Effect of a rumen cellulolytic microbial consortium on the degradation of structural carbohydrate in sterile rice straw silage

doi:10.11686/cyxb2021261

Abstract

Abstract:

In order to improve the fermentation quality of rice （Oryza sativa） straw silage， this study aimed to isolate a facultative anaerobic cellulolytic microbial consortium （i.e. a group of two or more rumen bacteria working symbiotically） from the rumens of black-and-white dairy cows and further evaluate its effect on the fermentation quality and structural carbohydrates degradation of rice straw silage. The cellulolytic microbial consortium （M6） was screened from rumen contents by continuous enrichment cultivation， Congo red staining， acid-resistant induction screening， secondary screening through filter paper degradation， and enzyme activity assay. Rice straw was treated with following： 1） Natural fermentation of non-irradiated rice straw （CK）； 2） Irradiated rice straw ensiled directly （IRR）； 3） Irradiated rice straw ensiled with combined lactic acid bacteria （CLAB）； 4） Irradiated rice straw ensiled with the microbial consortium （M6）. Each treatment was sampled randomly after 3， 6， 15， 45， 60 and 90 days of ensiling for laboratory analysis. It was found that the pH of M6 silages was lower than that of other silages after 60 days of ensiling， and reached the minimum （4.62） on day-60 of ensiling. After 45 days of ensiling， the lactic acid content of M6 silage was significantly （P<0.05） higher than that of other silages and reached the maximum （23.90 g?kg^-1 DM） on the day-90 of ensiling. After 15 days of ensiling， the contents of neutral detergent fiber （NDF）， acid detergent fiber （ADF） and cellulose in M6 silages were significantly （P<0.05） lower than those of other silages， and were lowest on day-90 of ensiling. After 60 days of ensiling， the IRR and M6 silages maintained higher levels of water-soluble carbohydrate content than other treatments， followed by the CLAB silage. In summary， the microbial consortium M6 is effective in degrading cellulose and promoting lactic acid fermentation of rice straw silage. The addition of this cellulolytic microbial consortium effectively improved the fermentation quality of rice straw. This work provides a theoretical basis for the development and application of a silage additive containing the M6 microbial consortium.

Key words: cellulolytic microbial consortium, rice straw, fermentation quality, water-soluble carbohydrate

Jun-feng LI, Jie ZHAO, Xiao-yue TANG, Tong-tong DAI, Dong DONG, Cheng ZONG, Tao SHAO. Effect of a rumen cellulolytic microbial consortium on the degradation of structural carbohydrate in sterile rice straw silage[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(7): 85-95.

Figures/Tables 8

References 33

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时间 Time （d）	外切葡聚糖酶 Exoglucanase	内切葡聚糖酶 Endoglucanase	β-葡萄糖苷酶 β-glucosidase	木聚糖酶 Xylanase
1	0.53±0.00	0.80±0.03	0.36±0.13	2.46±0.21
2	1.03±0.08	1.75±0.18	0.72±0.10	2.31±0.08
3	1.60±0.19	2.57±0.02	1.37±0.25	2.59±0.13
4	1.98±0.11	2.82±0.16	1.55±0.16	3.17±0.07
5	2.40±0.09	3.36±0.11	1.49±0.19	3.76±0.11
6	2.71±0.20	3.44±0.16	1.59±0.16	3.91±0.06

时间 Time （d）	外切葡聚糖酶 Exoglucanase	内切葡聚糖酶 Endoglucanase	β-葡萄糖苷酶 β-glucosidase	木聚糖酶 Xylanase
1	0.53±0.00	0.80±0.03	0.36±0.13	2.46±0.21
2	1.03±0.08	1.75±0.18	0.72±0.10	2.31±0.08
3	1.60±0.19	2.57±0.02	1.37±0.25	2.59±0.13
4	1.98±0.11	2.82±0.16	1.55±0.16	3.17±0.07
5	2.40±0.09	3.36±0.11	1.49±0.19	3.76±0.11
6	2.71±0.20	3.44±0.16	1.59±0.16	3.91±0.06

项目 Items	新鲜水稻秸秆 Fresh rice straw	灭菌水稻秸秆 Irradiated rice straw	P值 P-value
干物质 Dry matter （g·kg^-1 FW）	639.50±17.61	635.36±9.15	0.845
水溶性碳水化合物 Water soluble carbohydrate （g·kg^-1DM）	50.21±2.62	49.86±4.29	0.948
粗蛋白 Crude protein （g·kg^-1DM）	28.63±1.14	29.46±1.22	0.671
缓冲能 Buffering capacity （mEq·kg^-1 DM）	33.70±1.62	30.96±1.23	0.248
酸性洗涤纤维 Acid detergent fiber （g·kg^-1DM）	428.75±12.03	408.78±13.82	0.337
中性洗涤纤维 Neutral detergent fiber （g·kg^-1DM）	679.52±6.65	674.40±8.14	0.652
乳酸菌 Lactic acid bacteria （Log₁₀ cfu·g^-1 FW）	5.83±0.31	ND	—
酵母菌 Yeasts （Log₁₀ cfu·g^-1 FW）	4.29±0.26	ND	—
霉菌 Moulds （Log₁₀ cfu·g^-1 FW）	4.15±0.16	ND	—

项目 Items	新鲜水稻秸秆 Fresh rice straw	灭菌水稻秸秆 Irradiated rice straw	P值 P-value
干物质 Dry matter （g·kg^-1 FW）	639.50±17.61	635.36±9.15	0.845
水溶性碳水化合物 Water soluble carbohydrate （g·kg^-1DM）	50.21±2.62	49.86±4.29	0.948
粗蛋白 Crude protein （g·kg^-1DM）	28.63±1.14	29.46±1.22	0.671
缓冲能 Buffering capacity （mEq·kg^-1 DM）	33.70±1.62	30.96±1.23	0.248
酸性洗涤纤维 Acid detergent fiber （g·kg^-1DM）	428.75±12.03	408.78±13.82	0.337
中性洗涤纤维 Neutral detergent fiber （g·kg^-1DM）	679.52±6.65	674.40±8.14	0.652
乳酸菌 Lactic acid bacteria （Log₁₀ cfu·g^-1 FW）	5.83±0.31	ND	—
酵母菌 Yeasts （Log₁₀ cfu·g^-1 FW）	4.29±0.26	ND	—
霉菌 Moulds （Log₁₀ cfu·g^-1 FW）	4.15±0.16	ND	—

项目 Items	处理 Treatments	青贮天数Ensiling days						标准误 SEM	P-value
项目 Items	处理 Treatments	3 d	6 d	15 d	45 d	60 d	90 d	标准误 SEM	T	D	T×D
pH	CK	6.23bA	5.92bAB	5.71bB	5.71bB	5.68bB	5.59bB	0.085	<0.001	<0.001	<0.001
	IRR	6.67a	6.64a	6.68a	6.69a	6.68a	6.69a
	CLAB	5.30d	5.26c	5.15bc	5.17c	5.23b	4.85c
	M6	5.77cA	5.17cB	4.93cBC	4.75cC	4.62cC	4.66cC
乳酸 Lactic acid （g·kg^-1 DM）	CK	6.36cB	7.54cB	9.81bA	10.76bA	7.87cB	6.96cB	0.810	<0.001	<0.001	<0.001
	IRR	0.06d	0.05d	ND	ND	ND	0.02d
	CLAB	13.28a	14.60a	14.51a	14.10b	12.51b	11.90b
	M6	9.69bD	12.63bC	15.12aC	17.95aB	20.31aB	23.90aA
乙酸 Acetic acid （g·kg^-1 DM）	CK	2.34aD	3.19aCD	3.59aC	4.18aBC	5.10aAB	5.24aA	0.201	<0.001	<0.001	0.197
	IRR	0.14c	0.24c	0.26c	0.31b	0.29c	0.32c
	CLAB	1.05bB	1.18bB	1.92bAB	3.05aA	2.85bA	2.66bA
	M6	2.49a	2.85a	3.14a	3.92a	4.34a	4.56a
丙酸 Propionic acid （g·kg^-1 DM）	CK	0.81a	0.98a	0.73	1.02	1.06a	1.15	0.106	<0.001	0.452	0.315
	IRR	ND	0.08b	0.04	ND	ND	ND
	CLAB	0.19b	ND	ND	ND	0.01c	ND
	M6	0.14b	0.10b	0.77	0.17	0.38b	0.15
丁酸 Butyric acid （g·kg^-1 DM）	CK	0.49bB	0.71AB	0.85aAB	1.04aAB	1.16aA	1.18aA	0.049	<0.001	0.003	0.057
	IRR	ND	ND	0.03c	0.02d	ND	0.02b
	CLAB	0.47b	0.50	0.51c	0.57c	0.49b	0.53ab
	M6	0.73a	0.68	0.87a	0.79b	1.19a	0.83a
乳酸/乙酸 Lactic acid/acetic acid	CK	2.79bcAB	2.38bAB	2.86bA	2.63bAB	1.67bC	1.58bC	0.416	<0.001	<0.001	<0.001
	IRR	0.55c	0.66b	-	-	-	0.31b
	CLAB	12.64aA	12.90aA	8.27aB	4.63aB	4.62aB	5.27aB
	M6	3.92b	4.43b	4.84ab	5.24a	4.71a	5.26a