果胶污泥的基质化开发及其在育苗中的应用

叶楠，王翘楚，徐世豪，于建兴，洪基光，李加友*

(1.嘉兴学院 生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.象山华宇食品有限公司，浙江 宁波 315700)

我国是世界上最大的柑橘罐头生产国和出口国，罐头加工有利于解决柑橘集中上市销售困难的问题，是柑橘深加工的主要途径。柑橘罐头加工过程中产生的废水中含有大量果胶，影响废水的好氧生化处理，因此，生产企业通常采用混凝吸附法或复合絮凝剂处理法将废水中的果胶絮凝沉降，然后分离出果胶污泥[1-3]。但是，果胶和复合絮凝剂形成的高分子网络结构，吸水能力强，果胶污泥含水量可达到80%～90%[4-5]，厌氧消化、填埋和焚烧的成本都很高，给生产企业和行业发展都带来重大影响[6-8]；如果废弃或自然放置，果胶污泥对土壤、空气和水体都会造成二次污染[9]。

本研究中拟将果胶污泥与秸秆、蛭石等辅料混合后，利用高性能的微生物菌株进行好氧发酵，将混合基料快速转化成一种新型栽培基质，实现果胶污泥的资源化利用，具有良好的经济可行性。基质化开发为柑橘罐头加工企业的果胶污泥开辟了一条新的利用途径，为产业可持续发展提供了新的解决方案。

1 材料与方法

1.1 试剂、材料和仪器

果胶污泥：象山华宇食品有限公司提供；水稻秸秆：嘉兴市归源农业技术开发有限公司提供；蛭石：新疆尉犁新隆蛭石有限责任公司提供。

基础培养基(PDA培养基)：土豆200 g、葡萄糖20 g、蒸馏水1 000 mL，pH值自然(固体培养基另加琼脂15 g)。

筛选培养基[10]：果胶5.0 g、七水硫酸镁2.0 g、硫酸铁0.01 g、磷酸二氢钾0.5 g、氯化铵0.4 g、氯化 1 g、硝酸钠3 g、磷酸氢二钾1 g、溴酚蓝0.1 g、琼脂15 g、水1 000 mL。

HWS-450智能恒温恒湿培养箱：常州杰博森仪器有限公司；LDZX-50KBS型50立升(手轮型)立式压力蒸汽灭菌器：上海申安医疗器械厂；TD4台式低速离心机：盐城市凯特实验仪器有限公司；756 s紫外可见分光光度计：上海棱光技术有限公司；YJ-840/YJ-1340洁净工作台YJ型：苏州苏信环境科技有限公司。

1.2 果胶降解菌的筛选

1.2.1 果胶污泥的自然发酵

将果胶污泥分别与秸秆、蛭石混合，在自然状态下进行发酵，具体操作：分别将果胶污泥与秸秆、蛭石混合，果胶污泥占比分别为90%、85%、80%、75%、70%，每个处理3个重复，在28 ℃条件下自然发酵5 d；发酵过程中观察微生物的生长情况。果胶含量利用咔唑比色法测定[11]。

1.2.2 果胶降解菌的分离筛选

将发酵料上长势良好的菌株，在超净台内，用平板划线法分别接种在PDA培养基上，在恒温培养箱中28 ℃培养观察，进一步分离纯化，获得单菌落后保藏。

将PDA培养基中纯化得到的菌种分别接种到筛选培养基上，在28 ℃恒温培养箱中培养2～3 d后根据培养基中溴酚蓝的颜色变化和菌落形态，对所纯化菌株的果胶降解性能进行定性比较。果胶酶活力以DNS法测定[12-13]。

1.3 栽培基质的混合发酵制备方法

基于秸秆和蛭石的吸水能力不同，分别按照果胶与秸秆4∶1、果胶与蛭石3∶1配制发酵原料，然后每个处理加入5 mL菌液，放置在温度为28 ℃的通风环境中进行发酵。发酵过程中定期检测体系的果胶含量，当果胶含量不再下降时发酵结束，烘干后制得成品的栽培基质。

1.4 育苗试验

樱桃红萝卜品种为上海小红萝卜，菠菜品种为华波1号，四季小香葱品种为鲁葱1号。称取栽培基质2 g，将约3/4的栽培基质加入育苗盘的穴中，然后每一穴中播入1粒种子。播种完成后将剩余栽培基质覆盖种子之上，浇水浸透。

在20 ℃下培养发芽，覆上保鲜膜保温，待发芽后去掉保鲜膜。在每天9：00-11：00和15：00-17：00补充自然光照；每2 d浇一次水，并统计发芽率和观察幼苗长势。苗龄10 d起，每隔3 d从每组处理中随机抽取幼苗15株，测定株高、鲜重、干重等指标，平行测定3次。其中，株高为根茎部到生长顶部间的长度，用直尺测量；60 ℃烘干至恒重测定其干重[14-18]。

2 结果与分析

2.1 果胶降解菌的筛选

测定混合物发酵前的果胶浓度，每隔10 d为一批次，分批次再次测定样品中的果胶浓度以确定发酵是否结束。当果胶浓度不再降低时即为发酵结束。结果(图1)表明，经过30 d的发酵，果胶发酵完全结束。

图1 果胶降解菌株康宁木霉LZ51菌落形态Fig.1 Colony morphology of the pectine-degrading strain Trichoderma koningii LZ51

用2倍体积的水浸泡发酵完成的基质，收集浸泡液得果胶酶液，用DNS法测定不同处理中的果胶酶活性[19-21]。结果表明，从秸秆果胶泥混合基质筛选获得的菌株LZ51产生果胶酶活性最强，达到684 U·mL-1。经分子生物学鉴定(图2、表1)，该菌为康宁木霉(Trichodermakoningii)。该菌株保藏备用。

表1 18S rDNA BLAST比对结果Table 1 Results of the 18S rDNA BLAST alignment

图2 菌株康宁木霉LZ51的18S rDNA电泳图Fig.2 Electrophoretogram of 18S rDNA of the strain Trichoderma koningii LZ51

2.2 不同基质对三种菜种发芽率的影响

利用秸秆果胶基质(M1)、蛭石果胶基质(M2)和蛭石基质(CK)等三种不同基质分别栽培樱桃红萝卜、大叶菠菜和四季香葱，考查果胶污泥发酵基质对不同蔬菜发芽的影响。由图3～5可知，秸秆果胶基质中幼苗的生长情况稳定，3种幼苗的发芽率较蛭石果胶基质平均高3%，较蛭石基质平均高5%。且蛭石基质在生长过程中出现了幼苗感染病菌出现倒伏的情况，说明秸秆果胶基质和蛭石果胶基质经过发酵处理，有一定的抗病菌能力，增强了蔬菜幼苗的抵抗力。

图3 不同基质对樱桃红萝卜发芽率的影响Fig.3 Effects of different substrates on germination rate of cherry red radish

在樱桃红萝卜的育苗实验中(图3)，3种基质的幼苗发芽率相差在3%左右，樱桃红萝卜与另两种蔬菜的不同之处在于，大叶菠菜与四季香葱属于叶菜类蔬菜，樱桃红萝卜属于根菜类蔬菜。对于基质的疏松性、保水性、通透性等也有不同的要求；四季香葱的育苗结果表明(图4)，蛭石基质的平均发芽率较秸秆基质高出2%；大叶菠菜的发芽率中，秸秆果胶基质比蛭石果胶基质、蛭石基质分别高出2%和3%(图5)。

图4 不同基质对四季香葱发芽率的影响Fig.4 Effects of different substrates on the germination rate of four-season chive

图5 不同基质对大叶菠菜发芽率的影响Fig.5 Effects of different substrates on germination rate of large-leaf spinach

综上所述，秸秆果胶基质和蛭石果胶基质对于3种蔬菜的发芽率较蛭石基质明显提升。因此，利用秸秆或者蛭石和果胶污泥混合后进行发酵处理，所制备的基质有利于蔬菜种子的发芽。

2.3 不同基质对蔬菜幼苗生长的影响

在幼苗培育10 d之后开始每隔3 d进行一次株高的测量。测量时，从每个穴盘内随机选取15株，测量其绝对株高。选取测量株高的植株时，不选取边际植株。

由表2可知，蛭石果胶基质培育的四季香葱幼苗长势更好，在13 d时四季香葱幼苗株高已经达到了6.77 cm，生长速度很快。而秸秆果胶基质对于3种蔬菜的生长都有明显的促进作用，秸秆基质中的菜苗平均以0.3 cm·d-1的速度生长，且秸秆果胶基质培育的菜苗均未出现幼苗倒伏的情况，而其他两种基质均有幼苗倒伏。

表2 不同基质对蔬菜幼苗株高的影响Table 2 Effects of different substrates on plant height of vegetable seedlings 单位：cm

由图6可知，秸秆果胶基质培育的樱桃红萝卜鲜重较其他两种基质增加30%以上，培育的大叶菠菜鲜重和蛭石果胶基质相近，较蛭石基质有了约50%的提升；但是，秸秆果胶基质和蛭石果胶基质培育的四季香葱鲜重均不及蛭石基质。

图6 不同基质对培育蔬菜幼苗鲜重的影响Fig.6 Effects of different substrates on fresh weight of vegetable seedlings

3 总结与讨论

筛选出的菌株康宁木霉LZ51具有较强的果胶转化能力，在果胶污泥和秸秆混合发酵基质中的果胶酶活性为684 U·mL-1，产酶能力较强。

蛭石是最常用的栽培基质之一，果胶污泥分别与秸秆、蛭石混合发酵制得的育苗基质在樱桃红萝卜、大叶菠菜和四季香葱的试用中发现，3种蔬菜的种子发芽率、幼苗株高、鲜重等生长指标方面均表现出良好效果，性能较蛭石基质优良；尤其是秸秆与果胶污泥混合基质中，3种幼苗的发芽率较蛭石基质平均高5%。

综上所述，秸秆果胶混合发酵生产的栽培基质在蔬菜育苗中具有良好的应用前景；基质化利用为解决柑橘罐头加工企业的果胶污泥难题开辟了一条新途径，为果胶污泥的资源化利用奠定了基础，对行业可持续发展具有重要价值。