水热处理对黄豆秸秆体外发酵、甲烷生成及微生物的影响

doi:10.11686/cyxb2020538

草业学报 ›› 2022, Vol. 31 ›› Issue (2): 171-181.DOI: 10.11686/cyxb2020538

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水热处理对黄豆秸秆体外发酵、甲烷生成及微生物的影响

周承福¹^,³^,⁴(), 汪水平¹^,⁴(), 张佰忠²(), 张秀敏³, 王荣³, 马志远³, 王敏³

^1.西南大学动物科学技术学院，重庆 402460
^2.湖南省畜牧兽医研究所，湖南长沙 410131
^3.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙 410125
^4.白玉县牧旺农业科技有限公司，白玉县玉牧康源牧业有限公司，四川白玉 627150

收稿日期:2020-12-08 修回日期:2021-03-15 出版日期:2022-02-20 发布日期:2021-12-22
通讯作者: 张佰忠
作者简介:Corresponding author. E-mail： 705048333@qq.com，wangshuiping1979@sina.com
周承福（1993-），男，四川武胜人，在读硕士。E-mail： 3135643965@qq.com
汪水平（1979-），男，湖北浠水人，副教授，博士。E-mail：wangshuiping1979@sina.com。第一联系人：共同第一作者These authors contributed equally to this work.
基金资助:
国家自然科学基金项目(31561143009);湖南省重大专项(2017NK1020);四川省科技计划项目(2019YFN0080)

Effects of hydrothermal treatment on in vitro fermentation， methanogenesis and microbiota of soybean straw

Cheng-fu ZHOU¹^,³^,⁴(), Shui-ping WANG¹^,⁴(), Bai-zhong ZHANG²(), Xiu-min ZHANG³, Rong WANG³, Zhi-yuan MA³, Min WANG³

^1.College of Animal Science and Technology，Southwest University，Chongqing 402460，China
^2.Hunan Animal Husbandry and Veterinary Institute，Changsha 410131，China
^3.Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region，Institute of Subtropical Agriculture，Chinese Academy of Sciences，Changsha 410125，China
^4.Baiyu Muwang Agricultural Science and Technology Co，Ltd，Baiyu Yumu Kangyuan Animal Husbandry Science and Technology Co，Ltd. ，Baiyu 627150，China

Received:2020-12-08 Revised:2021-03-15 Online:2022-02-20 Published:2021-12-22
Contact: Bai-zhong ZHANG

摘要/Abstract

摘要：

本试验旨在研究水热处理对黄豆秸秆体外发酵、甲烷生成及微生物的影响。黄豆秸秆经水热处理后，利用全自动体外模拟瘤胃发酵系统发酵72 h，评估化学成分变化、降解特性、发酵参数、产气参数及微生物区系。结果表明：水热处理降低黄豆秸秆中性洗涤纤维（P<0.001）、酸性洗涤纤维（P<0.001）及半纤维素（P<0.001）含量，提高中性洗涤可溶物（P<0.001）、水溶性碳水化合物（P<0.001）、阿拉伯糖（P<0.001）及半乳糖（P<0.001）含量；水热处理提高黄豆秸秆干物质消失率（P<0.001）和发酵液挥发性脂肪酸浓度（P<0.05），降低乙酸/丙酸（P<0.001）、甲烷（P<0.001）与氢气产量（P<0.001）及真菌（P<0.01）、产琥珀酸丝状杆菌（P<0.05）和产甲烷菌（P<0.05）数量。结果显示：水热处理可破坏黄豆秸秆纤维素-半纤维素-木质素结构，增加中性洗涤可溶物含量，促进瘤胃降解，并减少真菌和产甲烷菌的数量，降低甲烷产量。

关键词: 水热处理, 黄豆秸秆, 体外发酵, 甲烷生成, 瘤胃微生物

Abstract:

The aim of this study was to investigate the effects of hydrothermal treatment on in vitro fermentation， methanogenesis and microbiota of soybean straw. The chemical compositions， the degradation characteristics， the fermentation parameters and the microbial ?ora were estimated for the soybean straws with and without hydrothermal treatment using an automatic ruminal fermentation system with 72 h of incubation. It was found that： The hydrothermal treatment reduced the concentrations of neutral detergent fiber （P<0.001）， acid detergent fiber （P<0.001） and hemicellulose （P<0.001） in the soybean straw， and increased the concentrations of neutral detergent soluble fiber （P<0.001）， water soluble carbohydrates （P<0.001）， arabinose （P<0.001） and galactose （P<0.001）. The hydrothermal treatment increased dry matter degradability （P<0.001） and volatile fatty acid concentration （P<0.05）， and decreased the acetate：propionate concentration （P<0.001）， the gas production of methane （P<0.001） and hydrogen （P<0.001） and the populations of fungi （P<0.01）， methanogenic bacteria （P<0.05） and Fibrobacter succinogenes （P<0.05）. The results indicate that the hydrothermal treatment disrupted the cellulose-hemicellulose-lignin structural matrix of soybean straw， thereby increasing the soluble matter content， improving the ruminal degradation， leading to reduction in the number of fungi and methanogens， and decreased methane production.

Key words: hydrothermal treatment, soybean straw, in vitro fermentation, methanogenesis, ruminal microbiota

周承福, 汪水平, 张佰忠, 张秀敏, 王荣, 马志远, 王敏. 水热处理对黄豆秸秆体外发酵、甲烷生成及微生物的影响[J]. 草业学报, 2022, 31(2): 171-181.

Cheng-fu ZHOU, Shui-ping WANG, Bai-zhong ZHANG, Xiu-min ZHANG, Rong WANG, Zhi-yuan MA, Min WANG. Effects of hydrothermal treatment on in vitro fermentation， methanogenesis and microbiota of soybean straw[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(2): 171-181.

图/表 9

参考文献 45

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微生物种类 Microbial species	引物序列 Primer sequence （5?-3 ?）	大小 Size （bp）	参考文献 References
原虫Protozoa	F： GCTTTCGWTGGTAGTGTATT	223	Sylvester等^［24］
原虫Protozoa	R： CTTGCCCTCYAATCGTWCT	223	Sylvester等^［24］
真菌Fungi	F： GAGGAAGTAAAAGTCGTAACAAGGTTTC	121	Denman等^［25］
真菌Fungi	R： CAAATTCACAAAGGGTAGGATGATT	121	Denman等^［25］
细菌Bacteria	F： CGGCAACGAGCGCAACCC	146	Denman等^［25］
细菌Bacteria	R： CCATTGTAGCACGTGTGTAGCC	146	Denman等^［25］
产甲烷菌Methanogens	F： GGATTAGATACCCSGGTAGT	192	Hook等^［26］
产甲烷菌Methanogens	R： GTTGARTCCAATTAAACCGCA	192	Hook等^［26］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	F： GTTCGGAATTACTGGGCGTAAA	121	Denman等^［25］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	R： CGCCTGCCCCTGAACTATC	121	Denman等^［25］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	F： CCCTAAAAGCAGTCTTAGTTCG	176	Koike等^［27］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	R： CCTCCTTGCGGTTAGAACA	176	Koike等^［27］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	F： GAACGGAGATAATTTGAGTTTACTTAGG	132	Denman等^［25］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	R： CGGTCTCTGTATGTTATGAGGTATTACC	132	Denman等^［25］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	F： CGWAGGGAAGCTGTTAAGT	343	Yu等^［28］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	R： TACCGTCGTCCACTCCTT	343	Yu等^［28］
甲烷短杆菌Methanobrevibacter	F： CCTCCGCAATGTGAGAAATCGC	230	Huang等^［29］
甲烷短杆菌Methanobrevibacter	R： TCWCCAGCAATTCCCACAGTT	230	Huang等^［29］
甲烷微菌目Methanomicrobiales	F： ATCGRTACGGGTTGTGGG	506	Yu等^［28］
甲烷微菌目Methanomicrobiales	R： CACCTAACGCRCATHGTTTAC	506	Yu等^［28］

微生物种类 Microbial species	引物序列 Primer sequence （5?-3 ?）	大小 Size （bp）	参考文献 References
原虫Protozoa	F： GCTTTCGWTGGTAGTGTATT	223	Sylvester等^［24］
原虫Protozoa	R： CTTGCCCTCYAATCGTWCT	223	Sylvester等^［24］
真菌Fungi	F： GAGGAAGTAAAAGTCGTAACAAGGTTTC	121	Denman等^［25］
真菌Fungi	R： CAAATTCACAAAGGGTAGGATGATT	121	Denman等^［25］
细菌Bacteria	F： CGGCAACGAGCGCAACCC	146	Denman等^［25］
细菌Bacteria	R： CCATTGTAGCACGTGTGTAGCC	146	Denman等^［25］
产甲烷菌Methanogens	F： GGATTAGATACCCSGGTAGT	192	Hook等^［26］
产甲烷菌Methanogens	R： GTTGARTCCAATTAAACCGCA	192	Hook等^［26］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	F： GTTCGGAATTACTGGGCGTAAA	121	Denman等^［25］
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	R： CGCCTGCCCCTGAACTATC	121	Denman等^［25］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	F： CCCTAAAAGCAGTCTTAGTTCG	176	Koike等^［27］
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	R： CCTCCTTGCGGTTAGAACA	176	Koike等^［27］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	F： GAACGGAGATAATTTGAGTTTACTTAGG	132	Denman等^［25］
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	R： CGGTCTCTGTATGTTATGAGGTATTACC	132	Denman等^［25］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	F： CGWAGGGAAGCTGTTAAGT	343	Yu等^［28］
甲烷杆菌目Methanobacteriales	R： TACCGTCGTCCACTCCTT	343	Yu等^［28］
甲烷短杆菌Methanobrevibacter	F： CCTCCGCAATGTGAGAAATCGC	230	Huang等^［29］
甲烷短杆菌Methanobrevibacter	R： TCWCCAGCAATTCCCACAGTT	230	Huang等^［29］
甲烷微菌目Methanomicrobiales	F： ATCGRTACGGGTTGTGGG	506	Yu等^［28］
甲烷微菌目Methanomicrobiales	R： CACCTAACGCRCATHGTTTAC	506	Yu等^［28］

项目Items	对照Control	水热处理Hydrothermal treatment	标准误SEM	P值P-value
化学组成Chemical compositions
中性洗涤可溶物Neutral detergent soluble （NDS）	251	418	42.0	<0.001
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF）	749	582	42.0	<0.001
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF）	627	563	14.3	<0.001
水溶性碳水化合物Water soluble carbohydrates （WSC）	13.4	44.7	5.6	<0.001
半纤维素Hemicellulose （HC）	122.0	15.0	28.7	<0.001
木质素Acid detergent lignin （ADL）	143	179	13.1	0.346
粗蛋白质Crude protein （CP）	56.8	57.7	2.4	0.453
单糖Monosaccharides
阿拉伯糖Arabinose	85.5	128.0	9.6	<0.001
半乳糖Galactose	353	513	35.8	<0.001
葡萄糖Glucose	1994	426	350.3	<0.001
鼠李糖Rhamnose	71.4	49.4	4.9	<0.001
木糖Xylose	231	633	89.9	<0.001
果糖Fructose	289.0	55.5	52.1	<0.001

项目Items	对照Control	水热处理Hydrothermal treatment	标准误SEM	P值P-value
化学组成Chemical compositions
中性洗涤可溶物Neutral detergent soluble （NDS）	251	418	42.0	<0.001
中性洗涤纤维Neutral detergent fiber （NDF）	749	582	42.0	<0.001
酸性洗涤纤维Acid detergent fiber （ADF）	627	563	14.3	<0.001
水溶性碳水化合物Water soluble carbohydrates （WSC）	13.4	44.7	5.6	<0.001
半纤维素Hemicellulose （HC）	122.0	15.0	28.7	<0.001
木质素Acid detergent lignin （ADL）	143	179	13.1	0.346
粗蛋白质Crude protein （CP）	56.8	57.7	2.4	0.453
单糖Monosaccharides
阿拉伯糖Arabinose	85.5	128.0	9.6	<0.001
半乳糖Galactose	353	513	35.8	<0.001
葡萄糖Glucose	1994	426	350.3	<0.001
鼠李糖Rhamnose	71.4	49.4	4.9	<0.001
木糖Xylose	231	633	89.9	<0.001
果糖Fructose	289.0	55.5	52.1	<0.001

项目 Items	对照 Control	水热处理 Hydrothermal treatment	标准误 SEM	P值 P-value
干物质降解率Dry matter degradation （DMD，g·kg^-1）	553	616	6.700	<0.001
产气量Gas volume （V_DM，mL·g^-1）	199	184	1.300	<0.001
可消化干物质产气量Gas volume per g of digestible dry matter （V_DDM，mL·g^-1）	361	299	3.700	<0.001
潜在最大产气量Final asymptotic gas volume （V_F，mL·g^-1）	194	184	2.500	0.054
总产气速率Fractional rate of gas production （k_GP，h^-1）	0.07	0.07	0.002	0.329
起始底物降解速率Initial fractional rate of degradation （FRD₀，mmol·g^-1·h^-1）	0.03	0.02	0.001	0.042

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Effects of hydrothermal treatment on in vitro fermentation， methanogenesis and microbiota of soybean straw

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项目 Items		对照 Control	水热处理 Hydrothermal treatment	标准误SEM	P值 P-value
甲烷 Methane	甲烷产量Methane volume （V_M·DM，mL·g^-1）	23.2	19.8	0.230	<0.001
	可消化干物质甲烷产量Methane volume per g of digestible dry matter （V_M·DDM，mL·g^-1）	42.0	32.1	0.520	<0.001
	甲烷浓度Methane concentration （C_M，%）	13.0	10.9	0.140	<0.001
	甲烷潜在最大产量Final asymptotic methane volume （V_MF，mL·g^-1）	21.8	20.1	0.230	0.006
	甲烷产气速率Fractional rate of methane production （k_M，h^-1）	0.01	0.06	0.002	<0.001
氢气 Hydrogen	干物质氢气产量Hydrogen volume （V_H·DM，mL·g^-1）	0.05	0.02	0.001	<0.001
	可消化干物质氢气产量Hydrogen volume per g of digestible dry matter （V_H·DDM，mL·g^-1）	0.09	0.03	0.002	<0.001
	氢气浓度Hydrogen concentration （C_H，%）	0.02	0.01	0.001	<0.001
	氢气潜在最大产量Final asymptotic hydrogen volume （V_HF，mL·g^-1）	0.06	0.03	0.003	0.001
	氢气产气速率Fractional rate of hydrogen production （k_H，h^-1）	0.13	0.16	0.097	0.807

项目 Items	对照 Control	水热处理 Hydrothermal treatment	标准误 SEM	P值 P-value
pH	6.47	6.44	0.012	0.132
氨态氮NH₃-N （mmol·L^-1）	13.6	11.2	0.580	0.012
总挥发性脂肪酸Total volatile fatty acids （TVFA，mmol·L^-1）	77.9	82.8	3.240	0.043
乙酸/丙酸Acetate/propionate	3.83	2.06	0.021	<0.001
VFA产氢量Net hydrogen produced per VFA （R_NH2，mol·100 mol^-1）	136	105	0.400	<0.001
挥发性脂肪酸 Volatile fatty acid （VFA，mol·100 mol^-1）
乙酸Acetate	72.9	61.3	0.110	<0.001
丙酸Propionate	19.1	29.8	0.150	<0.001
丁酸Butyrate	5.12	6.03	0.021	<0.001
异丁酸Iso-butyrate	0.86	0.87	0.009	0.308
戊酸Valerate	0.93	0.99	0.015	0.011
异戊酸Iso-valerate	1.14	1.04	0.009	<0.001

项目Items	对照Control	水热处理Hydrothermal treatment	标准误SEM	P值P-value
原虫Protozoa	7.23	6.91	0.102	0.067
真菌Fungi	8.31	7.51	0.124	0.004
细菌Bacteria	10.17	10.15	0.046	0.764
产甲烷菌Methanogen	8.65	8.49	0.034	0.020
产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes	8.15	7.75	0.102	0.033
白色瘤胃球菌Ruminococcus albus	5.97	6.37	0.151	0.109
黄色瘤胃球菌Ruminococcus flavefaciens	6.48	6.26	0.116	0.237
甲烷杆菌目Methanobacteriales	8.28	8.19	0.039	0.185
甲烷短杆菌Methanobrebacteria	8.07	7.98	0.053	0.271
甲烷微菌目Methanomicrobiales	5.90	6.28	0.122	0.075

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