2022年07月03日 星期日
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《三农号》:孔维丽研究团队:平菇种植用上了发酵培养料

平菇种植用上了发酵培养料
孔维丽研究团队(河南省农业科学院)

    平菇是蘑菇家族里的重要品种,产量仅次于香菇、黑木耳位居第三位,分类学上隶属于微生物、大型真菌,分类学上属于担子菌门、伞菌纲、伞菌目、侧耳科、侧耳属,专家们称它为糙皮侧耳、秀珍菇。平菇以农业废弃物为营养原料,生产了人们喜欢的高蛋白、无胆固醇的食物。“吃货”们深知它味道鲜美,多数人仅知道它是一种蘑菇,怎么生长出来的却鲜有人知。
    而种过平菇的人都知道,购置锅炉、接菌设备,建设接种间、养菌房、出菇房,配料原料、灭菌处理、无菌接种、培养出菇,这些是种植平菇必不可少的工序,对于小农户而言,这是一笔数目不小的投资。配制培养料是为平菇生长发育提供营养,灭菌处理是为平菇生长提供一个洁净无菌的生长环境。在自然界存在着大量生命力旺盛的平菇“天敌”,“天敌”主要有青霉和木霉等与平菇同类的真菌,在共生环境中他们快速生长与平菇争夺营养,抑制平菇菌丝生长。生产中通常将霉菌认定为平菇的死对头,只有采用高温来杀灭这些天敌,保证平菇的健康生长。而野生平菇通常生长在腐烂树木上,并不需要灭菌。
    研究团队无意中发现,染菌较重的平菇菌袋在室外堆积一段时间,霉菌消失了,竟然还长出了大量的平菇。受此启发,经过10年的探索研究,创建了发酵制备培养料、开放接菌“甩锅拆台”的平菇种植新模式。

以夷制夷,巧用天敌

    生活中人们常说“螳螂捕蝉,黄雀在后”,在生态系统中,平菇的天敌是霉菌,那么霉菌的天敌是谁?它藏身于何处?怎么才能找到它呢?腐烂的木头上是否存在着能够抑制或杀灭霉菌的物种或物质?堆积的培养料中是否也存在霉菌的天敌?一连串的疑问摆在研究人员面前。
    腐烂的木头不好找,堆积培养料很容易做。经过反复试验,将玉米芯培养料配置后经过8天发酵,开放接种种植平菇,平菇菌丝快速生长,料袋并没有感染霉菌,20多天后竟然顺利长出了平菇。既然发酵的培养料上长出了平菇,这种培养料中一定存在着霉菌的天敌。从发酵的培养料中提取出浸提液,稀释后制作平板培养基,分别培养平菇菌丝和青霉、木霉菌丝,果然霉菌菌落不能正常生长,而平菇菌丝正常生长;电子显微镜下观察发现霉菌菌丝细胞壁破裂,细胞内容物溢出抑制了霉菌菌丝的生长。
    这个实验让研究人员喜出望外。平菇培养料发酵后产生的什么物质能够破坏霉菌的细胞壁?通过代谢组分析发现培养料中存在大量的黄酮类、生物碱等40多种具有抗菌功能的活性物质。对43种代谢产物进行逐一验证,发现了5种抑制霉菌物质(鸭嘴花碱酮、金雀花碱、白杨素、川陈皮素、柚皮素),而对平菇菌丝生长不影响。以此确定了抑霉物质主要为生物碱类。

求本溯源,找到抑制霉菌物质供体

    那么这些抑菌物质又是怎么来的?是否还存在其他抑霉机制?进一步研究培养料发酵过程中微生物种群及其变化,发现了端倪。
    平菇培养料发酵是一个非常复杂的微生物活动过程,在8天的发酵过程中,料堆温度由常温升至45℃,进而升至70-80℃,然后下降到70℃以下,发酵结束。在料温由低到高、由高到低变化的过程中,那些微生物起到关键作用?宏基因组是目前检测微生物种群最常用的方法,宏基因组研究发现,培养料发酵过程中先后有2400多种微生物存在,发酵初期培养料青霉、木霉大量存在,而料温升至45度的中温阶段,培养料中青霉菌和木霉菌已经难觅踪迹。
    似乎证明了培养料的高温杀灭了霉菌,但是,中高温培养料只是满足不了霉菌的温度生存条件,试想如果培养料温度恢复到常温时,在开放培养环境中霉菌群体是否还会卷土重来,恢复其种群数量与活力?霉菌真正的克星是什么?进一步分析表明,当料温在升至70℃度时,厚壁菌门丰度上升处于主导地位,此时抑霉物质(生物碱)富集程度升高,发酵结束后料温下降,变形菌门和拟杆菌门丰度上升成优势种群,抑霉物质含量下降维持较高水平。可以说,厚壁菌门种群大量繁殖和活动抬高了抑霉物质的含量。
    至此,证明了培养料中抑制霉菌物质是平菇竞争性霉菌的天敌和克星,其背后的推手是厚壁菌门微生物,厚壁菌门微生物代谢产生了抑制霉菌的物质,厚壁菌门提供了永久性抑制平菇竞争性霉菌的物质基础,而变形菌门为厚壁菌门的繁殖和扩增提供了温度先决条件。也可以说,发酵过程中培养料持续升温净化了霉菌,而培养料中的抑霉物质屏蔽了霉菌,成为培养料种植平菇的护身符。

创造条件,驱动培养料有序可控发酵

    既然证明了平菇培养料发酵产生了抑制霉菌的物质,且在发酵第8天时含量最高,因此,发酵的培养料种植平菇的风险取决于发酵料中抑霉物质的含量,而抑霉物质的产生又取决于微生物的繁殖。微生物生长发育需要合适的条件,这些条件包括颗粒度大小、碳氮比、水分含量、温度、pH等,提供什么样的条件和发酵工艺才能使发酵微生物繁殖的更快、更多?通过多次试验,确定了玉米芯粒径0.5 cm,玉米芯84%、麸皮10%、尿素1%、石灰5%、料水比1:2.5的培养料初始配方,用该配方配制出的培养料碳氮比为55~59:1、含水量至68~70%、pH为11。较高的碳氮比、含水量和pH培养料配方为初期变形菌门的繁殖提供了适生环境。
    要使培养料驱逐净化霉菌,长出霉菌屏障,为种植平菇提供一个健康、营养丰富的“土壤”,就要使培养料中优势菌群有序出场,培养料温度升序稳健。研究发现,培养料在氧气充分条件下才能使培养料发酵有序可控。在发酵过程中如果出现了缺氧状况,培养料会诱导出HIF-1信号,HIF-1信号是培养料缺氧的指示指标,它的强弱标志着培养料中氧气量的丰缺。提高培养料含氧量成为发酵的关键,而通过培养料建堆、翻堆工艺可以创造出好氧发酵环境。经过试验,确定了培养料堆高控制在1m以下、堆宽1.5~2.0m、长度不限的培养料堆制方法。发酵初期产生的氨会降低培养料堆中氧气含量,影响发酵微生物的繁殖,因此,需要在培养料堆上打孔排氨,打孔间距40cm且呈“品”形排列。虽然在培养料堆上打有排气孔,但培养料中氧气相对含量随着发酵时间延长会持续降低,有必要通过翻堆增加培养料氧气含量,在8天的发酵进程中,每2天翻堆1次,共需翻堆4次。
    在发酵的第2天,料堆温度升高到45度,变形菌门完成了历史使命,与平菇竞争的青霉、木霉基本清除,厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门接序登场。第4天,料温升至70度以上持续4天,发酵培养料含水量为59%-62%、pH值降为7-8、C/N约35:1、DOC约0.5%、氨含量约0.2%。发酵第8天,抑霉物质出现了峰值,对霉菌菌丝和孢子的抑制效果均为100%。若继续发酵,抑霉物质含量不会增加。此时,发酵培养料中微生物仍然非常活跃,代谢和转化物料的能力仍处于旺盛时期,旺盛的活动和代谢会持续消耗培养料的营养,过多消耗培养料营养会影响平菇的生长,因此,以料温70-80度持续4-5天为节点,确定发酵时间为8天。
    为确保发酵培养料抑霉效果,在发酵培养料中添加10-80%的生料进行平菇培养,添加10%生料为梯度递增,结果表明,添加80%生料的发酵培养料栽培平菇,菌袋袋成品率仍然为100%,充分证明了培养料8天发酵抑霉物质达到了安全种植平菇的要求。

生物合成,发酵赐予培养料促生因子

    为了证明发酵合成物质促进平菇生长的效果,用发酵成熟的培养料制备成80%体积浓度发酵料浸提液制作培养基,接种平菇菌丝,在这种培养基上生长更快、更好、活力旺盛,平菇菌丝生长速度增加0.32cm/d,生物量增加0.18g/100mL,漆酶活性提高9.6倍,菌丝内液泡及线粒体数量明显增加。因此培养料发酵过程不仅产生了抑制霉菌物质,也产生了促平菇生长物质。玉米芯富含木质素、纤维素和半纤维素,当培养料温度处于70-80度高温时,厚壁菌门优势属打开了微生物酶分泌代谢途径,旺盛的活动代谢,增强了漆酶、木聚糖酶、蛋白酶活性,加快了木质纤维素的分解,培养料氨基酸、碳水化合物和脂类代谢加快,产生了丰富的糖类及其衍生物、氨基酸、多肽类及其类似物、维生素等代谢物,还产生了吲哚-3-乙酸、茉莉酸和赤霉素等植物激素类物质,这些物质为平菇提供了生长因子。进一步证明发现添加外源IAA、ppGpp,提高NADPH氧化酶活性促进平菇生长发育,提高平菇漆酶活性产量提高。相对于高温高压制备的平菇培养料,因没有发酵微生物的代谢活动,平菇生长需要的营养靠自己分泌,而在发酵制备的平菇培养料中,发酵微生物帮助平菇合成了木聚糖酶、漆酶和蛋白酶。可以说在平菇培养料发酵系统中,存在着大量的平菇“闺蜜”-发酵微生物,平菇依靠这些闺蜜赠予的“贡品”,过着皇帝一般的生活,衣来伸手,饭来张口。
    平菇的本质是自养生物,靠自力更生获得自己生长的食物,而发酵的培养料供给丰富营养时,平菇自食其力的能力得以掩盖而不是退化,倒是让研究人员发现了平菇不仅是自养生物,在合适条件下,也可以是异养生物。
    一个好汉三个帮,发酵培养料系统推出了平菇的共享时代。平菇偏好有机氮,5种固氮菌与平菇共生,增加培养料中有机氮含量,从而提高平菇的产量。如果平菇是寿星,发酵培养料绘出了“五虎捧寿”的画面。平菇厌恶发酵培养料中的氨,当培养料中氨的含量≥0.25%时,就会抑制平菇菌丝的生长,通过翻堆释放了发酵产生的氨,但仍有氨的残留,固氮菌把一部分氨残留固定下来,并转化为平菇偏好的有机氮。乙烯抑制平菌丝生长和子实体发育,培养料发酵过程中脱氨酶产生菌能够降解平菇产生的ACC从而减少了乙烯的合成,发酵完成时脱氨酶产生菌基因丰度较初期增加了4倍。

甩锅拆台,构筑平菇开放种植系统

    发酵工艺赋予培养料抑制平菇竞争性霉菌的功能,发酵培养料建立了自然屏蔽霉菌侵染的生态系统。利用发酵获得的培养料生态系统开放接种平菇菌种,抛弃了当前平菇生产常用的高温高压灭菌和净铧车间接种的设备、设施,构筑了平菇开放种植系统。
    发酵培养料开放种植平菇系统,应用了生物竞争与共生理论,通过培养料微生物在系统内的自组织建立了净化霉菌和防止霉菌再感染体系,是节本增效、节能减排的低碳模式。按照河南省每年平菇产量115万吨计算,如果全部采用发酵料栽培模式,每年可以减少用煤11.5万吨,可减少SO2排放量977.5吨/年,NxO排放量851吨/年。按1户种植1万棒计算,可以减少115万个灭菌锅炉和无菌接种设备,节约成本300多万元。

重构秩序,构建平菇与定居微生物生命共同体

    平菇种植可以分五个阶段:制备培养料,装袋接种,菌袋培养,出菇管理,采收贮藏。
    进入到菌袋培养阶段。发酵的培养料里生活着数量巨大的发酵微生物菌群,在接种平菇后,发酵培养料里的菌群就成为土著菌,是定居在培养料中的微生物,相比之下,平菇是后来接种到培养料上的菌,是外来菌或侵入菌。土著微生物之间并不是一个紧密的组织,它们之间没有相互依存、一致对外的协同机制。同时,土著微生物每个个体之间生存的条件不同,种植户可以利用土著微生物“一盘散沙”的短板,创造有利于平菇生长的环境。促进平菇快速定殖,在培养料中反客为主,并以平菇为主建立一个平菇与土著微生物共生的命运共同体,是发酵培养料种植平菇成功与否的关键所在。研究发现固体大粒层播接种技术,更能促进平菇菌丝快速定殖。因此发明了液体菌种固化技术,接种液体固化菌种的平菇菌袋生产周期从56天缩短至54-55天。
    高温制备的培养料种植的平菇是一个单一物种并在净化环境下的培养系统,两者有很大的差别。
    人们种植平菇是要获得平菇的高产,需要整个种植系统向着有利于平菇生长的方向发展的,在发酵培养料种植平菇系统里,发酵培养料中平菇与土著微生物竞争生长,竞争的结果呼吸量增大,料温度升高,一般会使培养料温度高于环境温度10度左右,利用这一特点,制定了一套菌袋控温培养方法,在冬季低温情况下,环境温度低于10度,种植户可以不用加温,培养袋的温度就能满足平菇生长的温度。高温季节采用透气菌袋料袋或者料袋加装通气管、通风调温大棚,只要把菌袋温度控制在25度以下,平菇能够快速生长。
    平菇与土著微生物在培养袋中竞争性生长,并不是挤压土著微生物的生长空间,而是要建立培养袋中各种微生物共存的社会秩序和社会分工。在外力作用下平菇在培养袋中的地位不断提升,成为土著微生物的领导者。用电镜观察发现,土著微生物与平菇菌丝合力把玉米芯外侧的木质素层打出一个又一个小孔,平菇借势把菌丝伸进孔洞,利用自己产生的降解酶,把被木质素包裹着的纤维素、半纤维素吃掉,最后木质素外壳塌陷、破碎。
    平菇与培养料定居微生物竞争性共生使培养料温度较环境温度拉高了10度,这是发酵培养料种植平菇的第一个缺憾,通过发明的设施通风降温有效解决了这个问题。发酵的培养料存在的第二缺憾是氨的残留,虽然培养料在发酵制备时已经尽力控制了氨的残留,但残余氨仍对平菇生长造成威胁,解决这个问题,把选育出抗高温、抗高氨作为适合发酵培养料栽培平菇专用品种的选育指标,通过资源评价、杂交选育出黑平17-1和新科108两个专用品种,氨耐受性均高于亲本菌株66.7%,菌丝耐高温能力达到35℃。在河南省多点生产区域试验中,新科108较主栽品种黑抗650生物学效率提高2.2%~26.4%,黑平17-1较黑抗650增产3.3%~13.5%,蛋白质含量提高1.2个百分点。有了专用品种,结合使用通风降温设施,用发酵培养料种植平菇,种植户可以高枕无忧了。