（环境工程专业论文）速生材高得率制浆废液的资源化利用.pdf

摘要 利用速生材高得率制浆废液作为天然培养基培养枯草芽孢杆菌s v l 菌株，实现废液 的生物转化，并将转化液用于作物和土壤中，考察其对防治作物病害、促进作物生长和 改善土壤生态环境的应用效果，为减轻制浆废液处理负荷和实现资源化利用寻找新的途 径。 本论文研究了s y 1 菌株在速生材高得率制浆废液中的转化条件。结果表明，较适宜 的转化条件为：初始p h 为8 ，装液量1 0 0 2 5 0m l ，接种量5 ，温度4 0 ；在此培养 条件下发酵液的c o d 转化率达到6 1 2 3 。同时，转化液对供试的8 种番茄病害真菌的 均产生明显的抑菌作用。 利用不同稀释倍数的速生材高得率制浆废液原液和转化液对白菜种子进行浸种处 理，通过对种子发芽和幼苗生长的研究表明，在适宜的稀释倍数下，原液和转化液均可 促进白菜种子发芽和幼苗生长；在相同的稀释倍数下，转化液组的促进作用要明显优于 原液组。当转化液稀释2 5 倍浓度时，种子活力指数达到1 3 0 3 8 ，比原液组效果较好的 2 0 倍稀释浓度组提高了4 7 1 2 ，比清水对照组提高了1 6 5 1 6 。同时，稀释2 5 倍后的 转化液组，幼苗茎长为1 3 1 c m ，根长为2 4 9c m ，鲜重为4 0 5m g ，与原液和清水对照组 情况相比都有了明显的提高。 大田试验中，对番茄根际土壤中微生物的数量分析表明，处理组的土壤中，细菌数 量比对照组增加了6 2 5 ，放线菌数比对照组增加1 6 2 5 ，而真菌数量则减少了3 3 ， 说明转化液可有效改善微生物区系的生态。 一。1 本文研究的结果表明，利用速生材高得率制浆废液作为天然培养基培养枯草芽孢杆 菌s y 1 菌株，并将所获的有益微生物用于污染农田的生物修复是速生材高得率制浆废液 资源化利用的可行途径。 关键词：制浆废液；枯草芽孢杆菌：转化条件；拮抗；促生 a b s t r a c t u s i n gp o p i 孤w a s t e w a t e r 舔m e d i u mt 0c u i t u 他6 口咖讲肋叼加s y 二l 锄du s i n gt h e f e 邢e n t e di i q u i dt 0a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，i sag o o dm e t h o dt od i s s 0 i v et l l ep o l l u t i o nf m p u l p i n gw 弧e w a t e r 锄dc o n t r o lt h ec r o p sd i s e a 辩s t h i sr e c l a m a t i o nc h 锄g e st h et r 乏m d i t i o n a l m e t h o d 锄dt h ei d e ao fu s i n gc e r t a i n 鲫b s t a n c e so fw 嬲t e 、a t e r t h en 硼s f b 咖a t i o nc 锄b e u s e di np o l l u t i o nc r o p i 锄dt 0r e s t o r a t i o n ，e 嬲订yf i n i s h i n gc i r c u l a t i o ne c o n o m i cr 0 e rc h a i n s o t h i si st h en e w 印p r o ho fa g r i c u l t l l m ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h es t u d y 陀s e a r c h e dt h e0 p t i m u mf i e r i n e n t a t i o nc o n d i t i o n sf o ru s i n gp o p l 盯w a s t e w a t e r 髂 m e d i u mt 0c u l t u r e6 钟胞r 脚鲫口切s y - 1 t h er e s u l ts h o w ss y - 1c 锄u s i n gt h ea c t i v ep r i n c i p i e t 0i n c 陀a s e ，锄dt h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n sw e 他弱f o o w ：i n i t i a lp h8 ，t h e 锄o u n to fii q u i dl0 0 m l _ ，2 5 0m l ，i n o c u i u mq u 卸t i t y5 ，t e m p e r a t u r c4 0 u n d e rt h e c o n d i t i o n s ，t h ec o d r e m o v a lr a t ew 勰61 2 3 t h ef e m e n t e dl i q u i dd i s p i a y e dab m a d - s p e c t m m 粕t a g o n i s t i ct 08 p a t h o g e n s t e s t e di nt h es t u d y t h es e e d so fc h i n e s ec a b b a g e sw e r es o a k e dw i t hs e r i a yd i l u t e do fn l 、w a s t e n a t e ra n d f e r m 翎t e dl i q u i d ( a 舭rf e 肼t a t i 姆b a c l e r i a ls t r a i 卅s ! 臻t h e 髑鳓恼s h o w e dt h a t 豫w 一一二 w 私t e n v a t e r 卸df e r m e n 倒l i q u i d ，w i t ht h e 蛐i t a b l ec o n c e n t r a t i o n ，c o u l di m p r o v es e e d g e m l i n a t i o n 锄d 掣o 、矶h ；w i t ht h es a m ec o n c e n t r a t i o n ，t h ee f r e c to f 诧r m e n t e dl i q u i dw e 他 o b v i o u s l y b e t t e rt h 绷t h er a w 、v a s t e n v a t e r b e s i d e s ，t h ef e m 朋t e dii q u i d ( 2 5t i m e sd 1 u t i o n ) w 弱 跚p e r i o rt 0t h eo t h e 体，r e a c h i n g l3 0 3 8t ov i g o ri n d e x ，i n c 他a s i n g4 7 12 c o m p 鲫e dw i t hm v w 邪t 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eo f w 邪t e w a t 既 k e yw o r d s ：p o p l 甜w a s t e w a t e r 肋c 讲淞s 材6 ，船s y 1 ，f e 咖e n t c dc o n d i t i o n s ，a n t a g o n i s m ， p r o m o t i n gp l a n tg r o 、矶h 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 1 1 速生材高得率制浆的研究进展 1 1 1 速生材作为造纸原料的应用 纸是现代生活和工业生产不可缺少的物质，随着全球的用纸量和人均消耗量不断 增加，造纸行业有着巨大的发展潜力，造纸行业兼具轻工和重化工特点，作为资金和 技术高度密集的产业，是仅次于钢铁、石油的第三大制造业【1 1 。 造纸原料是造纸工业发展的基础，在我国造纸工业持续、快速发展过程中，造纸 纤维原料的供应短缺导致我国造纸行业的结构矛盾的突出，成为行业发展的瓶颈，同 时，其中原料结构的不合理及供给不足已严重制约我国造纸工业持续、健康发展【2 】。 我国造纸工业稻麦草原料丰富，木材原料相对缺乏，但是以稻麦草为原料生产的 纸多为中低档纸张，远远满足不了造纸工业的新发展。为此国家作出决策，实行林纸 一体化发展的战略，种植和使用了速生树种中的杨木( 北方地区) 和桉木( 南方地区) ， 大力筹建纸浆速生材基地，促进了造纸业的进一步发展。 速生材具有生长快，适应性强，抗寒及抗病虫害能力强，木质轻，易加工，管理 粗放等特点，是优质的丰产林树种。速生材广泛用于建筑装修、人造木板以及造纸等 行业，有着其它树种无法替代的工业利用价值。作为速生树种，树木一年就可生长到 7 米，树干平均直径超过3 厘米，将其用于制浆造纸，可有效缓解造纸原料的供求矛 盾。 隋晓飞等【3 l 对杨木和桉木的化学制浆工艺进行了比较，研究发现，杨木浆易蒸煮， 粗浆细浆得率高，纸浆的硬度低，容易漂白，撕裂度、白度、抗张强度、耐破度均相 对较高。而桉木浆不易蒸煮，浆料得率低，纸浆硬度低，不易漂白，需消耗较多的化 学药品，物理强度亦相对低点，同时，速生材生长迅速，材色浅，密度和针叶材相似， 孔隙多，比重和硬度小，对药液的吸收和机械磨浆极为有利【4 】，因此，从蒸煮、得率、 漂白、物理检测和经济效益等方面综合考虑得出，速生材在实际生产中应用广泛，是 发展我国制浆造纸工业，建立原料基地林最前景的速生阔叶材树种。而随着制浆造纸 工业技术装备水平的进步和新生产工艺的开发，作为阔叶林的速生材已成为制造木浆 的主要原料，并能生产出质量价格比最佳的商品木浆。 同时，速生材的木素含量较低，而纤维素、半纤维素的含量较高，化学组成为多 聚糖( 8 0 的综合纤维素，其中5 0 的纤维素和3 0 的半纤维素) 和木质素( 2 0 或更 少) ，所以速生材颜色鲜艳发白，木片的白度达到6 l 6 2 ，因此，用速生材制成的纸 浆白度相对地高【5 】。尤其是将速生材木片化学浸渍处理时，比如，亚硫酸盐杨木的漂 白化学热磨机械浆( b c ，n 胛) 初始白度为7 0 7 2 ，传统的b c p m p 制浆工艺使用n a o h 和n a 2 s 0 3 ，而碱性过氧化氢制浆工艺则使用h 2 0 2 ，亚硫酸钠或过氧化氢用来保持浆料 的白度，并防止氢氧化钠与木素反应引起的浆料返黄【6 j 。 l 前言 1 1 2 速生材高得率制浆的概况 目前比较先进和节能环保的造纸工艺均采用高得率制浆方法，高得率浆是指用化 学的( 有时是生物的) 、热的和机械的方法，使纤维原料分离，制浆得率在7 5 以上的 浆种，主要有传统的磨木浆以及近年来发展起来的c m p 、t m p 、b c n 但、a p m p 、 b i o m p ( 生物机械浆) 等【刀。随着制浆技术和工艺设备的发展进步，传统的高得率浆已 经逐步被新兴的浆种所取代，特别是针对速生材原料的b c t m p 和p r c a p m p 等浆种由 于其纸浆性能好、适用性强，已成为近年来制浆技术发展的重点。随着我国速生材种 植面积的不断扩大，高得率清洁制浆工艺在国内必将有更大的发展。 高得率制浆工艺是九十年代初美国a m i 撕协s p r o u t b 鲫盯公司开发的专利技术，其 主要原理是在磨浆前用高压缩比螺旋进行挤压处理，强化药液浸透，然后即加入h 2 0 2 等化学药品进行漂白反应，从而省却了在磨浆后再进行漂白的一系列设备1 9 】。 1 1 2 1 高得率制浆的典型流程和优势 目前比较先进和节能环保的造纸工艺均采用高得率制浆方法，高得率浆是指用化 学的( 有时是生物的) 、热的和机械的方法，使纤维原料分离，制浆得率在7 5 以上的 浆种，主要有传统的磨木浆以及近年来发展起来的c m p 、t m p 、b c l m p 、a p m p 、 b i o m p ( 生物机械浆) 等【9 1 。随着制浆技术和工艺设备的发展进步，传统的高得率浆已 经逐步被新兴的浆种所取代，特别是针对速生材原料的b c t m p 和p r c a p m p 等浆种由 于其纸浆性能好、适用性强，已成为近年来制浆技术发展的重点。随着我国速生材种 植面积的不断扩大，高得率清洁制浆工艺在国内必将有更大的发展。 速生材高得率制浆工艺的典型流程为： 木片洗涤机一脱水螺旋_ 预蒸仓_ 一段螺旋压榨机_ + 一段常压反应仓 一二段螺旋压榨机_ 二段预浸反应仓一一段盘磨螺旋脱水机_ 二段盘磨_ 消潜池_ 筛选浆池。 木片经水洗后，送至斜脱水螺旋，脱水后进入第一段预蒸仓( 常压，停留5 3 分 钟) ，送一段螺旋压榨机，进入浸渍器进行第一段浸渍( 大约停留2 分钟) ，通过常压 螺旋送第一段反应仓。出第一段反应仓的木丝团经常压输送螺旋送至第二段螺旋压榨 机，将挤碾后的木丝团送入第二段浸渍器，然后将浸渍后的木丝团送至第二段汽蒸仓。 反应后的木丝团经计量螺旋送入第一段盘磨。速生材高得率制浆工艺一般是常压磨 浆，常压磨浆其磨区压力较低，以减少h 2 0 2 无效分解，对提高浆料的白度有利。浆 料至常压扩散器，大量白水加入扩散器中，用来冷凝浆内的蒸汽，并稀释浆料达3 5 4 5 的浓度，在中间浆池贮存一段时间消潜后，泵送至螺旋脱水机，进行洗涤并浓缩 到较高浓度，经双辊计量螺旋进入第二段常压盘磨磨浆。磨后浆在消潜池内停留一段 时间进行消潜。 高得率制浆具有以下几方面的特点： 天津科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 得率高 高得率制浆法在蒸煮过程中，对纤维原料的损害作用比碱法蒸煮弱，木素磺化作 用缓和，去除木素少，浆中半纤维素含量高，粗浆得率比碱法高约l o ，但浆中木素、 半纤维素含量过多，将影响成纸质量碡同弱葫贰1 爵酊为了磲证质量，必须把得率 控制在一定范围内。 ( 2 ) 成本低 高得率制浆法制浆纤维长，滤水性好，有利于废液提取，泡沫少，易洗涤，好筛 选，在净化过程中浆料流失也较少，能节约大量清水，其节水量可达4 0 。半纤维素 含量高，易打浆，洗涤能力比碱法能提高2 0 以上。 ( 3 ) 有利于提高产量和质量 高得率制浆法制浆由于半纤维素含量高，易打浆。在抄纸时，不易粘辊、粘毛布， 易干燥，纸张强度高，有利于提高车速增加产量。纸张不透明度高，适印性好，有利 于提高纸张质量。 ( 4 ) 降低环境污染 制浆造纸行业废水是较大污染源之一，而高得率法制浆废液，因含有大量有机物 和氮、磷、钾等元素，是养分较全的一种复合肥料。实践证明，高得率法制浆废液对 农作物有利：废液中的物质是从农作物的茎杆溶出的有机质和蒸煮药液的残余物质。 。、 1 1 2 2 高得率制浆工艺原料 速生材高得率制浆工艺主要应用在两个方面，利用过氧化氢漂白达到高白度的机 械浆中和在强度性能保证的前提下，耗能低的纸浆中。自高得率制浆工艺出现以来， 国内外的造纸工作者对各种原料高得率制浆工艺广泛的进行了研究。g e o r g e 【l o 】等人用 麦草b c t m p 浆抄造高白度印刷用纸，麦草b c 砷胛易漂至高白度，而化学品不用回 收，避免了硅干扰。e r i cf 啦】在实验室研究中发现黄麻b c t m p 比山杨b c t m p 更适 合抄造印刷书写用纸、薄页纸和纸板。e r i c 等人关于南美桉木b c n 仰和c t m p 的制 浆对比中，发现，利用b c t m p 更适合生产高白度的纸种，如薄页纸和印刷书写用纸， 因为b c 瑚p 纸浆可以漂白达到8 9 i s o ，而c t m p 却超不过8 5 i s o 。s t 觚【1 3 】等人 做了山杨、山毛榉、桦木、棉木和槭树p r c b c t m p 的研究，研究结果表明b c t m p 比较适合阔叶材原料，因为强度性能和白度性能都比较合适。其中桦木在相同的纸页 密度情况下，抗张强度和撕裂度最好，棉木次之，其余三种不相上下；而耐破度则是 桦木最好，杨木、山毛榉和棉木次之，槭木较差：在抗张强度属于4 0 6 0 n i l 垤范围 内时，阔叶高得率制浆比相应硫酸盐浆的松厚度优秀，对抄造薄页纸、印刷书写用纸 和纸板有利，国内对高得率制浆的研究做的较多的是速生杨木和速生桉木多方面【1 4 】。 1 1 2 3 速生材高得率制浆废液的产生 速生材高得率制浆作为一种半化学浆半机械浆工艺，按工序排出三股水，一是制 浆废液；二是分离废液后纸浆的洗、选、漂水，也称中段水；三是抄纸机上的白水。 其中制浆废液是造纸厂污染的主要根源。速生材制浆废液中的成分对c o d 和色度的贡 l 前言 献值如表1 1 所示l 5 1 。 表1 1 制浆废液组成对c o d 和色度的贡献值 t a b i el - lt h e i i t | m to fc o d 锄d c h m 嗽i n p o p k b c 耵胛撇w a 毫e r 高得率制浆与化学制浆相比，用水量大大减少，因此废水中各项指标浓度有所提 高，工艺不同、原料不同，废水负荷也会有较大差别。速生材高得率制浆的化学药品 不含硫和氯，因此废水污染比传统工艺小小，治理也相对容易。丁来保等【1 6 】对废水毒 性进行研究后发现，由于不同的原料导致抽出物差异显著，不同的速生材高得率制浆 废水的毒性顺序按照桉木、松木、杉木、杨木依次减小。由于各国排放标准不同，各 厂实际情况也不相同，对废水的处理方法也不相同。对此，国内外众多研究机构和大 量科研人员开展了对造纸废液的综合治理和资源化利用研究1 1 7 j 。 1 2 速生材高得率制浆废液的资源化利用 自上世纪9 0 年代中期以来，我国相继出台了许多相关政策，大力治理造纸黑液的 污染问题。下决心关闭了年产量在5 0 0 0 吨以下的小造纸厂l l 研。但是，由于社会对纸张 的需求量日益增长，供需矛盾突出，个别地区、企业为了经济利益，在黑液没有经过 环保处理的情况下，仍在继续偷偷排放，人民群众的居住和生存环境受到极大的威胁。 传统的治理方法有： t ( 1 ) 碱回收处理法。大型纸厂多采用传统的碱回收处理方法i 嘲。即将提取的黑液经 蒸发浓缩到5 0 以上后，送入碱回收炉进行燃烧。将有机物烧去，余下无机物为n a c 0 2 和n a 2 s ，呈熔融状，再经溶解澄清后成为绿液；然后加入石灰苛化成为氢氧化钠，并 与苛化生成的白泥分离，最后得到白液( 氢氧化钠和硫化钠) ，可供蒸煮使用【2 0 】。白泥 还可以在煅烧后回收石灰，再用于生产。在黑液燃烧时所得蒸气亦可再用于生产1 2 l j 。 在生产实践中，碱回收率有的高达9 5 9 8 ，十分可观。但因其设备投资费用巨大，运 行成本高，极不经济，对许多纸厂而言无法承担l 2 2 j ( 2 ) 化学处理法。一些纸厂也采取化学处理方法，但同样存在着化学药品消耗较多， 运行费用高的缺点，有的甚至超过纸的利润，这也是一些企业不认真处理黑液，偷偷 排污的原因之一1 2 引。同时，化学处理后的沉淀物并未消除，如下雨后又流入江河，会 造成再次污染1 2 4 j 。 制浆废液因有机物浓度高、产量大，处理工艺复杂，以上各处理方法虽然目前得 以广泛应用，但由于制浆废水量巨大，成本居高不下，处理效果并不理想。仍有部分 天津科技大学硕士学位论文 造纸厂将制浆废水混入中段水中，经过稀释后直接偷排，对自然水体造成了极大污染 【2 5 侧。因此，如何利用制浆废液中的物质，变废为宝，在解决废水污染的同时又降低 了成本，成为目前国内外学者广泛关注的问题。 1 2 2 资源化利用 一 一 一 一 纤维素为造纸的有效成分，约占4 0 ，聚糖类和木质素等约占原料的6 0 ，在制 浆过程中被分离，与加入的水和残碱一起形成废液。废液的颜色深，碱性大h 值为 9 1 0 ) ，因此，废液治理是解决造纸工业污染中首要和亟待解决的问题【2 7 l 。制浆废液所 含的污染物质中，约有l 3 为无机物，约2 3 为有机物，其主要由木质素、半纤维素、 糖类和有机酸等组成。目前，已有对制浆废液进行资源化利用，寻找其治理新途径的 研究。 1 2 2 1 有机复合肥和土壤改良剂 木素分子结构中含有多种活性基团，在土壤中被微生物缓慢降解后转化为腐殖 质，对土壤脲酶活性有一定抑制作用，能促进植物生长、改良土壤。利用造纸废液的 碱木素为原料，按一定的液比，将木质素溶解在稀氨水中，添加复合催化剂，在一定 温度和氧压下经氨化、氧化反应，可制得含氮量为1 5 4 7 的氨氧化木质素氮肥。以造 纸废液中回收的木质素与尿素及其他助剂按比例先后掺混，送入反应器中进行改性合 成，可制得木质素氮肥，其具有缓释、长效、抑制脉酶活性、提高氮肥利用率等作用 i 嬲o 】。改性合成，可制得木质素氮肥。 1 2 2 2 水煤浆添加剂 将废液提取、浓缩后加入煤粉制造废液水煤浆，燃烧时排放的气体达标，焚烧残 渣还可作为建筑材料。造纸废液提取的木质素具有一定的分散和稳定作用，可分别制 成水煤浆的分散剂和稳定剂。在碱性和一定的温度条件下，木质素与甲醛、亚硫酸钠 进行磺化反应，可制得水溶性良好的分散剂。在中性条件下，以改性木质素为基料， 与分散剂或表面活性剂复配，能制得性能优良的水煤浆添加剂【3 2 j 。 1 2 2 3 胶合板黏合剂 碱木素具有类似愈疮木酚与焦儿茶酚的化学结构，应用这一特性可以用碱木素代 替酚类化合物合成线性酚醛树脂。以造纸废液回收的木素取代价格昂贵、污染环境的 苯酚原料，其取代量可达到约5 0 f 3 射。但经甲基化后的碱木素制成粘合剂的缺点是抗 水性、流动性较差，固化温度高，相比之下用脱甲基化改性后的木素制成的木素基酚 醛胶则性能较好，原因是脱甲基木素含较多的愈疮木酚和焦儿茶酚，其反应活性接近 间苯二酚，高于苯酚，可完全代替苯酚生产木材粘合剂【3 4 j 。 1 2 2 4 混凝土减水剂 目前国内常用的木素型减水剂大多以木素磺酸盐或其改性产品为主要成分。用废 液木素制木素磺酸盐型减水剂的方法有以下三种化学改性法，即在木素中引人磺酸基 或改变其活性基团，使其与单体甲醛接枝共聚复配法，即通过机械混合方法，将不同 l 前言 的减水剂或外加剂均匀地混合为一体，可克服单一应用一种木素磺酸盐减水剂时在某 些性能上的不足联合法，就是采用化学改性和复配相结合的方法，通过这此方法制得 的减水剂均具有较高的减水性和良好的透气廑j 盟水泥的凝固无不良影响【3 5 1 。一 一 1 2 2 5 颗粒活性炭 以芦苇制浆废液酸沉木质素为原料，使用流化床在5 0 0 下炭化5 分钟，再将其与 k 2 c 0 3 以比例混合转人管式炉中在9 0 0 下活化6 0 分钟。通过对氮气以及对漂白废水中 苯酚的吸附表征，表明该法所制备的木质素微孔活性炭的比表面积可达1 2 1 9 平方米 克，且吸附苯酚的性能良好，能快速到达1 3 6 2 毫克克的吸附量。硫酸盐法制浆造纸 废液采用添加木屑直接炭化，苛性碱活化法可直接制造高脱色力的活性炭1 3 刀。此法 活性炭得率高，碱回收率约8 6 ，亚甲基蓝脱色2 3 毫升，总铁量o 0 2 ，氯化物o 1 2 ， 灰分1 6 0 ，性能优异。 另外，对制浆废液进行改性后，还可用作植物生长调节剂、动物饲料添加剂、实 用菌营养剂、污水处理絮凝剂、染料分散剂、橡胶补强剂、抗氧化剂和合成香兰素等 1 3 8 1o 在制浆废液资源化利用方面的研究国内外已经取得了较大的进展，其中比较成功 是通过酸析等方法提取废液中的木素，并用于制取水煤浆添加剂、制取水泥减水剂、 与矿粉作用制活化磷肥或作为土壤改良剂等，但目前国内外还没有将造纸废液直接用 于生物转化并用于土壤修复的报道。 1 3 土壤污染和作物病害污染的生物修复 1 3 1 土壤污染和作物病害污染 土壤污染是指人类活动产生的污染物通过各种途径进入土壤，其数量和速度超过h 了土壤的容纳和自净能力，而使土壤的性质、组成及性状等发生变化，使污染物的积 累逐渐占优势，破坏了土壤的自然生态系统，并导致了土壤的自然功能失调，土壤质 。 量恶化的现象，给生态系统造成了危害，总结起来有以下几类：土壤中的污染物通过 雨水淋溶作用向下渗透，可能导致地下水的污染；受污染的土壤颗粒物等形式能直接 或间接地为人或动物所吸收；外界环境条件的变化如酸雨、施加某些土壤添加剂等因 素提高了土壤中污染物的生物可利用性，使得污染物较容易为植物吸收或动物，微生 物分解利用而进入食物链，对食物链上的生物产生毒害。 植物病害一直以来都是农业生产中不可忽视的一大难题。植物病害一直严重地威 胁着农业生产。人类防治植物病害可以追溯到几千年前，过去使用的多为植物性或无 机化学农药。上世纪4 0 年代初期，有机合成农药大量产生，有效地控制了病害，但 抗药性、环境污染和人类健康受到威胁，即三害( 3 r ，r e s i s t a n c e ，r s e i d u e ， r e s u y g e n c e ) 。3 r 问题的出现引起了人们的广泛关注，化学农药对病情控制具有速效 特性，是当前生产中病害防治的主要方式。然而几十年来化学农药的大量施用，在控 制病情保证农作物产量的同时，也带来了一系列的负面影响，其中最为严重的问题是 天津科技大学硕士学位论文 农药残留产生的副作用： ( 1 ) 导致病原生物产生耐药性和抗药性， 病害的再猖撅； 且非选择性地杀灭天敌生物，两者均造成 ( 2 ) 通过水循环和大气循环系统对生态环境造成严重污染， ( 3 ) 对其他生物乃至人类有毒害作用，危及人类生存。 1 3 2 土壤污染和作物病害污染的修复方法 1 3 2 1 化学法防治 破坏生态平衡； 为了防治土壤污染，我国在过去的2 0 多年中，做了大量的研究工作，取得了一些 成果和经验。污染土壤清洁途径主要是去除污染和稳定化，这些污染物的清除方法主 要是物理治理和化学治理。这些方法工程大，费用高。而传统的防治作物病害的方法 就是喷施相应的农药，但是农药污染日益引起多方关注。土壤和作物一旦被农药污染， 将可能对人体产生潜在威胁，防治作物的农药污染，将有利于健康饮食，维护人体健 康，有利于保护环境和生态平衡。 在农业生产中，农药虽然杀死了许多对农作物有害的昆虫，但是，也产生了一些 长期的、潜在的生态影响，直接影响着生物的正常生长和发育。 化学农药虽然起到了一定的防病效果，但是其对大气! 水质、土壤等造成了严重 的污染，甚至导致化学农药的生物浓缩，使人或其他高等植物因农药高度聚集而受害 最重。病虫害发生频繁，过量施用农药，不但使农药残留超过f a o 、1 i h 0 或我国规定的 允许标准，而且直接损害人体健康。因此，进行无污染新技术的研究，生产无公害、优 质的作物，是提高其产量和质量的重要环节。已成为研究者工作的重点。 1 3 2 2 生物法防治 目前，最有效的方法是利用生物防治技术取代化学农药，主要内容包括以虫治虫、 以菌治虫和以菌治病等内容。这些生物防治措施克服了某些害虫的抗药性，也免除了 可能同时杀死害虫天敌的弊端，特别是不污染环境，因此有广阔的发展前景。 从植物病害防治的角度来讲，生物防治就是利用生物及其代谢产物防治植物病 害，控制病原体的方法。它的实质就是利用生物种间关系、种内关系调节有害生物种 群密度，即是生物群防治生物群。我国植物病理学家陈延熙根据多年的实践和国际上 生物防治的方向，提出了较符合自然情况的生防概念，他指出：“植物病害的生物防 治是在农业生态系统中调节寄主植物的微生物环境，使其利于寄主而不利于病原或者 使其对寄主与病原物的相互作用发生有利于寄主而不利于病原物的影响，从而达到防 治病害的目的 。上述概念表明，人们对于病害生物防治的认识已从单纯依靠拮抗性 微生物来控制病原或病害，发展到借助于多种因素来创立一个有利于寄主而不利于病 原物或病害发展的生物环境，以实现防治病害。生物防治包含3 个方面的策略或方法： ( 1 ) 调节病原物种群，用生物控制因子将病原物种群数量控制在一个允许的阈值 水平以下。 l 前言 ( 2 ) 保护性排除方法，以有益微生物通过位点营养竞争作障碍，排除病原物入侵。 ( 3 ) 自身防御，以寄主植物抗性预防或抑制病害发生，如诱导抗性。植物病害生 物防治有这几种模式：真菌防治真菌病害、细菌防治真菌病害、细菌防治细菌病害、 病毒( 噬菌体) 防治细菌病害、真菌防治线虫病害、细菌防治线虫病害、病毒( 弱毒 株) 防治病毒病害等。 世界各国在土壤病害生物防治方面进行了许多试验，特别是对益生菌的研究，取 得了可喜的成绩，并对其作用机理进行了研究。不同的生防微生物有不同的作用机制， 但是一种生防微生物也可以同时具有几种机制。实际上，在植物生长的不同生育期， 一种生防微生物往往是通过不同生防机制直接或间接地促进着植物的生长。如固氮作 用、溶解矿物质、产生植物激素等直接地促进植物的生长；产生抗生物质、竞争营养 和空间等途径抑制病原菌生长及改善病原菌对植物侵染条件，间接的影响植物的健康 生长。 1 4 生防枯草芽孢杆菌的研究进展 半个世纪以来，化学农药防治病虫害对农业生产起了重要的作用，但长期不合理 使用化学农药产生了诸多问题。化学农药的高毒、高残留不仅对人、畜的健康造成危 害，而且对土壤、水体、大气造成严重污染，破坏生态平衡。同时，由于病菌和害虫 抗药性的不断增强m ，农药的使用量和使用频度不断加大，出现了用药量与病害相互 递增的恶性循环，增加了农产品中农药的残留量，对人畜安全构成极大的威胁。一系 列问题促使人们探寻一种对人类和环境友好并具良好防治效果的新的植物病虫害防 治策略【4 1 m 】。利用有益微生物防治植物病害始于1 9 2 1 年h a m l y 利用真菌防治猝倒病 ( 啪i 眦d e b a r ) ，锄硼。d 锄p i n 9 2 0 毋矧。同时h a r t e l y 利用放射土壤杆菌( a g r o b a c t 丽啪 r a d i o b a c t 盯k 8 4 ) 成功防治植物根瘤病。8 0 多年来植物病害生防微生物已涉及真菌、放 线菌、细菌乃至病毒( 噬菌体) 等种群。 从植物病害防治的角度来讲，生物防治就是利用生物及其代谢产物防治植物病 害，控制病原体的方法。它的实质就是利用生物种间关系、种内关系调节有害生物种 群密度，即是生物群防治生物群。我国植物病理学家陈延熙m 】根据多年的实践和国际 上生物防治的方向，提出了较符合自然情况的生防概念，他指出：“植物病害的生物 防治是在农业生态系统中调节寄主植物的微生物环境，使其利于寄主而不利于病原或 者使其对寄主与病原物的相互作用发生有利于寄主而不利于病原物的影响，从而达到 防治病害的目的”。上述概念表明，人们对于病害生物防治的认识已从单纯依靠拮抗 性微生物来控制病原或病害，发展到借助于多种因素来创立一个有利于寄主而不利于 病原物或病害发展的生物环境，以实现防治病害。生物防治包含3 个方面的策略或方 法1 4 5 】： ( 1 ) 调节病原物种群，用生物控制因子将病原物种群数量控制在一个允许的阈值水 平以下。 ( 2 ) 保护性排除方法，以有益微生物通过位点营养，排除病原物入侵。 天津科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 自身防御，以寄主植物抗性预防或抑制病害发生，如诱导抗性。 植物病害生物防治有这几种模式：真菌防治真菌病窖、细菌防治真菌病害、细菌 防治细菌病害、病毒( 噬菌体) 防治细菌病害、真菌防治线虫病害、细菌防治线虫病 害、病毒( 弱毒株) 防治病毒病害等。 细菌因庞大的种群、高繁殖力、复杂的代谢活动、对病原物的作用方式多样、易 于人工培养，在自然发生的生物防治和人类应用生物防治的活动中，拮抗细菌及其代 谢产物都起到了重要作用。目前，应用较多的生防细菌主要有芽孢杆菌( 曰粥讲淞鼢) 、 假单胞杆菌( 尸妇”如m d 甩础置m ) 、土壤放射杆菌( a g r o b a c t e r i m nr a d i o b a c t e r ) 等m 。而芽 孢杆菌( 胁讲姗鼢) 是目前生防细菌中研究较多的一类，因其能够产生耐热、耐旱、 抗紫外线和有机溶剂的内生孢子，所以是理想的生防菌筛选对象【4 7 4 引。芽孢杆菌的抑 菌范围也很广，包括根部病害、枝干病害、叶、花部病害和收获后果品病害【4 9 】。已报 道的生防芽孢杆菌有枯草芽孢杆菌( 丑j 甜6 ，船) 、蜡状芽孢杆菌( 且c p 旭淞) 、多粘芽孢杆 菌p l d 咖缈搬) 、巨大芽孢杆菌湿朋愀，伽聊) 、短小芽孢杆菌假p 姗l 池s ) 等【如l 。而 枯草芽孢杆菌因其抑菌谱广且对多种植物病害具较好防效而引起植保研究者的广泛 关注【5 i 】。 1 4 1 枯草芽孢杆菌作为生防菌的研发概况 芽孢杆菌是土壤和植物微生态区系的优势生物种群，具有很高的抗逆能力和抗菌 防病作用。许多性状优良的天然分离株已成功应用于植物病害的生物防治。枯草芽孢 杆菌通过成功定殖至植物根际、体表或体内，与病原菌竞争植物周围的营养，分泌抗 菌物质以抑制病原菌生长，同时诱导植物防御系统抵御病原菌入侵，从而达到生防的 目的。其主要防治对象为丝状真菌所引起的植物病害，如水稻纹枯病( 瓣刀唧d m c 耵廊柳、小麦纹枯病( 尺 厶r d c 幻刀蛔陀口胁) 、番茄叶霉病( 蚴雄加，f 聊l 历 w 朋) 、豆 类根腐病( 凡舰，f 册口坍f 船阳朋们) 、苹果霉心病( 彳加聊甜切口加朋删、棉花立枯病 俾办玉r d c ，d 刀蛔舳砌功、棉花枯萎病( n 阳，f 聊l d 习 驴d ，- 材小7 r 跟v n s 触台c 胁朋) 等1 5 2 】。 枯草芽孢杆菌( & i c 川淞j 曲砌) 是一种嗜温、好氧、产芽孢的杆状细菌，其生理特 征多样，分布广泛，易分离培养。该菌在自然界中广泛存在，对人畜无毒无害，不污 染环境，能产生多种抗菌素和酶，具有广谱抗菌活性和极强的抗逆能力。枯草芽孢杆 菌不仅可以在土壤、植物根际体表等外界环境中广泛存在，而且是植物体内常见内生 细菌，尤其是在植物的根、茎部。目前该菌已经在水稻、大豆、棉花、小麦、辣椒、 番茄、玉米等农作物上显示出很好的病害防治效果。由于枯草芽孢杆菌具有生长快、 营养简单以及产生耐热、抗逆芽孢等突出特征，而使其不仅有利于生防菌剂在生产、 剂型加工及在环境中的存活、定殖与繁殖，并且批量生产工艺简单，成本较低，施用 方便，储存期长，现已成为一种理想的生防细菌。如美国a l a b 锄a 州【5 3 】用枯草芽孢杆 菌处理多种作物种子，平均产量增加9 ，根病明显减轻。日本用枯草芽孢杆菌及其分 泌物防治番茄立枯病，获得良好防效。国内研究表明，枯草芽孢杆菌对小麦赤霉病、 棉花枯萎病、番茄叶霉病、烟草青枯病等病害都有良好的田间防治效果，并有明显的 l 前言 增产效应。 1 4 2 枯草芽孢杆菌的生防作用机制 不同的生防微生物有不同的作用机制，但是一种生防微生物也可以同时具有几种 机制。实际上，在植物生长的不同生育期，一种生防微生物往往是通过不同生防机制 直接或间接地促进着植物的生长。如固氦作用、溶解矿物质、产生植物激素等直接地 促进植物的生长；产生抗生物质、竞争营养和空间等途径抑制病原菌生长及改善病原 菌对植物侵染条件，闻接的影响植物的健康生长。 生防菌对植物的直接促生作用，可以是多种多样的，除了具有像共生菌相同的作 用外，还能在自身生理代谢过程中，产生为植物生长所必须的、而环境中可利用的又 相对较少的营养物质等。 此外，一些微生物在代谢过程能产生植物激素( 口娥泌) 、细胞分裂素( 删玎f 凇) 、 赤霉素( g f 6 6 绷b 胁附) 、乙烯( p ，矗y 比力p ，e 丁) 和脱落酸( 口撕c 括缸叩磁彳刀) 等生长因 子【5 4 l 。众所周知，这些物质在相当低浓度时可以从生理和形态上调节着植物的生长。 有研究显示，接种彳加印f ，f 7 j ”历6 ，淞玎把埘g 能有效地增加根毛密度和长度，而吲哚丙 酮酸脱羧酶突变菌株只能产生原始菌株的1 0 左右的吲哚乙酸( 川) ，对植物根的促 生作用明显减弱l 跏。 二十多年来，人们已经从根围土壤分离了大量微生物用于植物病害的生物防治。 这些微生物可能是产生了能抑制植物病原菌的一些代谢物质，如抗生素、嗜铁素以及 一些相关酶类，有些可能是与病原菌竞争生长繁殖的营养和生态位点，还有一些能诱 导植物产生系统抗性。由于田间环境的复杂性( 温度、湿度、p h 、其他生物的存在等) ， 成功应用的生防菌剂并不多，但是对于这些微生物对植物促生作用( 抑菌引起和诱导 植物产生系统抗性引起) ，包括基因、生化及生理因素，值得我们去仔细研究。 生防菌对植物的影响 厂 直接 固氮 植物激素 加强铁离子的利用 固态磷的溶解 其它 间接 抗生作用 诱导抗性 铁离子的吸收 营养和生态位竞争 寄生和捕食 其它 1 4 2 1 营养和空间位点的竞争 竞争作用是生防微生物发挥作用的重要机制之一。微生物竞争作用主要包括营养 1 0 天津科技大学硕士学位论文 竞争和位点竞争。营养和空间位点的竞争是指存在于同一微小生物环境中的2 种或2 种 以上微生物之间争夺这一环境内的空间、营养、氧气等现象。营养竞争只在少数菌株 中发现。 研究表明嘲l ，某些菌株通过产生一种嗜铁素( & 如唧忍d 陀幻与环境中的铁离子高 度结合，使植物病原菌缺乏铁营养而不能生长繁殖，从而占据一定的生态位。位点竞 争指微生物在植物根际、体表或体内及土壤中定殖，大多数枯草芽孢杆菌菌株以位点 竞争占优势。b a c o n l 57 j 分离的玉米内生枯草芽孢杆菌与玉米病原真菌串珠镰孢菌 ( 凡岱i 材mm d 力哟研m e 黝p 如拧) 有相同的生态位。枯草芽孢杆菌能在玉米体内迅速定 殖和繁殖，可有效降低串珠镰孢菌及其毒素( 如d 觚加) 的积累。a s a k a 等【5 8 】研究表明， b 伽f 淞s 甜6 “凰i 也1 4 和n b 2 2 在土壤中以细胞存活一段时间后( 大约1 4 d ) 主要以芽孢形 式在土壤中长期存活。杜立新等通过扫描电镜观察发现，觑讲埘j ”6 川妇b s 2 2 0 8 菌株 在番茄叶面分布不均，大多定殖于伤口周围、叶面凹陷处和绒毛根部，且能够在自然 土壤和灭菌土中成功定殖，自然土中菌量低于在灭菌土中的菌量【5 9 1 。何红掣删研究表 明，辣椒内生枯草芽孢杆菌b s 2 l 和b s 2 2 菌株通过浸种、灌根和涂叶处理，不仅可在 辣椒体内定殖，而且可在番茄、茄子、黄瓜等多种非自然宿主植物体内定殖。 生物都具有一定的生态适应性。在一定的生态系统中引入生防菌后，它能否适应 被引入的生态环境，能否在病菌的寄主植物上定殖、增殖以及与相应病原物竞争决定 着生物防治的成败。这些都与生防菌的定殖和生物学特性紧密相关。理想的生防菌应 具有营养竞争能力强、抗菌物质产生量高、生长速度快及适应性强等特点。对根际定 殖微生物的检测是根际微生物复合系统应用中重要的一步。目前对外源微生物多采用 在定殖前进行标记，而常用的标记方法是天然抗生素标记和外来基因标记1 6 1 1 。而近年 来随着分子生物学和生化分析技术的发展，一些新技术、仪器被用于生防菌定殖和种 群建立等竞争作用的研究。如，扫描电镜观察、荧光标记、e l i s a 、p c r 等技术，都 被应用于枯草芽孢杆菌竞争作用的研究【6 2 】。 1 4 2 2 分泌抗菌物质 生防细菌防治植物病害发生发展的一个重要机制是产生拮抗物质。生防细菌的拮 抗物质种类多，作用范围广谱。同一种拮抗物质可以由多种细菌菌株产生，而同一细 菌也可以产生多种不同结构的拮抗物质。 自1 9 4 5 年j o h 璐o n 等【6 3 j 报道枯草芽孢杆菌产生抗菌物质后，半个多世纪以来人们 从枯草芽孢杆菌的不同菌株中发现了6 0 多种抗生素。枯草芽孢杆菌产生的抗菌物质大 多为低分子抗菌肽，有环状肽或环状脂肽，也有线状肽，分子量约1 0 0 0 d a ( 介于3 0 0 3 0 0 0 d a ) ，但也有一些