餐厨堆肥配制基质中添加不同芽孢杆菌对黄瓜育苗效果的影响

李英 王文婷 陈润泽 卢江 刘铮 刘欣宇

关键词：芽孢杆菌；餐厨堆肥；育苗基质；壮苗指数；黄瓜

近年来，随着环保意识的提升，餐厨废弃物的回收利用越来越受到人们的重视。利用餐厨废弃物进行堆肥处理，可以有效减轻城市垃圾的压力，同时生产出具有一定营养价值的有机肥料。农业生产中，利用餐厨堆肥替代部分泥炭进行育苗基质的研制已被证实具有较高的可行性，而且能够实现资源的循环利用，具有一定的经济和生态效益。然而餐厨堆肥相对于泥炭而言往往存在较多的Na+和Cl-等盐分，使得育苗基质的化学环境不利于作物的种子萌发和幼苗生长，从而影响育苗效果。针对这一现象，当前业界往往从两个方面进行解决。一是改善餐厨堆肥本身的理化性质，在进行堆肥之前利用大量的清水对餐厨废弃物进行冲洗，以稀释其中的盐分，同时在堆肥过程中加入适量的优质有机物质，如稻草、秸秆等，以降低餐厨堆肥中的盐分含量。这种方法的优点是能够从源头上减少餐厨堆肥中的盐分，对环境和作物的危害都会有所降低：缺点是需要大量的清水和优质有机物质，成本较高，同时也需要更多的人力和物力投入。二是在育苗基质中添加外源物质，如硫磺粉、植物生长调节剂等，以增强作物幼苗对盐碱环境胁迫的耐受力，进而达到较好的育苗效果。相对而言，在育苗基质中添加外源物质的方式显得更加便利，但具体选择何种外源物质进行添加则需进行更加深入的研究。

芽孢杆菌是一种常见的细菌，广泛分布于自然环境中，如土壤、水体、植物表面等。它们具有多种生物学特性和代谢功能，可对植物生长发育产生重要影响，因此被广泛应用于农业生产中。土壤中的有机物质是植物养分的重要源泉，然而这些有机物质无法直接被植物吸收和利用。现有研究表明，芽孢杆菌可以分解有机物质，将其转化为植物可吸收的养分，使植物能够更加充分地利用基质中的营养，提高生长效率和生产效益。芽孢杆菌产生的一些有益物质，如生长素、赤霉素等，也能够刺激植物生长发育，促进根系发育和叶片生长，增加植物的抗逆性和免疫力。我们在早期的研究过程中发现，枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌对番茄植株的生长、产量和青枯病抗性均具有一定的积极作用，由此引发的思考是，如果把上述三种芽孢杆菌添加到育苗基质中，是否会对其育苗效果产生积极的影响？为此，本试验在前期研究的基础之上将枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌添加至由餐厨堆肥配制而成的黄瓜育苗基質中，研究其对黄瓜幼苗生长、育苗后基质的化学性质和病原菌数量的影响，旨在就芽孢杆菌对餐厨堆肥配制基质的育苗效果进行深入探讨，为餐厨废弃物利用及其配制基质的黄瓜育苗效果提升提供科学依据和技术支持。

1材料与方法

1.1试验材料及概况

育苗试验于2023年3月10-25日在中国农业大学有机循环研究院（苏州）人工气候与植物培养中心开展，相关指标测定由中国农业大学有机循环研究院（苏州）和辽宁省农业科学院共同完成。

供试餐厨堆肥取自环太湖有机废弃物处理利用示范中心，经环太湖地区餐厨废弃物好氧发酵而得，与泥炭、蛭石、珍珠岩按照10%：40%：40%：10%的体积比配制成供试育苗基质（以下简称餐厨基质）。该育苗基质pH值为7.57，电导率为1.25mS·cm-1，碱解氮含量为1.22g·kg-1，有效磷1.14g·kg-1、速效钾1.96g·kg-1、有机质22.73%。配制基质所需原料的基本理化性质详见参考文献。

供试枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌由中国农业大学有机循环研究院（苏州）微生物研究室提供。供试黄瓜品种为津研四号。

1.2菌株培养液制备

参考臧超群等的方法，将三种芽孢杆菌菌株划线接种于牛肉膏蛋白胨琼脂培养基（NA）平板上，28℃恒温培养48h。将活化的菌株分别接种到装有100mL NB培养液的250mL三角瓶中，在28℃、150r.min-1条件下振荡培养72h，得到菌株培养原液。将菌株培养原液分别按5%的比例接种至装有90mL培养液的250mL三角瓶中，在28℃、180r·min-1条件下振荡培养96h，获得菌株培养液，置于4℃条件下保存备用。

1.3试验设计

用供试餐厨堆肥配制基质于50穴育苗穴盘中进行育苗，每穴1粒种子，播种于距离基质表层0.5cm处。试验共设置4个处理，重复3次，每穴盘为1次重复。各穴盘均进行1.5L溶液的等量浇灌，其中以浇灌清水为对照（CK），其余处理分别浇灌枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌培养液，分别记为T1、T2和T3。置于人工气候室，在25℃、80%湿度条件下培养15d，试验期间各处理适时进行等量清水补充。

1.4测定项目及方法

1.4.1黄瓜幼苗生长指标测定播种10d后（2023年3月20日）统计黄瓜种子出苗数，计算出苗率和心叶率，并利用叶面积系数法测定幼苗子叶面积；播种后15d（2023年3月25日），每穴盘选取长势良好的黄瓜幼苗15株，用直尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗。采用叶绿素含量测定仪（型号SPAD-502PLUS）测定黄瓜幼苗完全展开叶，以SPAD值表示叶绿素含量，同时测定幼苗叶面积。利用毛刷收集上述15株黄瓜幼苗所附着的育苗基质，置于4℃环境中密封保存待测。利用根系扫描仪（型号LA-90）测定黄瓜幼苗根长；利用电子天平测定各处理黄瓜幼苗的地上部、地下部鲜重，然后90℃杀青60℃烘干至恒重，测定相应干重并计算壮苗指数。通过隶属函数法求出不同处理下各生长指标的隶属值，隶属值越大表示黄瓜幼苗在此配比基质下的生长越好，继而对黄瓜幼苗生长指标进行综合评价。隶属值及壮苗指数计算公式如下：

1.4.2育苗后基质的化学性质测定将黄瓜幼苗所附着的育苗基质进行风干、磨碎并过2mm筛，依据NY/T 2118-2012蔬菜育苗基质中的方法分别测定其pH值、EC值和碱解氮、有效磷、速效钾、有机质及Na+、Cl-含量。

1.4.3镰刀菌属荧光定量分析以黄瓜幼苗所附着的育苗基质为分析样本，使用CTAB法提取样本基因组DNA，用作qPCR模板。采用40uLTris-HCl缓冲液（pH8.0）洗脱DNA，置于-20℃环境中保存待测。利用镰刀菌特异性引物ITS-Fu-f和ITS-Fu-r进行实时qPCR分析，扩增方案参考Meng等的方法。

1.5数据处理与分析

用Microsoft Excel 2019对原始数据进行统计，用Origin 202lpro软件作图，采用DPS18.1软件以邓肯新复极差法对数据进行显著性差异分析。

2结果与分析

2.1餐厨基质中添加不同芽孢杆菌对黄瓜幼苗生长的影响

播种10d后进行黄瓜出苗情况调查，结果（表1）看出，餐厨基质中添加不同芽孢杆菌对黄瓜出苗率无显著影响，但较CK均显著提升黄瓜幼苗的心叶率和子叶面积，芽孢杆菌处理之间无显著差异。与CK相比芽孢杆菌处理心叶率提升105.07%～112.16%，子叶面积增加7.76%～11.26%。

由表2看出，餐厨基质中添加不同芽孢杆菌处理在黄瓜幼苗地上部各生长指标上的表现有所差异。其中，枯草芽孢杆菌处理（T1）和贝莱斯芽孢杆菌处理（T3）在叶绿素含量、叶面积、地上部鲜重和地上部干重这4项指标上均显著优于CK和解淀粉芽孢杆菌处理（T2），而T2和CK之间无显著差异。T2株高表现最优，为2.78cm，较CK提升9.88%。T1、T3处理叶绿素含量较CK分别高出18.13%、21.14%．地上部干重较CK均增加50.0%。T3在叶面积和地上部鲜重上表现最好，较CK分别增加69.40%和63.42%。莖粗方面，芽孢杆菌处理均显著优于CK，但各芽孢杆菌处理之间无显著差异。

由表3看出，T1和T2处理在主根长、总根长和地下部鲜重这3项指标上相对于其他处理均未表现出优势。T3地下部鲜重和干重优于CK且差异均达显著水平，其地下部鲜重较T1和T2分别高出53.97%和61.67%。综上表明，三种芽孢杆菌处理在幼苗地下部尤其是根长方面并未表现出明显的促进效果。

2.2餐厨基质中添加不同芽孢杆菌对黄瓜幼苗生长影响的综合评价

鉴于三种芽孢杆菌在黄瓜幼苗众多生长指标中的表现不一，本研究采用壮苗指数和隶属函数法对各处理黄瓜幼苗的生长状况进行综合评价。由表4可以看出，T1和T3处理的壮苗指数显著优于CK和T2，但仍难以详尽区分4个处理的优劣。从平均隶属度来看，4个处理的平均隶属度大小排序为：T3>T1>T2>CK。平均隶属度越大代表相应处理对黄瓜幼苗生长的促生效果越好，据此可知，T3处理对黄瓜幼苗的促生作用最佳。

2.3餐厨基质中添加不同芽孢杆菌对育苗后基质化学性质的影响

芽孢杆菌可以在基质中繁殖，其繁殖过程可能导致基质的化学性质发生变化。从表5中看出，三种芽孢杆菌对基质的pH值并未产生较大影响，所有处理的pH值在7.36～7.52之间，但明显提升基质的EC值。T1处理基质EC值、C1-和Na+含量均显著高于其他3个处理。

由于本研究所采用的育苗基质是以餐厨堆肥为原料之一，为避免过多的盐分随着移栽被带人土壤中，Cl-和Na+是本研究额外关注的指标。可以看出，CK、T2和T3处理在Na、Cl-含量方面并未表现出显著差异，说明解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌可能没有促进黄瓜植株吸收该两种离子的作用。

在育苗基质养分含量方面，3个芽孢杆菌处理相较于CK显著提升了碱解氮和速效钾含量，这可能是由于芽孢杆菌对育苗基质中的有机物质进行了分解，从而导致养分含量有所上升：有效磷含量方面，T3显著低于其余处理：T2有机质含量显著低于其余处理。

2.4餐厨基质中添加不同芽孢杆菌对育苗后基质内镰刀茵属微生物含量的影响

镰刀菌属微生物是诱发黄瓜发生枯萎病等多种地下病害的重要因素。餐厨基质中添加芽孢杆菌显著降低育苗基质内镰刀菌属微生物含量（图1），其中尤以T3处理效果最为明显。相对于CK、T1和T2．T3处理基质中镰刀菌属微生物含量分别降低42.31%、23.73%和25.00%，这将有效抑制黄瓜幼苗期地下病害的发生。

3讨论与结论

餐厨废弃物资源化利用过程中所面临的最重要的难题便是原料性质的不稳定，因此利用餐厨堆肥进行蔬菜育苗基质的配制时不宜添加过量，以免出现不同批次的基质理化性质变化幅度过大的现象。本研究采用的育苗基质中添加了体积分数为10%的餐厨堆肥，早期相关研究证实该基质表现出较好的育苗效果，但偶有出现枯萎病等病害现象。本研究将枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌添加至育苗基质中，显著降低基质内镰刀菌属微生物数量，实现了对地下病害的部分防控。

此外，三种芽孢杆菌对黄瓜幼苗的促生效果也是本研究考虑的重点问题。餐厨堆肥中普遍存在大量的盐分离子，极容易对蔬菜幼苗造成盐胁迫，进而影响其生长。现有大量研究表明，部分芽孢杆菌对作物存在着缓解盐胁迫的作用，如枯草芽孢杆菌对高梁、番茄、小麦等作物均有抗盐促生的有益效果，这为芽孢杆菌在含盐基质中进行应用提供了理论参考。本研究结果也表明，枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌均对餐厨堆肥配制基质中的黄瓜幼苗具有明显的促生效果，尤其是地上部表现最为明显，证明三种芽孢杆菌在该育苗基质中应用的可行性。而其中贝莱斯芽孢杆菌的促生防病效果经综合评价后居三种芽孢杆菌之首，这一点在关于芽孢杆菌在番茄生产过程中的应用效果研究中得到相应佐证。

臧超群等研究发现贝莱斯芽孢杆菌对花生叶部病害具有显著的抑制作用。通过对贝莱斯芽孢杆菌相关研究结果的深入梳理可以发现，相对于枯草芽孢杆菌或解淀粉芽孢杆菌，贝莱斯芽孢杆菌通过代谢植物体内的复杂有机物，如多糖、蛋白质、氨基酸等，产生一些特殊的代谢产物，如类链霉菌素、芽孢素、肽类抗生素等，这些代谢产物对植物具有促生、促进营养吸收、增强免疫力等作用，并且对多种病原微生物具有抑制和杀灭作用。同时，贝莱斯芽孢杆菌形成生物膜的能力更加强大，这种生物膜可以附着在植物根系上，并且通过释放代谢产物、吸附有益菌群等方式，对植物产生促生防病作用。综上，贝莱斯芽孢杆菌与其他芽孢杆菌出现如此之大差异的主要原因可能是，贝莱斯芽孢杆菌在基因组水平上同其他芽孢杆菌存在差异，其中包括一些关键基因的变异或缺失，这些基因与代谢途径、生物膜形成、抗生素产生等相关，这些差异使得贝莱斯芽孢杆菌具有更强的生物学活性和生态适应性。

本研究结果除了对育苗基质的研发具有一定的指导意义外，同样适用于相关生物有机肥的研制，尤其是餐厨堆肥在田间的应用开发方面。当前餐厨堆肥普遍应用于水田，利用田间存在的水体对餐厨堆肥中的盐分和油脂进行有效稀释，进而极大地消除其对水稻生长的不良影响，而餐厨堆肥应用于旱田尤其是蔬菜作物的研究则少见报道。其原因主要在于餐厨堆肥中的盐分对蔬菜生长可能具有较强的抑制作用，而本研究中的三种芽孢杆菌均在缓解黄瓜盐胁迫、实现促生抗病方面表现出上佳效果。以此研究结果为基础，可将芽孢杆菌尤其是贝莱斯芽孢杆菌添加至餐厨堆肥中制成生物有机肥，或能够促进餐厨堆肥在蔬菜作物生产中的应用。然而，值得注意的是，本研究中的三种芽孢杆菌在达成促生效果的前提下均未能实现对育苗基质中Na+和CI-的吸收，其育苗后基质中的盐分含量同CK相比并未表现出明显下降。这仍成为餐厨堆肥在田间应用时的隐患之一，其大量的盐分可能会存留于土壤中而导致盐渍化，这也是另一项待攻克重点难题之一，有待进一步研究其相应的解决方案。

综上所述，枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和贝莱斯芽孢杆菌均对餐厨堆肥配制基质中的黄瓜幼苗具有明显的促生防病效果，其中以贝莱斯芽孢杆菌的效果最佳，建议在本研究结果基础上进一步开展研究以解决餐厨堆肥中盐分离子在基质或土壤中残留的问题。