基于链霉菌的生物土壤调理剂开发实现木霉生产稻米废弃物的生物技术增值

《Brazilian Journal of Microbiology》：Biotechnological valorization of rice waste from Trichoderma production through the development of a streptomyces-based biological soil conditioner

　　

可持续土壤管理对于维持农业生产力并减轻集约化农药使用的环境影响至关重要。本研究评估了利用木霉(Trichoderma asperelloides)生产过程中产生的稻米废弃物作为底物，通过固态发酵(SSF)培养链霉菌(Streptomyces sp. BEI-18 A)，以获得一种生物土壤调理剂。来自木霉生产的稻米废弃物(RWTP)进行了为期七天的固态发酵(SSF)，并根据巴西第35/2006号规范性指令对产品进行了土壤调理剂和改良剂表征。生物分析包括菌落形成单位(CFU)计数、酶活性（β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶）及呼吸测定法。该调理剂还以不同比例施用于玉米(Zea mays L.)盆栽试验，以评估其对土壤生物参数的影响。与对照相比，施用该生物土壤调理剂增加了微生物丰度、酶活性和CO₂释放，使β-葡萄糖苷酶分类从中等提高到充足。尽管理化参数未达到物理或化学分类标准，但该材料满足作为生物土壤调理剂的分类要求。结果表明，木霉(T. asperelloides)生产产生的稻米废弃物可作为底物再利用，用于生产能够增强土壤生物活性的生物投入品。

随着全球人口增长对粮食需求的不断增加，农业系统愈发依赖农用化学品以保障产量，但也因此引发土壤退化、生物多样性丧失以及环境与健康风险等问题。巴西作为农药消费大国，相关挑战尤为严峻。以有益微生物为基础的生物投入品因其低毒性和高生物降解性成为替代农药的重要方向。木霉属(Trichoderma)和链霉菌属(Streptomyces)是其中两类具有农业应用潜力的微生物。生物土壤调理剂不同于生物肥料、生物农药或生物接种剂，其核心目的在于改善土壤的物理、物理化学或生物性质。巴西国家生物投入品计划和第35/2006号规范性指令(Normative Instruction SDA No. 35/2006)对此类产品的定义与分类标准做出了明确规定。固态发酵(SSF)能够利用农业工业废弃物作为底物，但发酵后产生的残余固体材料仍需合理管理。在此背景下，木霉(Trichoderma asperelloides)生产过程中产生的稻米废弃物(RWTP)是否可作为培养其他有益微生物的底物，并通过固态发酵制成具有生物活性的土壤调理剂，尚不清楚。因此，研究人员开展了本研究，以RWTP为底物，通过固态发酵培养链霉菌(Streptomyces sp. BEI-18 A)，旨在获得一种生物土壤调理剂，并依据巴西法规评估其理化和生物特性。该研究发表于《Brazilian Journal of Microbiology》。

研究人员在巴西Beifiur Ltda生物工厂（Garibaldi/RS）进行实验。供试放线菌株BEI-18 A分离自该工厂堆肥堆，经16S rRNA基因测序鉴定为链霉菌属(Streptomyces sp.)，其序列已提交GenBank（登录号PZ379208）。菌株在液体培养基中振荡培养48小时，后放大至10 L生物反应器进行浸没发酵。RWTP不经过灭菌、干燥或研磨，直接作为底物，以20%接种物和含糖、氯化钠的溶液混合后，在25°C下进行为期7天的固态发酵。发酵产物混合取样，依据第35/2006号规范性指令进行理化分析和生物分析，包括菌落形成单位(CFU)计数、β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性测定及呼吸测定法。同时，将调理剂以0%、2.5%、5%和10%的比例施用于采自巴西南里奥格兰德州Carlos Barbosa市Linha 19的Nitosol土壤中，进行玉米(Zea mays L.)盆栽试验，21天后测定植株形态指标和土壤生物参数。数据通过方差分析和Tukey检验（α=0.05）进行统计分析。

菌株鉴定结果显示，BEI-18 A被鉴定为链霉菌属(Streptomyces sp.)，其16S rRNA序列与Streptomyces castrisilvae NR197751.1相似性最高（99.22%），其次为Streptomyces poriferorum NR181639.1（99.06%）和Streptomyces brevispora NR_117081.1（98.91%），系统发育分析支持该鉴定结果。

在生物土壤调理剂评估方面，理化分析显示，产品阳离子交换量(CEC)为59.3 mmolc kg^-1，低于第35/2006号规范性指令规定的200 mmolc/kg最低要求；而水保持能力(WRC₁₀)达到89.1%，高于60%的最低标准。有机碳含量为39.8%，pH为4.23。因此，该产品未能满足理化土壤调理剂的分类标准，但可以依据可定量测定的生物指标进行分类。

细菌浓度和酶活性分析表明，初始接种物中链霉菌浓度为7.81 Log CFU g^-1，固态发酵7天后产品中浓度为7.65±0.05 Log CFU g^-1（4.5×10⁷ CFU g^-1），最终数量仍处于类似系统的预期范围。β-葡萄糖苷酶活性达到846.79 μg p-nitrophenol g^-1 soil h^-1，芳基硫酸酯酶活性为28.79 μg p-nitrophenol g^-1 soil h^-1。这两种酶参与养分循环和有机物分解，是土壤生物活性的常用指标。β-葡萄糖苷酶的显著活性可能与放线菌在有机物降解过程中的主导作用有关。

呼吸测定法结果显示，35天实验期间，施用调理剂的处理组累积CO₂释放量显著高于对照。第5天时，10%处理（T10）释放量达1,651.35 mg C-CO₂ kg^-1 soil，约为对照（125.87）的13.12倍；第35天时，T10累积释放7,081.91 mg C-CO₂ kg^-1 soil，为对照（647.35）的10.94倍（p<0.05）。结果表明该生物土壤调理剂明显刺激了土壤微生物的代谢活性。

在植物生长促进评估中，玉米盆栽试验显示，不同处理间株高、茎粗和地上部干物质均无显著差异；10%处理根干重显著低于对照，而2.5%和5%处理与对照无显著差异。供试土壤本身具有高肥力，pH为5.9，磷和钾含量均处于极高水平，这可能是限制检测额外植物响应的主要原因。土壤生物参数方面，所有接种处理均显著提高了土壤微生物丰度（Log CFU g^-1）；芳基硫酸酯酶活性在各处理均达到充足水平，其中2.5%处理显著高于对照；β-葡萄糖苷酶活性随调理剂施用比例增加而显著升高，其分类从对照的中等水平提升至充足水平。这表明该调理剂能够增强土壤生物活性。

讨论部分指出，尽管微生物和酶学指标的提升支持产品的生物活性，但研究中未设置如未接种RWTP、灭菌底物或商业调理剂等额外对照，因而无法明确区分有机底物、残留木霉结构和链霉菌各自对观察效果的贡献。未来研究需要在低肥力或退化土壤上进行，并延长培养周期，以更全面评估其农艺表现。

研究结论可总结为：基于链霉菌在木霉生产稻米废弃物上培养获得了生物土壤调理剂。依据第35/2006号规范性指令，该产品被分类为A类——生物类，因为它促进了微生物丰度、酶活性和微生物代谢活性（以CO₂释放度量）的提升。其可测定的生物参数（CFU g^-1计数和β-葡萄糖苷酶活性）明确可定量，且β-葡萄糖苷酶对碳循环具有重要意义。理化参数中的水保持能力(WRC₁₀)符合要求，表明产品可能增强土壤在干旱等极端条件下的韧性。玉米盆栽试验中，施用该调理剂提高了土壤微生物丰度和酶活性，并将β-葡萄糖苷酶活性分类提升至充足水平。呼吸测定法也显示累积CO₂释放量显著增加。该产品有助于可持续土壤管理策略，但需进一步田间研究确认其农艺和环境效益。该技术不仅为工业副产物提供了处置方案，也促进了农业工业废弃物的再利用，与多项联合国可持续发展目标（SDG 2、9、12、15）相符。