专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; |
专利有效性 | 公开 | 当前状态 | 公开 |
申请号 | CN202411164362.4 | 申请日 | 2024-08-23 |
公开(公告)号 | CN119118747A | 公开(公告)日 | 2024-12-13 |
申请人 | 山东省科学院生态研究所(山东省科学院中日友好生物技术研究中心); 山东天酵源生物科技有限公司; | 申请人类型 | 科研院所 |
发明人 | 黄玉杰; 崔倩男; 吴金娟; 张闻; 冯汝龙; 周方园; 宋广暖; 王加宁; 王磊磊; | 第一发明人 | 黄玉杰 |
权利人 | 山东省科学院生态研究所(山东省科学院中日友好生物技术研究中心),山东天酵源生物科技有限公司 | 权利人类型 | 科研院所 |
当前权利人 | 山东省科学院生态研究所(山东省科学院中日友好生物技术研究中心),山东天酵源生物科技有限公司 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
省份 | 当前专利权人所在省份:山东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:山东省济南市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:山东省济南市科院路19号 | 邮编 | 当前专利权人邮编:250000 |
主IPC国际分类 | C05G3/80 | 所有IPC国际分类 | C05G3/80 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 济南泉城专利商标事务所 | 专利代理人 | 陈娟; |
摘要 | 本 发明 属于含有 微 生物 的组合物技术领域,具体涉及到一种基于功能微生物的炭基肥的制备方法及所得产品、应用。本发明通过利用秸秆制备成 生物炭 ,能够改善 土壤 理化性状,缓解土壤 酸化 ,提高酶活性,增加土壤微生物数量。将秸秆生物炭作为 肥料 增效载体,制成生物炭基肥可以有效缓解肥料养分在土壤中的释放速度,降低养分淋溶损耗,增强土壤保 水 保肥,从而提高肥料利用率,解决 农作物 秸秆资源化利用问题,同时有效的解决仅采用秸秆生物炭造成的粉尘污染等问题。 | ||
权利要求 | 1.一种基于功能微生物的炭基肥的制备方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种基于功能微生物的炭基肥的制备方法及所得产品、应用技术领域[0001] 本发明属于含有微生物的组合物技术领域,具体涉及到一种基于功能微生物的炭基肥的制备方法及所得产品、应用。 背景技术[0002] 秸秆主要包括农作物成熟后剩余的茎叶及杆株,含有大量的氮磷钾及其他微量元素,随着农业投入品的大量使用,以及农业机械的普及,农业产出率大幅提高,伴随着秸秆量的增加,使得农作物秸秆储备丰富,但是利用效率偏低。目前其常规的处理方式是粉碎后直接还田或者直接燃烧使用,造成能源浪费,加速了温室气体排放及雾霾形成等,对环境造成了巨大的影响,其秸秆利用率不高并且对土地肥力的提升不大。 [0003] 目前农业生产过程中,化肥施用量较大但是利用率偏低,偏低的化肥利用率和较高的化肥投入量容易引起土壤、水体、大气和农产品污染,同时带来土壤板结、土壤容重降低等农田问题,并且土壤中碳库亏缺和微生物失衡也正在加速土壤肥力的恶化。化肥是重要的农业碳排放资源,提高化肥利用率是农业生产全面绿色转型过程中的重要任务。 发明内容[0004] 针对现有技术中存在的秸秆利用率低、土壤恶化等问题,本发明提供了一种基于功能微生物的炭基肥的制备方法。 [0005] 本发明还提供了利用上述制备方法制备得到的基于功能微生物的炭基肥。 [0006] 本发明进一步的提供了上述基于功能微生物的炭基肥的应用。 [0007] 本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为:本发明提供了一种基于功能微生物的炭基肥的制备方法,包括以下步骤: (1)将秸秆烘干后进行粉碎并筛分,然后进行炭化处理,得秸秆生物炭; (2)挑取活不动杆菌KJ‑1的菌种,接种到NB液体培养基培养菌种至对数生长期,得种子液; (3)称取秸秆生物炭与固定化培养基混合后灭菌,取种子液接种至含固定化培养基及秸秆生物炭混合液中,进行固定化培养,固定后的菌剂用NaCl溶液洗涤,所得沉积物为固定化菌的秸秆生物炭; (4)将基于功能微生物的秸秆生物炭加入辅料混合均匀后得炭基肥。 [0009] 进一步的,步骤(2)中,所述活不动杆菌KJ‑1,2020年9月17日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏编号CGMCC No.20664。 [0011] 进一步的,步骤(2)中,所述培养为在180 rpm,30 ℃条件下进行。 [0012] 进一步的,步骤(3)中,所述秸秆生物炭和固定化培养基的比例为0.75g:45‑50mL;所述固定化培养基的组成为:蔗糖10 g/mL,牛肉糕6 g/mL,酵母粉2 g/mL,ph 7.0‑7.2。 [0013] 进一步的,步骤(3)中,所述秸秆生物炭和种子液的比例为0.75g:2.5mL;所述固定化培养为180 rpm,30 ℃下固定16‑24 h。 [0015] 本发明还提供了一种利用上述制备方法制备得到的基于功能微生物的炭基肥。 [0016] 本发明还提供了上述基于功能微生物的炭基肥在促进植物生长中的应用。 [0017] 本发明通过利用秸秆制备成生物炭,能够改善土壤理化性状,缓解土壤酸化,提高酶活性,增加土壤微生物数量。将秸秆生物炭作为肥料增效载体,制成生物炭基肥可以有效缓解肥料养分在土壤中的释放速度,降低养分淋溶损耗,增强土壤保水保肥,从而提高肥料利用率,解决农作物秸秆资源化利用问题,同时有效的解决仅采用秸秆生物炭造成的粉尘污染等问题。 [0018] 本发明的有益效果为:(1)本发明提供的功能微生物活不动杆菌KJ‑1具有产铁载体能力、解磷、促进植物生长作用,可用于植物根际促生; (2)本发明制备得到的秸秆生物炭具有较大表面积和微孔结构,同时具有强的亲水性,能够为微生物提供良好的生长微环境,进而改善土壤微生物的生长;该生物炭空隙体积较大时,微生物更有可能进入生物炭空隙并利用其中的养分,因此具有较大空隙体积的生物炭更有利于体积较小且生长速率较快的微生物进入其中生长发育,且该生物炭含有较多的羧基官能团,更适合作为微生物载体; (3)本发明基于秸秆生物炭固定化功能微生物制备的炭基肥,能明显改善土壤通透性,疏松土壤,提高土壤肥力,应用于作物种植后,提高作物中叶绿素等的含量,促进植物的生长。 附图说明 [0019] 图1为秸秆来源生物炭三种不同温度电子扫描显微镜照片(10000倍),其中,A:300℃煅烧2h;B:500℃煅烧2h;C:700℃煅烧2h;图2为秸秆生物炭的吸水率和吸水速率,其中,A:生物炭吸水率;B:生物炭吸水速率; 图3 为三种秸秆生物炭的红外光谱图; 图4 为活不动杆菌KJ‑1特性测定,其中A:产铁载体能力测定;B:解磷能力测定;B: IAA合成能力测定; 图5 为活不动杆菌KJ‑1对拟南芥的促生长作用的测定; 图6为各个因素对生物炭固定化菌的影响,其中,A:固定化时间(h);B:固定化温度(℃);C:固定化培养基初始pH;D:固定化培养基中载体投加量(g/L)。 具体实施方式[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。 [0021] 基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。 [0022] 活不动杆菌KJ‑1,2020年9月17日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,菌种保藏编号CGMCC No.20664。该菌株已在专利ZL202110162231.2中记载。 [0023] 下述各实施例所述实验方法如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可在市场上购买得到。 [0024] 本发明制备的生物炭采用的为玉米秸秆,其他农作物所产生的秸秆,均可作为生物炭的原料来源。 [0025] 实施例1 玉米秸秆生物炭的制备及电镜表征将秸秆烘干后进行粉碎并进行筛分,将已经烘干的秸秆装入到石英舟中,进行生物炭的制备。其中,炭化条件:干馏炭化密闭限氧釜式炭化,升温速率10℃/min,分别以300℃、500℃、700℃温度进行热解2h。按照下面公示进行得炭率计算,结果见表1。 [0026] [0028] 表1:秸秆生物炭得炭率(%) [0029] 随着温度的升高,以秸秆为原料高温无氧煅烧的生物炭,其得碳产率逐渐下降(表1)。300℃、500℃和700℃的生物炭得率分别是40.00%、33.40%和27.40%。 [0030] 采用扫描电子显微镜对3种不同温度制备的秸秆生物炭进行表面结构观察。如图1所示,三种生物炭相比较而言,CS700的表面破损较为严重,CS300的表面较为完整;放大10k倍后,CS300的表面更光滑平整,但CS500及CS700的表面比较粗糙,且疏松多孔,并带有较多的块状物质;在电镜下可以清晰地看到孔隙结构均匀地分布在生物炭的表面,孔径大小及孔径数量都较为明显。本试验中CS500及CS700具有更多的空隙结构,相对于CS300具有更好的吸附效果,同时吸附物颗粒内的扩散过程也更易进行,提高了孔内吸附效率。 [0031] 实施例2秸秆生物炭物化表征分析对实施例1中得到的秸秆生物炭进行各种表征分析。主要进行了生物炭元素组成分析、比表面积和孔隙测定、外红光谱测定、吸水能力测定及pH测定等。 [0032] (1)生物炭元素pH及元素分析取1g制备好的秸秆生物炭于150 mL三角瓶中,加入100 mL去离子水稀释,制备成生物炭悬浮液。使用超声机超声1 h至生物炭可溶解成分完全溶解在水中,然后使用pH计测定其pH值,即为生物炭的pH值。 [0033] 将制备好的300℃、500℃、700℃三种温度的生物炭,置于元素分析仪中进行生物炭的元素分析测定。仪器调节到氦气压强为0.121MPa,流量为200mL min‑1,氧气压强为和0.2MPa,氧气流量为13 14mL min‑1时,使用CHNS模式,在燃烧炉温度达到1150℃,还原炉温~ 度达到850℃时,测定生物炭C、H、N元素的百分含量,使用O模式测出O元素的百分含量。每个生物炭样品重复测定3次计算平均值,由此得到三种生物炭中各元素的含量及有机质组分的(N+O)/C、H/C、(C+H)/O、O/C的原子比。结果见表2,随着温度的升高,pH及各个元素质量和原子比均呈现有规律的变化。 [0034] 表2:生物炭的pH值及元素质量组成及原子比 [0035] (2)生物炭孔隙结构分析用多站扩展式全自动快速比表面仪测定生物炭的比表面积、氮吸附微孔、介孔孔分布、孔容。结果见表3。其中CS500的比表面积、总孔孔容和平均孔径最小,其微孔孔径最大,CS300和CS500的微孔体积没有显著性差异,CS700的微孔体积最大。 [0036] 表3:生物炭的比表面积、总孔孔容等表征分析 [0037] (3)生物炭吸水性分析采用重量法测定生物炭在恒温恒湿条件下的吸水性。图2表示随着时间变化秸秆生物炭的吸水率及吸水速率的变化曲线。三种秸秆生物炭吸水率随时间变化趋势相同(图 2A),经过一定时间后吸水过程达到平衡。由图2B可知,秸秆生物炭在吸水开始阶段具有较快的吸水速率,而后速率迅速下降,再经过慢速下降后趋近于零并保持不变。 [0038] (4)生物炭红外光谱分析采用傅里叶红外光谱分析生物炭表面的官能团,结果见图3。发现秸秆生物炭在‑1 ‑1 2929 cm 和2922 cm 左右处出现峰值,这些特征峰属于(-CH2)的不对称伸吸收峰,强度‑1 ‑1 值较小,可以看出CS300强于CS500和CS700;在1616 cm 和1620 cm 左右处出现峰值是由于羟基(‑OH)和酯内物质中酯基(C=O)的伸缩振动引起,可以明显看出CS300强于CS500和‑1 CS700;在1433 cm 左右处的特征峰为羧基(‑COOH)的伸缩振动,CS300与CS500的峰值相近,而CS700强度较小,这证明温度在700℃的时候破坏了生物炭内的官能团。 [0039] 采用高温无氧煅烧获得了三种秸秆生物炭,并进行生物炭表征分析,后续分别选择这三种生物炭进行复合炭基肥的制备。 [0040] 实施例3活不动杆菌在植物促生长中的作用活不动杆菌KJ‑1,2020年9月17日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,菌种保藏编号CGMCC No.20664。 [0041] (1)菌株产铁载体能力测定挑取供试菌株单菌落将其接种到NB液体培养基上震荡培养至OD600=0.8,吸取3 μL菌液接种在CAS固体培养基上30 ℃恒温培养7 d,观察菌落周围是否出现菌橘黄色晕圈,晕圈越大表明产铁载体能力越强,重复检验3次。结果发现该菌产铁载体能力相对于其他试验菌株最强(图4A)。 [0042] (2)菌株解磷能力测定挑取供试菌株单菌落接种到NB液体培养基中,震荡培养至OD600=0.8,吸取3 μL菌液接种在PVK无机磷培养基上倒置于培养箱中30 ℃,恒温培养7 d,观察平板细菌周围的变化,菌落周围出现透明圈,表明菌株具有解磷能力,透明圈的大小,可作为解磷强弱的标志,透明圈越大,表明菌株解磷能力越强,本实验中菌株KJ‑1具有较强的解磷能力(图4B)。 [0043] 上述CAS固体培养基和PVK无机磷培养基均购自北京酷来搏科技有限公司。 [0044] (3)吲哚乙酸(IAA)合成能力测定将供试菌株接种于NB液体培养基中,震荡培养24 h,8000 rpm离心,用无菌水冲洗,调OD600=0.8,吸取200 μL菌液接种到4 mL (含有1 % 200 mg/L的L‑色氨酸) NB液体培养基,以未接种菌液的培养基为空白对照,每个处理重复3次,28 ℃,180 rpm震荡培养4 d,培养结束后将菌液8000 rpm离心10 min,取上清液1 mL,加入等体积的Salkowski比色剂,避光静置30 min,观察其颜色变化。如果颜色变为红色则认为其具有产IAA能力,颜色越深表明IAA合成能力越强,结果发现菌株KJ‑1产IAA能力较强(图4C)。 [0045] 上述Salkowski比色液的制备:35 %浓度的HClO450 mL与0.5 mol/L的FeCl31 mL混匀配制,放置于棕色瓶中,现用现配。 [0046] (4)菌株对拟南芥的促生长能力测定种子消毒:选取拟南芥野生型哥伦比亚‑0(Col‑0):2.5%的次氯酸钠消毒3分钟期间不断晃动、用无菌水冲洗3次,再用70%的酒精消毒3分钟,用无菌水冲洗种子,每次冲洗3分钟,清洗3次。 [0048] 菌体制备:细菌置于10ml NB液体中过夜培养,第二天菌体在4℃、7000 rpm条件下离心,去掉上清,只留菌体。加入适量无菌水悬浮菌体至OD600值为1,吸取40ul点到平板1/2处。将培养皿置于22‑25°C的生长室中垂直培养,光照光周期为16小时,黑暗光周期为8小时,10d进行观察、测定及拍照。 [0049] 生物量的测定:密度(密度=侧根数/主根长度),鲜重(选取每个平板中长势一致的6棵,称取其重量) 结果见图5。从图片可以直接看出加菌处理的拟南芥地上部叶片面积明显大于ck,处理的地下部侧根茂密,且侧根明显变长。说明菌株KJ‑1对拟南芥具有明显的促生长作用。 [0050] 实施例4生物炭固定化菌的制备(1)从平板上挑取菌种活不动杆菌KJ‑1,接种到NB液体培养基180 rpm 30 ℃条件 9 下培养菌种至对数生长期,细菌悬浮液菌种数量约为2‑4×10cfv/mL,此为种子液。 [0051] (2)称取一定量的生物炭(0.75g)与47.5 mL微生物固定化培养液混合121 ℃灭菌20min,取2.5 mL种子液接种至含微生物固定化培养液及生物炭的三角瓶中180 rpm 30 ℃下固定24 h,固定后的菌剂用0.9%无菌NaCl溶液洗涤,重复三次,所得沉积物为固定化菌株。 [0052] 通过平板计数法计算生物炭固定的微生物数量,将固定好的微生物菌剂离心后,用无菌0.9% NaCl溶液清洗3遍,最后加入30mL无菌0.9% NaCl溶液,用超声破碎机在功率为40%下,每超声3秒间隔1秒,超声10 min,使生物炭上的细菌脱落。超声完毕后,取5mL离心管中的悬浮液稀释6个梯度,取0.2mL最后一个梯度溶液倒入平板中,倒入NB固体培养基,培养 2d后计算菌落数。结果发现三种秸秆生物炭对活不动杆菌KJ‑1的固定能力为:CS500>CS300>CS700。 [0053] NB液体培养基(g/mL):蛋白胨10g、牛肉膏粉3g和氯化钠5gNB固体培养基(g/mL):蛋白胨10g、牛肉膏粉3g、氯化钠5g、琼脂15g 微生物固定化培养液(g/mL):蔗糖10,牛肉膏5,酵母粉4,ph 7.0‑7.2 实施例5生物炭固定化菌条件优化 以CS300为试验对象,对实施例4中的生物炭固定化菌进行单因素固定条件的探索,主要进行了生物炭投加量、固定化时间、固定化温度、固定化培养基初始pH值的影响,结果见图6。发现固定化条件控制在:初始pH值在7.0‑7.8,固定化温度在20‑33℃,固定化时间在16‑24h之间,载体投加量为10‑25g/L,其最佳固定化条件为初始pH7.5,培养温度30℃,固定化时间达到20h,载体投加量为15g。 [0054] 实施例6炭基肥的制备一种基于功能微生物的炭基肥,按照质量份数计,原料主要由:固定化菌(活不动杆菌KJ‑1)的秸秆生物炭40份,腐熟牛粪10份,蛋白胨5份,硫酸铵10份,硝酸钾 5份、硼酸5份,α‑萘乙酸钠1份组成。 [0055] 所述秸秆生物炭为秸秆脱水后进行粉碎并进行筛分,300℃无氧煅烧2h,得到的生物炭,进行固定化功能微生物,最终得到基于功能微生物的生物炭基肥。 [0056] 实施例7炭基肥的制备一种基于功能微生物的炭基肥,按照质量份数计,原料主要由固定化菌(活不动杆菌KJ‑1)的秸秆生物炭40份,腐熟牛粪10份,蛋白胨5份,硫酸铵10份,硝酸钾 5份、硼酸5份,α‑萘乙酸钠1份组成。 [0057] 所述秸秆生物炭为秸秆脱水后进行粉碎并进行筛分,500℃无氧煅烧2h,得到的生物炭,进行固定化功能微生物,最终得到基于功能微生物的生物炭基肥。 [0058] 实施例8炭基肥的制备一种基于功能微生物的炭基肥,按照质量份数计,原料主要由固定化菌(活不动杆菌KJ‑1)的秸秆生物炭40份,腐熟牛粪10份,蛋白胨5份,硫酸铵10份,硝酸钾 5份、硼酸5份,α‑萘乙酸钠1份组成。 [0059] 所述秸秆生物炭为秸秆脱水后进行粉碎并进行筛分,700℃无氧煅烧2h,得到的生物炭,进行固定化功能微生物,最终得到基于功能微生物的生物炭基肥。 [0060] 效果实施例1对实施例6‑8制得的生物炭基肥进行效果验证,具体如下: 试验地点:济南鲁青生态蔬菜种植中心,主要进行黄瓜生长测试。大棚内充分通风,遮荫挡雨,有防虫网,同时光照、温度、湿度、通风等自然因素均良好,土壤呈中性至微碱性,耕层深厚,保水、保肥性较好。 [0061] 试验品种:黄瓜津绿21‑10试验设计:试验以不添加生物炭基肥为空白对照,以腐熟牛粪和500℃高温无氧煅烧的生物炭(SC500)为阳性对照,对三种生物炭基肥进行田间试验,试验共设6个处理,每个 2 处理重复三次,将试验大棚划分为18个地块,每个地块大约10m。将各个处理肥料作为底肥施用,施用量100kg/亩。施加底肥时将土壤表层进行翻耕,翻耕深度为20cm,其他种植管理方式例如种植密度、浇灌、施药等方式按照大棚现有常规的管理方式进行。 [0062] 观察与记载:播种后不同时间内检测黄瓜生长情况和土壤中的理化性质。其中,黄瓜生长情况主要测量黄瓜第三叶长、宽和总叶数及株高。 [0063] 试验结果:表4是黄瓜幼苗播种1个月后的生长情况,从表中可以看出,土壤中添加各种炭基肥和生物炭及腐熟牛粪,同对照比较,均对植株生长产生了一定的影响。利用经不同高温煅烧的秸秆生物炭制备的炭基肥,同单独使用SC500对比,各项指标有所提高,尤其是株高方面,炭基肥500同SC500,差异性显著,同腐熟牛粪相比,有所提高,但差异不显著。 [0064] 表4:黄瓜播种1个月后的生长情况 [0065] 注:不同大写字母表示0.05水平上差异显著。 [0066] 效果实施例2对实施例6‑8制得的生物炭基肥进行效果验证,具体如下: 试验地点:济南鲁青生态蔬菜种植中心,主要进行黄瓜生长测试。大棚内充分通风,遮荫挡雨,有防虫网,同时光照、温度、湿度、通风等自然因素均良好,土壤呈中性至微碱性,耕层深厚,保水、保肥性较好。 [0067] 试验设计及处理同效果实施例1。 [0068] 指标测定:采用常规方法测定土壤的有机碳含量、全氮含量、速效磷含量及速效钾含量,检测不同处理对土壤理化性质的影响。 [0069] 表5不同肥料处理30D后土壤理化性质的测定,从表中可以看出,不同肥料处理30D后,同未施加肥料土壤相比较,其各个性状均有不同程度的提高。尤其是施用实施例4‑7制备的基于功能微生物的炭基肥,有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷及速效钾相较于单纯使用生物炭及腐熟牛粪显著高于单纯使用生物炭和腐熟牛粪,说明本实施例中获得的炭基肥,尤其是炭基肥500,在一定程度上可以增加土壤的肥力。 [0070] 表5:不同肥料处理30D后土壤理化性质的测定 [0071] 注:不同大写字母表示0.05水平上差异显著。 |