到良好的修复效果，还能大幅提高大棚蔬菜的产量和经济效益。
5、改善土壤的微生态环境：
该修复剂还能增加土壤中有益微生物的数量，改善土壤的微生态环境。通过对温室大棚内被本生物修复剂处理过的土壤、棚内未处理的土壤以及温室大棚外的土壤进行多点取样，混合均匀后，分别称取10克土样，加入到100ml无菌水的三角瓶中，置于200r/min的要床上震荡30min混匀，作为母液。然后参照：农用微生物菌剂gb20287-2006中的平板计数法，分别检测土壤中的微生物数量，检测结果见表7。
表7温室大棚内处理土壤、未处理土壤和棚外土壤生物捡测结果
由上表可见：大棚土壤经过修复剂处理后，病原菌数、多菌灵残留量均大幅降低，而有益菌群大幅提高，各项指标与自然土壤非常接近，修复了被破坏的微生态环境。
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