, 徐俊平1, 窦森2,3
, 王楠1, 包岩1, 李玉玺1, 姚凯11. 吉林农业科技学院农学院, 吉林 132101;
2. 吉林农业大学资源与环境学院, 长春 130118;
3. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008
收稿日期: 2017-05-15; 修回日期: 2017-07-21; 录用日期: 2017-07-25
基金项目: 国家自然科学基金（No.41401251）
作者简介: 王帅(1982-), 男, 副教授(博士), E-mail:wangshuai419@126.com
通讯作者（责任作者）: 窦森, E-mail:dousen1959@126.com
摘要: 文章旨在探索巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、黑曲霉（Aspergillus niger）和灰色链霉菌（Streptomyces griseus）3种菌株、6种培养顺序在添加铁、铝、锰氧化物情况下对混有木质素白浆土腐殖质组成的差异影响.采用室内培养法，在针铁矿、三羟铝石和δ-MnO2参与条件下，通过6种菌株培养顺序的设置，探讨其对木质素白浆土混料腐殖质组成的影响.结果表明：基于针铁矿添加条件，在以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土腐殖化系数（CHA/CFA）的促进.而在针铁矿和δ-MnO2添加条件下，A.niger→S.griseus→B.megaterium的培养顺序更有利于白浆土胡敏酸（HA）向富里酸（FA）的转化.基于三羟铝石添加条件，灰色链霉菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土CHA/CFA的促进，而以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时可使CHA/CFA降低；除S.griseus→A.niger→B.megaterium外的5种菌株培养顺序，δ-MnO2均能有效促进白浆土HA的降解、使其分子结构更加简单；无论哪一菌株培养顺序，针铁矿均有利于微生物对混料胡敏素（Hu）的矿化，δ-MnO2可使混料总有机碳（TOC）发生较大程度矿化；与对照相比，δ-MnO2亦可促进微生物对混料水溶性物质（WSS）的消耗，且对可提取腐殖酸（HE）的形成有促进作用.
关键词:菌株培养顺序腐殖质组成铁铝锰氧化物木质素白浆土
Effects of different microbial culture sequences on the humic composition of Albic soil amended with Fe, Al, Mn oxide minerals
WANG Shuai1,2
, XU Junping1, DOU Sen2,3 , WANG Nan1, BAO Yan1, LI Yuxi1, YAO Kai1 1. College of Agricultural Sciences, Jilin Agricultural Science and Technology University, Jilin 132101;
2. College of Resources amd Environmental Sciences, Jilin Agricultural University, Changchun 130118;
3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008
Received 15 May 2017; received in revised from 21 July 2017; accepted 25 July 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41401251)
Biography: WANG Shuai(1982—), male, associate professor (Ph.D.), E-mail:wangshuai419@126.com
*Corresponding author: DOU Sen, E-mail:dousen1959@126.com
Abstract: The effects of six microbial culture sequences of three strains, containing Bacillus megaterium, Aspergillus niger and Streptomyces griseus, on the humic composition in Albic soil amended with lignin were systematically studied in this study based on the additions of Fe, Al, Mn oxide, such as goethite, bayerite and δ-MnO2. The results show that:the goethite could increase the humification coefficient (CHA/CFA ratio) of Albic soil to the highest degree when the B. megaterium served as inoculated in the period I. The culture sequence of A. niger→S. griseus→B. megaterium was more beneficial for the transformation of humic acid (HA) into fulvic acid (FA) in Albic soil added with δ-MnO2 and goethite. Under the existence of bayerite, the S. griseus was more beneficial to the improvement of CHA/CFA in Albic soil especially in the period I. However, the CHA/CFA ratio decreased in case that B. megaterium was inoculated in the period I. Based on the five microbial culture sequences except for S. griseus→A. niger→B. megaterium, the δ-MnO2 could effectively promote the degradation of HA extracted from the Albic soil and make their molecular structures tend to be much simpler. No matter which strain culture sequence, the goethite was beneficial to the microbial mineralization of Hu extracted from the mixture. The addition of δ-MnO2 could enhance the mineralization of total organic C (TOC) content of mixture to the greatest extent. Compared with the control treatment, the δ-MnO2 could also greatly promote the microbial consumption of water soluble substance (WSS) and the formation of humic-extracted acid (HE) extracted from the mixture.
Key words: microbial culture sequencehumic compositionFe, Al, Mn oxide mineralligninAlbic soil
1 引言(Introduction)作为陆地生态系统的中心枢纽, 土壤是由异质矿物成分构成的集合体, 其胶体与微粒成分均由矿物、有机质和微生物构成, 三者缺一不可且相互制约, 其相互作用控制着地球上一切的生物化学反应, 尤以矿物在催化腐殖质(Humic substances, HS)形成中的作用最为关键(Huang et al., 2005).
木质素降解与腐殖质形成关系密切, 众所周知, 木质素分解是一个氧化过程(席北斗等, 2002; 徐海娟等, 2000), 由于木质素的保护作用及其难降解特征使其成为制约农业固体废弃物资源化利用的主要障碍(黄红丽等, 2004), 因此加速木质素向腐殖质的转化成为沃土培肥工作的要点.作为腐殖质形成的重要途径之一, 木质素学说表明, 农业固体废弃物在土壤中历经腐殖化过程, 其木质素及相应降解产物如酚型化合物(Snchez-Monedero et al., 1999；Tuomela et al., 2002)、醌型化合物及脂肪族化合物是腐殖质形成的前体物质, 它们通过复杂的反应机制最终形成稳定的高分子物质——腐殖质.Tuomela等(2002)肯定了木质素降解与土壤HS形成之间的密切关系.在此过程, 矿物既可成为微生物生存附着的黏附界面, 又可成为胞外呼吸重要的电子受体来充当氧化剂(吴云当等, 2016), 因此, 矿物对木质素分解、腐殖质形成能够起到非生物催化作用, 此外, 矿物亦可加速酚类化合物的非生物聚合作用(Huang et al., 2005).结合木质素-蛋白质聚合学说和化学催化聚合学说, 木质素的分解产物(脂类、酚类和醌类化合物)能够与氨基酸等物质发生聚合进而形成腐殖质, 在此过程, 蒙脱石、伊利石和高岭石表面所吸附的铁、铝氧化物能够催化上述物质合成腐殖质(姚武, 2015).据报道, 在催化加速腐殖化进程方面, 人工合成的Mn(Ⅳ)-氧化物>Fe(Ⅲ)-氧化物>Al-氧化物>Si-氧化物(Shindo et al., 1984).而在促进总腐殖质聚合物数量方面(Chen et al., 2010；Wang et al., 2000), Fe(Ⅲ)-氧化物> Mn(Ⅳ)-氧化物> Al-氧化物>Si-氧化物>无催化剂.
此外, 微生物是木质素向腐殖质转化的驱动力, 尽管我们承认木质素完全降解是真菌、细菌及其微生物群落共同作用的结果, 但在木质素降解及向腐殖质转化过程中, 不同微生物类群所发挥的作用不一.其中, 真菌降解木质素主要发生在次生代谢阶段, 氧化反应在此过程占据主导地位.据Yavmetdinov等(2003)报道, 通过木质素降解及苯丙烷与氨基酸的共聚合作用可形成高分子质量混合物, 该混合物中含有与土壤腐殖质中类似的芳香结构.细菌降解木质素主要表现在初级代谢阶段, 在此过程其主要对木质素结构进行了改性, 使之增加水溶性并产生一种被修饰的、水溶的、酸可沉淀的多聚木质素, 据报道(Crawford et al., 1983), 该物质中含有大量的酚羟基, 其次为羧基, 这与腐殖质的含氧官能团相似, 可作为腐殖质形成的前体物质.席北斗等(2002)指出, 对木质素有降解能力的微生物主要是高温放线菌和真菌.李艳等(2016)指出, 微生物能促进混以玉米秸秆暗棕壤的腐殖化程度, 其中细菌的作用最小, 真菌和放线菌在此过程可作为重要的驱动者；Xi等(2015)研究认为, 多阶段接种微生物菌剂能显著提高堆肥腐熟阶段细菌的群落多样性, 加快堆肥的腐熟进程.
尽管上述研究对微生物驱动下木质素向腐殖质转化及铁铝锰氧化物参与腐殖化进程均有零星报道, 但对于不同氧化物参与条件, 不同菌株培养顺序对混以木质素白浆土腐殖质组成的差异影响尚未见系统报道.黑曲霉(Aspergillus niger, A. niger)是曲霉属的一种真菌, 在土壤中广泛存在, 其基因组中具有木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶及漆酶活性, 是自然界中能够分解纤维素等植物多糖的一类微生物, 在有机固体废弃物堆肥过程扮演重要角色(Gruji? et al., 2015)；链霉菌属(Streptomyces)是最高等的放线菌, 灰色链霉菌(Streptomyces griseus, S. griseus)具有典型的链霉菌特征, 是土壤习居菌, 可分泌木质素降解酶, 应用于高温堆肥(Kirby, 2005)；巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium, B. megaterium)属于芽孢杆菌属, 是一种具有解磷作用的土壤有益微生物, 其可通过降解木质素(Perestelo et al., 1989), 促进堆肥的腐熟过程(Xi et al., 2005).鉴于此, 本研究拟在恒温培养条件下, 以混有木质素的白浆土为供试对象, 通过A. niger、B. megaterium和S. griseus培养顺序的6种设置, 以SiO2为参照, 揭示针铁矿、三羟铝石和δ-MnO2对白浆土腐殖质组成的差异影响, 相关研究有助于阐明不同菌株培养顺序以及氧化物种类在腐殖质形成过程的影响机制, 为高效腐解以木质素为核心的农业固体废弃物提供理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 供试材料白浆土于2016年5月取自吉林农业科技学院北大地玉米试验田(126°28′48.66″ E, 43°57′34.85″ N), 经风干、粉碎后过0.25 mm筛.
针铁矿(Goethite, α-FeOOH)参照Atkinson等(1967)方法合成：称取Fe(NO3)3·9H2O 50 g于广口塑料瓶中, 加入825 mL蒸馏水使之溶解, 在不断搅拌下缓慢滴加2.5 mol·L-1 NaOH溶液至悬液pH 11.9, 60 ℃陈化48 h；δ-MnO2参照赵振华等(2003)的方法合成：取180 g MnSO4·H2O溶解到1500 mL浓度为29 mmol·L-1的H2SO4溶液中, 另取120 g KMnO4溶于1500 mL蒸馏水中, 在充分搅拌下将该溶液缓慢加入到MnSO4溶液中；三羟铝石(Bayerite, β-Al(OH)3)参照程东升等(2002)的方法合成：将0.18 mol·L-1 KOH溶液以3 mL·min-1的速度滴加到0.06 mol·L-1Al(NO3)3溶液中, 不断搅拌, 直到悬液达pH 9.0, 室温下老化30 d.上述经合成的铁、铝、锰氧化物均采用蒸馏水反复淋洗至中性、渗析后于60 ℃下烘干并磨细过0.1 mm筛.
木质素(リグニン)购于东京化成工业株式会社, CAS No. [9005-53-2], 二氧化硅(Silicon dioxide, SiO2)购于天津市科密欧化学试剂有限公司.
2.2 试验设计采用室内培养法进行, 准确称取18.5 g白浆土于100 mL锥形瓶中, 添加0.5 g木质素及1.0 g矿物粉末, 混合均匀后用蒸馏水将混料含水量调至田间持水量的80%, 塞好防菌棉塞, 用报纸包扎后进行高压蒸汽灭菌(121 ℃、20 min), 待灭菌彻底后, 在无菌条件下自然冷却.
供试3种氧化物种类为针铁矿(Goethite)、δ-MnO2(δ-Manganese dioxide)和三羟铝石(Bayerite), 分别用G、Md和B表示.以SiO2为空白对照, 用Sd表示.
3种供试菌株均从白浆土中筛选：细菌采用稀释平板法分离、划线法纯化、牛肉膏蛋白胨培养基扩培；放线菌采用稀释平板法分离、划线法纯化、高氏一号培养基扩培；真菌分离采用稀释平板法、纯化采用单孢子分离法、扩培采用马铃薯葡萄糖琼脂培养基进行.经由16S RNA鉴定, 3种菌株分别归属为芽孢菌属(Bacillus)中的巨大芽孢杆菌(B. megaterium)、链霉菌属(Streptomyces)中的灰色链霉菌(S. griseus)及曲霉属(Aspergillus)中的黑曲霉(A. niger).上述3种菌株悬液的制备方法如下：用少量无菌生理盐水将扩培好的单一菌株(或孢子)洗下, 倒入装有一定体积无菌生理盐水的锥形瓶中, 28 ℃条件下摇瓶培养30 min制成单一菌株悬液.用稀释平板法计算B. megaterium和S. griseus的菌落数, 分别为5.9×106 cfu·mL-1和6.0×109 cfu·mL-1, A. niger采用血球计数板计数孢子数量, 孢子数为68 cfu·mL-1.将3种单一菌株悬液按照不同排列组合方式可产生6种培养顺序, 具体见表 1, 基于每种矿物的菌株培养顺序均重复3次.
表 1(Table 1)
| 表 1 不同菌株培养顺序及所对应的代码 Table 1 Different microbial culture sequences and thier corresponding codes | ||||||||||||||||
表 1 不同菌株培养顺序及所对应的代码 Table 1 Different microbial culture sequences and thier corresponding codes
| ||||||||||||||||
 | ||||||||||||||||
在无菌操作条件下, 向灭菌后的培养料中接种单一菌株悬液(Ⅰ), 塞好防菌棉塞、用报纸包扎, 将其置于28 ℃恒温培养箱中培养15 d, 而后取出样品进行第2种菌株悬液(Ⅱ)的接种, 再接续培养15 d, 重复上述过程再进行第3种菌株悬液(Ⅲ)接种、培养15 d, 而后在28 ℃恒温培养箱中继续培养65 d, 直至110 d培养结束.菌悬液接种量按照每100 mL锥形瓶注入5 mL进行, 待110 d培养结束后取样, 迅速转入鼓风干燥箱(45 ℃、48 h)中终止微生物活动、研磨土样并过0.01 mm筛, 将样品保存于玻璃干燥器中, 用于腐殖质组成分析.
2.3 腐殖质组成分析采用腐殖质组成修改法对培养所得土样进行分析, 具体步骤如下：称取过0.01 mm筛的土样5.00 g于100 mL聚乙烯离心管中, 加入30 mL蒸馏水搅拌均匀, 在70 ℃恒温水浴振荡器上提取1 h, 离心(3500 r·min-1, 15 min), 将上清液过滤于50 mL容量瓶中, 在带有残渣的离心管中继续加水20 mL搅拌均匀, 直接离心并将此次上清液与前次合并、用蒸馏水定容, 此溶液即为水溶性物质(water soluble substance, WSS).按照上述方法将蒸馏水改为0.1 mol·L-1 NaOH和0.1 mol·L-1 Na2P2O7的混合液对残渣进行二次提取, 此次收集的溶液即为可提取腐殖酸(humic-extracted acid, HE).离心管中残渣用蒸馏水多次洗涤, 直至洗液近中性, 将其转入55 ℃鼓风干燥箱烘干至恒重, 该沉淀物质即为胡敏素(humin, Hu).
吸取上述HE溶液30 mL, 用0.5 mol·L-1 H2SO4将其pH值调至1.0~1.5, 而后置于70 ℃水浴锅中保温1.5 h、静置过夜, 次日将溶液过滤于50 mL容量瓶、定容, 此溶液即为富里酸(fulvic acid, FA).滤纸上残渣先用稀酸洗涤、再用温热的0.05 mol·L-1 NaOH将其溶解于50 mL容量瓶, 用蒸馏水定容, 即为胡敏酸(humic acid, HA), 上述腐殖质组分(WSS、FA、HA和Hu)的有机碳含量分别用CWSS、CFA、CHA和CHu表示, 连同总有机碳(total organic C, TOC)含量均采取外加热-重铬酸钾氧化法测定, 腐殖化系数在数量上等于CHA与CFA之比, 此外, 采用T6新世纪紫外可见分光光度计(北京谱析通用有限公司)对HA碱溶液的吸光值(E400和E600)进行测定, 并由此计算出色调系数(ΔlogK)：ΔlogK=lgE400-lgE600.
2.4 数据处理采用Excel 2003和SPSS 18.0(PASW Statistics 18)软件对数据进行整理并进行了差异显著性分析.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 不同菌株培养顺序对白浆土CHA/CFA的差异影响作为衡量土壤腐殖质品质及活性的重要指标(刘淑霞等, 2008), 腐殖化系数(CHA/CFA)可用于推断HA与FA间的相互转化关系.由图 1可见, 基于ABS、BSA、BAS和SAB的处理条件, 各氧化物催化下混有木质素白浆土CHA/CFA的大小表现为针铁矿>δ-MnO2>三羟铝石, 且三者之间差异显著.在ASB处理条件下, δ-MnO2矿物添加使得白浆土CHA/CFA显著高于针铁矿和三羟铝石, 针铁矿和三羟铝石矿物影响下的CHA/CFA差异不显著, 但三者均显著低于Sd, 与该规律相反, 在BSA的影响下, 与Sd相比, 针铁矿、δ-MnO2和三羟铝石矿物均有助于混有木质素白浆土CHA/CFA的提高, 其中针铁矿的优势最大.在SBA处理影响下, 各氧化物对于白浆土CHA/CFA的促进作用表现为δ-MnO2>针铁矿>三羟铝石.上述规律表明, 以A. niger→B. megaterium→S. griseus、B. megaterium→S. griseus→A. niger、B. megaterium→A. niger→S. griseus和S. griseus→A. niger→B. megaterium为培养顺序时, 即以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株或A. niger→B. megaterium顺序不变, 灰色链霉菌为Ⅰ期或Ⅲ期培养菌株时, 针铁矿对于混有木质素白浆土CHA/CFA的促进作用最大, 其次是δ-MnO2, 三羟铝石对胡富比的影响最小.Colarieti等(2006)研究了土壤铁氧化物对邻苯二酚的非生物氧化, 结果认为, 铁氧化物可影响Maillard反应所产生的基础材料, 进而促进暗色腐殖化聚合物的形成.基于A. niger→S. griseus→B. megaterium的培养顺序, 与SiO2相比, 针铁矿、δ-MnO2和三羟铝石的添加均可有效降低白浆土的CHA/CFA, 相比之下, δ-MnO2的优势最大, 针铁矿与三羟铝石间无显著差异.可见, 在该培养顺序下, δ-MnO2能够促进微生物对HA的降解并使之向FA转化.Jokic等(2004)研究了δ-MnO2在室温和常规pH条件下催化葡萄糖、甘氨酸及邻苯二酚所组成混合物的腐殖化进程, 指出催化作用与矿物表面的吸附及缩合作用密切相关.据此可推断, δ-MnO2颗粒能够吸附白浆土中的水溶性物质并以此为能源物质促进以黑曲霉、灰色链霉菌为Ⅰ、Ⅱ期培养菌株条件下微生物对HA的降解, 部分降解产物能够进入FA组分, 最终使白浆土CHA/CFA降低.反之, 基于B. megaterium→S. griseus→A. niger的培养顺序, 针铁矿、δ-MnO2和三羟铝石的添加反而使白浆土的CHA/CFA增高, 有利于FA缩合并向HA转化, 促进腐殖化进程, 相比之下, 针铁矿的优势最大.首先, Smidt等(2008)研究表明, 添加木质素可促进HA的形成.此外, Zeng等(2009)研究了黄孢原毛平革菌(P. chrysosporium)在农业废弃物堆腐发酵不同阶段所起的积极作用, 他指出, 在堆腐发酵的第二阶段, 木质纤维素分解菌的接种培养更有利于堆肥质量的提升.在本试验中, 通过在培养Ⅱ、Ⅲ阶段接种S. griseus和A. niger, 能够使混有木质素白浆土的腐殖质品质获得提升, 而将A. niger、S. griseus分列为Ⅰ、Ⅱ阶段培养菌株则更有利于微生物对HA的降解、使FA相对比例提升, 在此过程, 针铁矿的优势最大, 这与其促进暗色腐殖化聚合物的形成有关.此外, Qi等(2012)对钢渣加速腐殖化进程的机理进行了剖析并指出, 钢渣的催化原理在于其成分中含有Fe(Ⅲ)-和Mn(Ⅳ)-氧化物, 该成分可作为氧化剂加强腐殖质前体物质间的缩聚作用.为验证Fe(Ⅲ)-对腐殖化进程的催化作用, Nishimoto等(2013)采用HNO3和HF去除炉渣表面的磁铁矿和赤铁矿, 结果表明, 缺失铁氧化物的炉渣在参与腐殖化进程中, 暗色聚合物产生数量有所减少, 这表明, 三价铁氧化物可作为催化剂加速类腐殖化暗色聚合物的形成.
图 1(Fig. 1)
 |
| 图 1 不同菌株培养顺序对添加铁、铝、锰氧化物白浆土CHA/CFA的影响 Fig. 1Effects of different microbial culture sequences on the CHA/CFA ratio of Albic soil amended with Fe, Al, Mn oxide minerals |
基于针铁矿矿物的添加条件, 各处理对于白浆土CHA/CFA的影响有如下规律：BSA>BAS≈SAB>ABS>SBA>ASB.在添加δ-MnO2矿物条件下, 不同菌株培养顺序对CHA/CFA的影响表现为：SBA>BSA>BAS>ABS>SAB>ASB.而在三羟铝石矿物参与下, 各培养顺序对于CHA/CFA的影响表现为：SAB>SBA≈ABS≈ASB≈BSA>BAS.结合上述规律可以明确, 针铁矿在以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土CHA/CFA的增加.而在针铁矿和δ-MnO2添加条件下, A. niger→S. griseus→B. megaterium的培养顺序更有利于白浆土CHA向CFA的转化.在混有木质素白浆土中添加δ-MnO2, 灰色链霉菌、巨大芽孢杆菌和黑曲霉分别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ期培养菌株时更有利于白浆土CHA/CFA的促进.基于三羟铝石添加条件, 灰色链霉菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土CHA/CFA的促进, 而以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时则可有效降低CHA/CFA.
3.2 不同菌株培养顺序对白浆土HA ΔlogK的差异影响色调系数(ΔlogK)是考察HA分子结构的定性指标, 该值越高说明HA数均分子量越小、分子结构越简单(Traversa et al., 2014).由图 2可知, 基于ABS、ASB、BSA、BAS和SBA的培养顺序, 向混有木质素的白浆土中添加δ-MnO2矿物, 其所提取HA的ΔlogK要显著高于针铁矿、三羟铝石、SiO2处理, 相比之下, 对其促进作用最大的当属ASB的培养顺序, 而在SAB培养顺序下, 三羟铝石矿物更有利于白浆土HA ΔlogK的提升.而在BSA和SAB的影响下, 与SiO2相比, 添加针铁矿、δ-MnO2和三羟铝石矿物均有助于白浆土HA ΔlogK的提高.上述规律表明, 除了S. griseus→A. niger→B. megaterium外, 在其余5种菌株培养顺序下, 与针铁矿、三羟铝石和SiO2对照相比, δ-MnO2均能在较大程度上促进HA ΔlogK的增高, 使白浆土HA分子结构趋于简单化.在此过程, A. niger→S. griseus→B. megaterium的培养顺序对于降解HA的促进作用最大.然而, 在B. megaterium→S. griseus→A. niger和S. griseus→A. niger→B. megaterium影响下, 与SiO2对照相比, 针铁矿、δ-MnO2和三羟铝石添加确有助于微生物对白浆土HA组分的矿化分解, 使其分子结构更为简单化.
图 2(Fig. 2)
 |
| 图 2 不同菌株培养顺序对添加铁、铝、锰氧化物白浆土HA ΔlogK的影响 Fig. 2Effects of different microbial culture sequences on the HA ΔlogK value of Albic soil amended with Fe, Al, Mn oxide minerals |
3.3 不同菌株培养顺序对白浆土CHu的差异影响由图 3可知, 在针铁矿添加影响下, 无论哪一菌株培养顺序均可使白浆土CHu含量显著低于δ-MnO2和三羟铝石.与SiO2相比, 基于ASB和BAS两种菌株培养顺序, 针铁矿添加并未对白浆土CHu含量产生显著影响, 而在其余4种菌株培养顺序下则表现为针铁矿能够促进微生物对白浆土Hu组分的矿化分解.可推断, 在铁铝锰3种氧化物中, 针铁矿更有利于微生物对白浆土Hu组分的矿化, 使其惰性腐殖质组分遭致分解.腐殖酸与针铁矿的相互作用主要是静电吸附, Fe2O3与腐殖酸配位交换反应的能力要小于Al2O3(魏世勇等, 2009), 因此针铁矿可增加腐殖酸分子在其表面移动, 进而增加其与微生物的接触几率, 使降解程度增加.基于ABS、ASB、BAS和SBA的培养顺序, SiO2矿物的添加均使得白浆土CHu含量显著高于针铁矿和三羟铝石矿物, 而在BSA和SAB的影响下, 三羟铝石对于白浆土CHu的累积程度有更大促进作用, 其次是δ-MnO2, 上述CHu含量均高于SiO2处理.可见, δ-MnO2和三羟铝石的添加均有助于白浆土CHu的累积.吴宏海等(2003)在其报道中指出, 氢氧化铝可通过配体交换、表面配位作用与腐殖酸缔结, 此外, 有研究指出(李爱民等, 2005), HA在高岭土上的吸附行为主要是化学吸附, 发生在铝表面的羟基吸附位上, 当铝氧化物的含量高于某一临界值, 腐殖酸将被沉淀, 促进Hu组分的形成和累积.王强等(2005)在其报道中指出, 铁、铝、锰3种氧化物与腐殖酸的配位交换能力按MnO2、Al2O3、Fe2O3顺序递减.由此可见, δ-MnO2对腐殖酸配位交换反应的促进最强, 两者缔结可形成新的Hu, 致使CHu含量趋于积累.
图 3(Fig. 3)
 |
| 图 3 不同菌株培养顺序对添加铁、铝、锰氧化物白浆土CHu的影响 Fig. 3Effects of different microbial culture sequences on the CHu of Albic soil amended with Fe, Al, Mn oxide minerals |
3.4 不同菌株培养顺序对白浆土CWSS、CHE及其占TOC比例的差异影响表 2展示了铁铝锰氧化物催化下不同菌株培养顺序对白浆土TOC、CWSS及CHE的影响.首先, 在6种菌株培养顺序下, Md矿物均可使白浆土TOC含量呈现较大程度矿化, 与SiO2对照相比, ABS、ASB、BSA、BAS、SBA和SAB培养顺序使白浆土TOC含量分别降低了10.8%、24.6%、13.2%、21.7%、19.3%和19.8%.基于ASB的培养顺序, 与SiO2对照相比, 铁铝锰氧化物均有利于白浆土TOC的矿化, 对分解的促进程度有如下规律：δ-MnO2>三羟铝石>针铁矿, 而在其他5种菌株培养顺序下, 与SiO2相比, 除δ-MnO2能够使TOC含量有所亏缺外, 三羟铝石和针铁矿对于白浆土TOC含量均未见显著影响.Wu等(2014)通过研究土壤铁、铝矿物对T. versicolor所分泌虫漆酶的吸附作用后认为, 铁、铝矿物能够吸附数量较多的虫漆酶, 使其保持游离态虫漆酶活性的26%~64%, 其在较低pH值下仍能具有较强的催化活性, 对TOC实施部分矿化.而Chien等(2009)研究了δ-MnO2对邻苯二酚、氢醌及间苯二酚间矿化及降解的非生物催化作用, 认为δ-MnO2能够加大酚类化合物的降解效率.可见, δ-MnO2能够催化酚类化合物的降解效率, 使TOC矿化程度优于铁、铝氧化物所吸附虫漆酶的降解作用.
表 2(Table 2)
| 表 2 不同菌株培养顺序对添加铁、铝、锰氧化物白浆土TOC、CWSS和CHE的影响 Table 2 Effects of different microbial culture sequences on the TOC, CWSS and CHE of Albic soil amended with Fe, Al, Mn oxides minerals | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 不同菌株培养顺序对添加铁、铝、锰氧化物白浆土TOC、CWSS和CHE的影响 Table 2 Effects of different microbial culture sequences on the TOC, CWSS and CHE of Albic soil amended with Fe, Al, Mn oxides minerals
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
WSS是微生物重要的基质碳源(Gregorich et al., 2003), 与SiO2相比, 在6种菌株培养顺序下, δ-MnO2的添加均可极大促进微生物对白浆土WSS的消耗.?ezá?ová et al (2006)在报道中指出, 葡萄糖等碳源基质可为菌丝体形成的第一阶段提供能源物质, 而矿物则能够通过生物质能的改善来促进微生物的降解作用.δ-MnO2颗粒物质的添加能够使土壤溶液中的WSS成分及微生物聚集于δ-MnO2表面, 增加了微生物对WSS的接触几率, 最终促使微生物对白浆土WSS的消耗.在ASB、BSA和SAB培养顺序的影响下, 铁铝锰氧化物的添加均有助于针铁矿和三羟铝石添加下微生物对白浆土WSS成分的消耗.基于针铁矿的添加条件, 在6种菌株培养顺序中, ASB和SBA对于白浆土WSS成分的累积作用最大.在δ-MnO2矿物添加条件下, 各菌株培养顺序均未对白浆土CWSS含量产生差异性影响, 而以三羟铝石为添加矿物时, ASB、BSA、BAS和SBA的培养顺序均有助于白浆土WSS成分的累积, 4种菌株培养顺序间没有显著差异.
在6种菌株培养顺序影响下, 与针铁矿、三羟铝石和SiO2对照相比, δ-MnO2矿物的添加均有助于白浆土CHE含量的提升.在针铁矿影响下, SAB培养顺序对于混有木质素白浆土CHE含量的促进作用最大.基于δ-MnO2矿物的添加, ASB、BSA、BAS和SBA的培养顺序均有利于白浆土CHE含量的增加.而针对三羟铝石添加条件, SBA对于白浆土CHE含量的促进作用更为明显.Jokic等(2001)运用分子拓扑技术来研究D-葡萄糖与甘氨酸间初始反应所形成的果糖基甘氨酸, 该反应需克服较高能障, 其通过引入δ-MnO2来参与反应, 结果发现, δ-MnO2可加快Maillard反应进程、加速HS的形成.显然, 锰氧化物对氨基酸、糖类及酚类等低分子化合物间的缩聚有催化作用, 间接加速HS的形成(Jokic et al., 2001).Pal等(1994)在其报道中指出, 在MnO2催化反应中, 锰氧化物可作为电子接受体, 具有转化酚类化合物, 间接为HS形成提供基础材料的作用.结合上述报道可推断, δ-MnO2因具有高氧化电位、高比表面积、高表面活性, 因此可通过催化酚类物质转化, 催化对氨基酸、糖类及酚类等低分子化合物间的缩聚作用来增加CHE的合成数量, 进而促进HS的形成(Shindo et al., 1982；Shindo et al., 1984).
4 结论(Conclusions)1) 基于针铁矿添加条件, 在以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株更有利于白浆土腐殖化系数(CHA/CFA)的提升.而在针铁矿和δ-MnO2添加条件, A. niger→S. griseus→B. megaterium的培养顺序更有利于白浆土HA向FA转化.在三羟铝石添加条件, 灰色链霉菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土CHA/CFA的促进, 而以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于CHA/CFA的降低.
2) 除了S. griseus→A. niger→B. megaterium, 在其余5种菌株培养顺序下, δ-MnO2均能在较大程度上促进白浆土HA的降解, 使其分子结构更加简单.
3) 在3种氧化物中, 无论哪一菌株培养顺序, 针铁矿均有利于微生物对白浆土Hu的矿化, δ-MnO2均可使白浆土TOC含量呈现较大程度矿化.
4) 与对照相比, δ-MnO2可有效促进微生物对白浆土WSS的消耗, 且对HE的形成有促进作用.
参考文献
| Atkinson R J, Posnel A M, Quisk J J P. 1967. Adsorption of potential-determining ions at the ferric oxide-aqueous electrolyte[J]. Journal of Physical Chemistry, 71(3): 550–558.DOI:10.1021/j100862a014 |
| Chen Y M, Tsao T M, Liu C C, et al. 2010. Polymerization of catechin catalyzed by Mn-, Fe-and Al-oxides[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces, 81(1): 217–223.DOI:10.1016/j.colsurfb.2010.07.012 |
| 程东升, 朱端卫, 刘武定. 2002. 几种常见矿物与硼作用的红外光谱特性研究[J]. 土壤学报, 2002, 39(5): 671–678.DOI:10.11766/trxb200011170508 |
| Chien S W C, Chen H L, Wang M C, et al. 2009. Oxidative degradation and associated mineralization of catechol, hydroquinone and resorcinol catalyzed by birnessite[J]. Chemosphere, 74(8): 1125–1133.DOI:10.1016/j.chemosphere.2008.10.007 |
| Colarieti M L, Toscano G, Ardi M R, et al. 2006. Abiotic oxidation of catechol by soil metal oxides[J]. Journal of Hazardous Materials, 134(1/3): 161–168. |
| Crawford D L, Pometto í A L, Crawford R L. 1983. Lignin degradation by Streptomyces viridosporus:Isolation and characterization of a new polymeric lignin degradation intermediate[J]. Applied & Environmental Microbiology, 45(3): 898–904. |
| Gregorich E G, Beare M H, Stoklas U, et al. 2003. Biodegradability of soluble organic matter in maize-cropped soils[J]. Geoderma, 113(3/4): 237–252. |
| Gruji? M, Dojnov B, Poto?nik I, et al. 2015. Spent mushroom compost as substrate for the production of industrially important hydrolytic enzymes by fungi Trichoderma spp. and Aspergillus niger in solid state fermentation[J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 104: 290–298. |
| Huang P M, Wang M K, Chiu C Y, et al. 2005. Soil mineral-organic matter-microbe interactions:impacts on biogeochemical processes and biodiversity in soils[J]. Pedobiologia, 49: 609–635.DOI:10.1016/j.pedobi.2005.06.006 |
| 黄红丽, 曾光明, 黄国和, 等. 2004. 堆肥中木质素降解微生物对腐殖质形成的作用[J]. 中国生物工程杂志, 2004, 24(8): 29–31. |
| 李爱民, 朱燕, 代静玉. 2005. 胡敏酸在高岭土上的吸附行为[J]. 岩石矿物学杂志, 2005, 24(2): 145–150. |
| 李艳, 窦森, 刘艳丽, 等. 2016. 微生物对暗棕壤添加玉米秸秆腐殖化进程的影响[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(5): 931–939.DOI:10.11654/jaes.2016.05.017 |
| 刘淑霞, 王鸿斌, 赵兰坡, 等. 2008. 不同施肥方式下黑土有机碳的变化规律研究[J]. 河南农业科学, 2008(2): 48–51, 56. |
| Jokic A, Frenkel A I, Vairavamurthy M A, et al. 2001. Birnessite catalysis of the Maillard reaction:its significance in natural humification[J]. Geophysical Research Letters, 28(20): 3899–3902.DOI:10.1029/2001GL013839 |
| Jokic A, Wang M C, Liu C, et al. 2004. Intergration of polyphenol and Maillard reactions into a unified abiotic pathway for humification in nature:the role of δ -MnO2[J]. Organic Geochemistry, 35(6): 747–762.DOI:10.1016/j.orggeochem.2004.01.021 |
| Kirby R. 2005. Actinomycetes and Lignin Degradation[J]. Advances in Applied Microbiology, 58: 125–168.DOI:10.1016/S0065-2164(05)58004-3 |
| Nishimoto R, Fukuchi S, Qi G X, et al. 2013. Effects of surface Fe(Ⅲ) oxides in a steel slag on the formation of humic-like dark-colored polymers by the polycondensation of humic precursors[J]. Colloids & Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, 418: 117–123. |
| Pal S, Bollag J M, Huang P M. 1994. Role of abiotic and biotic catalysts in the transformation of phenolic compounds through oxidative coupling reactions[J]. Soil Biology & Biochemistry, 26(7): 813–820. |
| Perestelo F, Falcón M A, Pérez M L, et al. 1989. Bioalteration of kraft pine lignin by Bacillus megaterium isolated from compost piles[J]. Journal of Fermentation and Bioengineering, 68(2): 151–153.DOI:10.1016/0922-338X(89)90066-4 |
| Qi G X, Yue D B, Fukushima M, et al. 2012. Enhanced humification by carbonated basic oxygen furnace steel slag-II. Process characterization and the role of inorganic components in the formation of humic-like substances[J]. Bioresource Technology, 114: 637–643.DOI:10.1016/j.biortech.2012.03.064 |
| ?ezá?ová V, Hr?elová H, Gryndlerová H, et al. 2006. Modifications of degradation-resistant soil organic matter by soil saprobic microfungi[J]. Soil Biology & Biochemistry, 38(8): 2292–2299. |
| Shindo H, Huang P M. 1982. Role of Mn(Ⅳ) oxide in abiotic formation of humic substances in the environment[J]. Nature, 298: 363–365.DOI:10.1038/298363a0 |
| Shindo H, Huang P M. 1984. Catalytic effect of manganese(Ⅳ), iron(Ⅲ), aluminum, and silicon oxides on the formation of phenolic polymers[J]. Soil Science Society of America Journal, 48(4): 927–934.DOI:10.2136/sssaj1984.03615995004800040045x |
| Smidt E, Meissl K, Schmutzer M, et al. 2008. Co-composting of lignin to build up humic substances-Strategies in waste management to improve compost quality[J]. Industrial Crops & Products, 27(2): 196–201. |
| Snchez-Monedero M, Roig A, Cegarra J, et al. 1999. Relationships between water-soluble carbohydrate and phenol fractions and the humification indices of different organic wastes during composting[J]. Bioresource Technology, 70: 193–201.DOI:10.1016/S0960-8524(99)00018-8 |
| Traversa A, D'orazio V, Mezzapesa G N, et al. 2014. Chemical and spectroscopic characteristics of humic acids and dissolved organic matter along two Alfisol profiles[J]. Chemosphere, 111: 184–194.DOI:10.1016/j.chemosphere.2014.03.063 |
| Tuomela M, Oivanenl P, Hatakka A. 2002. Degradation of synthetic 14C lignin by various white-rot fungi in soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 34: 1613–1620. |
| Wang M C, Huang P M. 2000. Ring cleavage and oxidative transformation of pyrogallol catalyzed by Mn, Fe, Al, and Si oxides[J]. Soil Science, 165(12): 934–942.DOI:10.1097/00010694-200012000-00003 |
| Wu Y, Jiang Y, Jiao J G, et al. 2014. Adsorption of Trametes versicolor laccase to soil iron and aluminumminerals:Enzyme activity, kinetics and stability studies[J]. Colloids & Surfaces B. Biointerfaces, 114: 342–348. |
| 王强, 魏世强, 刘保峰. 2005. 铁、锰、铝氧化物固体吸附剂对胡敏酸和富里酸吸附机理研究[J]. 土壤学报, 2005, 42(4): 600–608. |
| 魏世勇, 谭文峰, 刘凡. 2009. 土壤腐殖质-矿物质交互作用的机制及研究进展[J]. 中国土壤与肥料, 2009(1): 1–6. |
| 吴宏海, 张秋云, 方建章, 等. 2003. 高岭石和硅/铝-氧化物对腐殖酸的吸附实验研究[J]. 岩石矿物学杂志, 2003, 22(2): 173–176. |
| 吴云当, 李芳柏, 刘同旭, 等. 2016. 土壤微生物-腐殖质-矿物间的胞外电子传递机制研究进展[J]. 土壤学报, 2016, 53(2): 277–291. |
| Xi B D, He X S, Dang Q L, et al. 2015. Effect of multi-stage inoculation on the bacterial and fungal community structure during organic municipal solid wastes composting[J]. Bioresource Technology, 196: 399–405.DOI:10.1016/j.biortech.2015.07.069 |
| Xi B D, Zhang G J, Liu H L. 2005. Process kinetics of inoculation composting of municipal solid waste[J]. Journal of Hazardous Materials, 124(1/3): 165–172. |
| Yavmetdinov I S, Stepanova E V, Gavrilova V P, et al. 2003. Isolation and characterization of humin-like substances produced by wood degrading white rot fungi[J]. Applied Biochemistry & Microbiology, 39(3): 257–264. |
| Zeng G M, Huang H L, Huang D L, et al. 2009. Effect of inoculating white-rot fungus during different phases on the compost maturity of agricultural wastes[J]. Process Biochemistry, 44(4): 396–400.DOI:10.1016/j.procbio.2008.11.012 |
| 席北斗, 刘鸿亮, 白庆中, 等. 2002. 堆肥中纤维素和木质素的生物降解研究现状[J]. 环境污染治理技术与设备, 2002, 3(3): 19–23. |
| 徐海娟, 梁文芷. 2000. 白腐菌降解木素酶系及其作用机理[J]. 环境污染治理技术与设备, 2000, 1(3): 51–54. |
| 姚武. 2015. 畜粪蚯蚓堆肥中腐殖质形成及其结合态重金属变化规律和机理研究[D]. 杭州: 杭州师范大学http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=D700814 |
| 赵振华, 黄巧云, 李学垣, 等. 2003. 磷酸盐对土壤胶体和矿物表面吸附酸性磷酸酶的影响[J]. 土壤学报, 2003, 40(3): 353–359.DOI:10.11766/trxb200107050305 |
