林业剩余物堆肥过程中木质纤维素降解菌复合菌系的构建与固定

20241230

农、林、牧、渔业

上述四项专利以解决木质纤维素降解难题为核心，构建了一套从菌株筛选到应用开发的完整技术体系，并在实验室和实际应用中表现出较高的技术成熟度与推广潜力。专利“一种木质纤维素降解微生物菌剂及其制备方法和应用”（ZL202310705740.4）筛选并优化了一株高效降解木质纤维素的菌株，通过调控堆肥条件显著提高了菌剂中纤维素酶和木聚糖酶的活性，将其应用于林业剩余物堆肥中，显著提高了堆肥过程中的堆体温度及木质素过氧化物酶、漆酶、纤维素酶和木聚糖酶活性，降低pH值；木质素、纤维素和半纤维素的降解率分别提高118%、159%和90%，优质腐熟堆肥生成时间缩短至37天。专利“一种提高木质纤维素降解和糖转化率的联合预处理方法”（ZL202410309666.9）通过优化化学预处理联合白腐真菌预处理秸秆的条件，有效破坏秸秆木质纤维素结构，并将秸秆高效降解转化为可生物利用的糖类，用作第二代燃料乙醇的生产。联合预处理显著提高了木质纤维素降解的选择系数，木质素降解率相较单独化学预处理和白腐菌预处理提高了19.8%和38.2%，选择系数相较单独预处理提高了66.7%和11.1%。专利“一株具有木质纤维素降解能力的暹罗芽孢杆菌及其应用”（ZL202411304252.3）重点解决堆肥环境复杂、传统菌剂适应性差的问题。成功分离出一株具有较强木质纤维素降解能力的微生物，经鉴定为芽孢杆菌属（Bacillus）的暹罗芽孢杆菌（Bacillus siamensis），可产生木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和纤维素酶，将其制备为液体菌剂，提高了堆肥过程的有机质降解率（61%）；同时，木质素、纤维素和半纤维素降解率分别为43%、51%和45%，缩短了堆肥进程，改善了堆肥产品品质。专利“一种堆肥木质纤维素的降解方法”（ZL202311075459.3）通过不同滤光薄膜选择性过滤太阳辐射波段，研究其对堆肥过程及产物的影响，确定最优光照波段；在此基础上，添加不同浓度的二氧化钛光催化剂，探讨其调控作用，优化堆肥过程中的光辐射降解木质素转化为腐殖质的过程。堆肥产物中的纤维素、半纤维素、木质素含量分别显著下降了14.31%、15.89%、25.36%，腐殖质含量、胡敏酸含量、聚合度显著增加了9.51%、11.95%、37.42%。 从技术成熟度来看，以上专利技术的实验室阶段研发工作已完成，核心工艺和产品参数得到了系统验证。在科技成果转化方面，以上专利技术正处于从实验室研究到中试的关键阶段。同时，研究团队正在开展基于市场需求的应用方案设计，包括面向不同地区和气候条件的技术优化，以及与堆肥机械设备相结合的集成应用模式。未来，随着核心技术的不断优化和市场推广工作的深入推进，以上专利技术有望在林业、农业废弃物资源化领域实现广泛应用，显著提升资源利用效率，为绿色循环经济的发展提供强有力的技术支撑。

为实现木质纤维素降解及其应用专利技术的高效转化，研究团队根据当前技术需求与产业化目标，提出对拟合作方在资金、场地、设备、人员及市场能力等方面的具体要求：1、资金需求：（1）中试阶段资金：需投入10-50万元人民币，用于建立中试生产线，包括核心设备采购与安装、菌剂小批量试制、堆肥试验验证以及技术优化。（2）规模化生产启动资金：后续正式投产阶段，建议投入50-100万元人民币，用于扩大生产规模，提升技术成熟度，构建质量控制体系，覆盖包括堆肥设备升级、包装设备购置、市场推广费用等环节。（3）分期投入与成本细化：初期重点投向设备及生产线建设（约占总资金的60%），中后期用于产品检测、认证与市场推广（约占总资金的40%）。2、场地需求：（1）试验及生产场地：需提供不少于100平方米的场地，其中：堆肥发酵区：约60平方米，需满足高温堆肥及实验堆肥的操作需求，配备基础供水、排水设施；菌剂生产及存储区：约20平方米，用于菌剂培养、存储和发酵罐操作；技术研发及办公区：约20平方米，提供供电及网络设施，用于技术研发和数据分析。（2）其他要求：场地应符合环境安全和清洁生产标准，建议位于林业或农业废弃物资源丰富区域，便于原材料供应和运输。3、设备需求：（1）核心设备配置：粉碎设备：1台；发酵罐（或者发酵池）：至少2套，容量为1-3立方米，具备温控、搅拌功能；翻堆设备：2台，支持机械化堆肥翻转；筛分设备：1台，用于堆肥后期筛分。4、技术与人员配置需求：（1）生产与技术人员：需合作方提供2-4名核心人员：2名生产操作员，负责菌剂生产和堆肥工艺操作；1名设备维护员，负责设备安装、调试和日常维护。（2）技术支持与培训：研究团队负责人员培训，内容涵盖堆肥工艺参数控制、菌剂培养操作规范、检测指标分析方法等，确保合作方具备独立生产能力。5、市场推广与运营能力：（1）目标市场：以林业和农业废弃物资源化利用为主，覆盖生态环保、土壤改良、绿色肥料等领域。（2）市场拓展计划：合作方需具备市场推广渠道及运营经验，包括参与展会、招标项目，拓展林业企业、大型农场等合作伙伴。（3）产品认证：负责推动堆肥产品和菌剂通过有机肥、生态肥等相关认证，提升市场竞争力。6、合作机制：（1）联合示范基地建设：合作方与研究团队共同建立中试示范基地，作为技术研发与市场推广的核心依托。（2）长期合作计划：探索技术授权、联合申请政府专项资金、利润分成等多样化合作模式。合作方可根据市场反馈提出技术升级需求，团队提供相应研发支持，实现持续优化和共赢。（3）知识产权保障：合作期间，研究团队保留核心专利及技术产权，合作方享有技术使用权和生产推广权，明确收益分配机制。7、转化目标：（1）近期目标：完成核心技术的中试验证及产品小批量生产，优化工艺参数，实现堆肥产品在生态农业、林业等领域的应用推广；（2）中远期目标：实现技术全面产业化，将菌剂和堆肥技术推向更广泛的市场，提升林业废弃物资源化利用效率，推动绿色循环经济发展。

可国（境）内外转让

以上成果基于木质纤维素降解及其资源化利用的技术创新，通过菌株筛选、工艺优化及产业化应用开发，预计在经济效益和社会效益方面实现以下成果：1、经济效益：（1）资源利用增值：通过高效降解林业剩余物中的木质纤维素，将废弃物转化为高价值的有机肥产品，实现废弃物从“处理成本”向“经济资源”转变。（2）生产成本降低：专利技术优化了堆肥过程，通过添加菌剂、光催化技术及联合预处理显著缩短了堆肥周期（从传统的60天缩短至30天），提高了生产效率，同时减少了能源和人工投入。预计单批次堆肥生产成本降低45%-65%，提高企业利润率。（3）衍生产品市场开发：专利技术具备扩展性，可通过调控菌剂成分和工艺参数衍生出适用于土壤改良、生态修复的功能性产品，开拓土壤修复、生态治理等高附加值市场领域。预计3年内将新增衍生产品收入500-1000万元以上。（4）技术授权收益：技术成熟后，可向农业、林业废弃物处理企业进行授权，预计单项技术授权费用为50万元，技术推广将为研究团队和合作方带来长期稳定的经济回报。2、社会效益：（1）生态环境改善：项目技术可显著提升林业剩余物、秸秆等废弃物的资源化利用效率，减少焚烧或填埋带来的环境污染。每处理1万吨林业废弃物，可减少约4000吨CO??排放、减少填埋污染面积10亩，有助于实现“双碳”目标。同时，堆肥产品富含腐殖质及有机质，能有效改善土壤结构、提升土壤肥力，对土壤退化地区的生态修复具有重要作用。（2）农林业绿色发展：堆肥产品符合绿色农林业发展需求，可部分替代化肥使用，减少化肥污染和土壤盐渍化风险，推动农业种植方式向可持续方向转变。预计每年可减少化肥使用量500吨，减少农业面源污染约30%。（3）就业带动效应：技术转化与产业化实施将直接创造就业岗位，包括菌剂生产、堆肥操作、市场推广等领域岗位，预计每年新增就业10-50人，间接带动相关服务行业发展。（4）技术普及与示范作用：项目成功转化后，可作为生态农业和绿色循环经济的示范案例，为其他领域的资源化技术推广提供借鉴，推动我国农业、林业废弃物处理技术整体水平提升。3、预期成果应用范围：（1）国内市场拓展：在林业和农业废弃物资源化领域建立市场标杆，重点推广于废弃物产量大的地区，如东北、华北、长江流域等，预计覆盖市场规模超过5-10亿元。（2）国际技术推广：针对“一带一路”沿线发展中国家的废弃物处理需求，输出技术和产品，服务全球绿色农业与生态治理。预计在国际市场每年实现100-500万元技术输出收入。4、长期效益：通过上述效益的逐步实现，本项目有望推动绿色循环经济的发展，为解决我国林业剩余物处理难题、构建低碳社会提供有力支持。同时，项目的成功实施将为林业、农业废弃物资源化利用相关产业的全球化发展提供技术储备和产业化经验，助力我国在国际生态环境领域占据技术制高点，推动我国相关产业迈向高质量发展阶段。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

利用微生物菌剂促进林业剩余物堆肥中木质纤维素的降解，以提高堆肥效率，是国内外林业剩余物无害化、减量化和资源化研究的热点。但是，微生物菌剂在调控木质纤维素降解方面的机制仍不明确。本研究针堆肥过程中木质纤维素降解率低、堆肥周期长及市售微生物菌剂特异性差等问题，探究林业剩余物与牛粪联合堆肥模式下，外源添加剂对堆肥性能的影响。结果表明，添加10%浮石可使联合堆肥的孔隙比、有机质降解率、硝态氮、有效磷和有效钾分别提升35%、25%、110%、24%和9%；体积密度和铵态氮含量分别降低20%和65%；优势细菌（如Planomicrobium、Flavobacterium、Pseudomonas）的相对丰度和真菌多样性显著提高，将堆肥周期缩短至39天。基于上述技术模式，分离并鉴定出3株高效木质纤维素降解菌：Bacillus（B4）、Streptomyces（J1）、和Clonostachys（J2）。在3%（W/V）海藻酸钠浓度、75%菌悬液添加量、3%（W/V）CaCl2浓度、8h交联时间的最优条件下，成功制备固定化复合菌剂。将其应用于林业剩余物堆肥中，显著提高了堆肥过程中的堆体温度及木质素过氧化物酶、漆酶、纤维素酶和木聚糖酶活性，降低pH值；木质素、纤维素和半纤维素的降解率分别提高118%、159%和90%，优质腐熟堆肥生成时间缩短至37天。通过上述研究，共建了林业剩余物堆肥过程中木质纤维素降解菌复合菌剂构建与固定的应用基础理论及技术体系，为研发大规模林业剩余物高效、低成本转化相关技术奠定基础。