基于落葉資源化利用的景觀生態磚開發研究

寇一鳴 周苡純 陸沁凝 羅永婷 張葳 陳軍

摘要 探究落葉資源的生態開發利用。通過篩選高效降解微生物分解釋放落葉中植物生長養分，再經模具壓制加工成既能生長景觀植物，又可拼接布景的落葉生態磚。結果表明：篩選的3#落葉降解菌株能豐富降解基質中微生物種群數量，比對照組高出6.4倍，微生物多樣性指數SW比對照提高了0.12;落葉降解基質中酶活力指標也明顯增加。種植試驗表明：經降解過的落葉基質營養物組成更適合草皮等景觀植物的生長。壓制成的落葉生態磚成型規則，草籽定植穩固，生態磚拼接形式多樣，磚體透氣保肥效果適度，養護期草籽萌發率高，生長速度快，具有較好的景觀生態效果。研究可為大量的落葉資源尋找一條環境友好的處理途徑，具有較好的經濟價值和生態環保意義。

關鍵詞 落葉;微生物降解;資源化利用;景觀生態磚

中圖分類號 S731.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0225-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.059

Study on the Development of Landscape Ecological Brick Based on the Utilization of Defoliation as Resources

KOU Yi-ming， ZHOU Yi-chun， LU Qin-ning et al

（College of Life Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

Abstract The ecological development and utilization of deciduous resources is researched. By screening high-efficient degradation microorganisms， releasing the nutrients of the plants in the leaves， and then using the mold to suppress the degradation of the leaves， the leaves can be processed into both landscape plants and mosaic ecological bricks. The results showed that the number of microorganisms in the degradation matrix was increased by 6.4 times， and the microbial diversity index （SW） was also increased by 0.12 compared with the control group. The planting experiment shows that the nutrient composition of the defoliated substrate is more suitable for the growth of landscape plants such as turf. The pressed defoliated ecological brick has regular shaping， stable grass seed planting， various splicing forms of ecological brick， moderate permeability and fertilizer retention effect of brick body， high germination rate and fast growth rate of grass seed during maintenance period， and good landscape ecological effect. The study can find an environmentally friendly way to deal with a large number of deciduous resources， which has better economic value and ecological and environmental protection significance.

Key words Defoliation;Microbial degradation;Resource utilization;Landscape ecological brick

近年來城市或景區樹木綠化的規模超速發展，每年季節性產生的大量落葉在自然環境中降解周期長，還會產生不良的氣味和腐爛物質，影響城市的環境質量 [1]。清除和處理落葉污染已經成為環衛工人一項繁重的工作，也是環境保護行業中十分棘手的問題之一 [1-2]。隨著環保問題越來越受到人們的關注，“綠水青山就是金山銀山”理念更加深入人心，落實“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念使人們更加愛惜身邊的環境 [3]。自然界每年會產生數量極其龐大的落葉資源 [4、5]，而落葉中可利用的有機物質含量高，其中主要成分是纖維素、多糖和蛋白質，此外，還含有豐富的無機鹽、維生素和多種植物激素 [6-8]。目前落葉資源處理的主要方法有堆肥法、焚燒法和填埋法 [9-11]。雖然能夠清除落葉污染，但存在效益低、處理能力有限和再生利用率差等現實問題 [12-13]。該課題充分利用落葉中對植物生長有益有成分，經過微生物的分解和轉化作用，釋放其中的養分，再通過調節降解基質中營養物質配比，與凝結劑混合后壓制加工成預先植入過景觀植物的種子（或孢子）的生態磚塊。該磚塊可拼接、能布景、會生長，可以布置在林間、綠地、墻體或路徑旁，在適宜的養護條件下形成具有美化綠化功能的裝飾材料，研究開發的產品可為落葉資源的再利用、城市和景區環境質量的改善、園林綠化材料新資源的增加提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 落葉、微生物分離樣品及預植草籽

1.1.1 落葉收集。

春季校園內收集落葉量較大的干枯香樟落葉。

1.1.2 降解微生物分離樣品。

多點采集樹林中枯枝敗葉殘存環境中的表層土壤，每個采樣點采集50 g裝入無菌小塑料袋，通過等量縮分將樣品縮減到10 g備用。

1.1.3 草籽。

美國四季青狗牙根黑麥草（Lolium perenne L.）草籽，矮生草坪，耐陰耐寒，四季常綠品種 [14]。

1.2 培養基

1.2.1 微生物增殖培養基。

Na2HPO4 6 g/L，KH2PO4 3 g/L，NaCl 0.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，醇母膏0.2 g/L，MgSO4? 0.24 g/L，CaCl2? ?0.011 g/L，添加經破碎機粉碎落葉基質20 g/L和 100 mg/mL氨芐青霉素100 μL/L。

1.2.2 微生物分離純化培養基。

落葉粉碎基質10 g/L，Na2HPO4 6 g/L，KH2PO4 3 g/L，NaCl 0.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，FeSO4 0.025 g/L，酵母膏0.2 g/L，MgSO4 0.24 g/L，CaCl2? 0.011 g/L，氨芐青霉素100 μL/L，瓊脂20 g/L，pH 5.8～6.2， 0.1 MPa，滅菌20 min。

1.2.3 保存培養基。

PDA：商品培養基，上海疾病控制中心生產。

1.3 試驗器材及設備

刮鏟、定植杯和制磚模具。渦旋振蕩器、超凈工作臺、高壓滅菌鍋、振蕩培養箱、恒溫恒濕光照培養箱和電導率。

1.4 增殖培養

稱取2 g土樣加入裝有50 mL增殖培養基的250 mL三角瓶中，渦旋振蕩器上振蕩5 min，設置3組平行。混勻的液體置于30 ℃，180 r/min振蕩培養箱中搖瓶培養5 d。

1.5 落葉降解微生物分離

1.5.1 增殖液梯度稀釋。

在超凈工作臺中取增殖培養液 10 mL加入裝有90 mL無菌水的250 mL三角瓶中，靜置? 5 min后用渦旋振蕩器上振蕩5 min，制成10 -1稀釋菌液。用無菌吸管吸取? 1 mL 10 -1稀釋菌液加入9 mL無菌水試管中，渦旋振蕩器1 min制成10 -2稀釋菌液，再依次用無菌吸管吸取1 mL稀釋菌液加入9 mL無菌水試管中梯度稀釋成10 -3倍、10 -4倍、10 -5倍稀釋菌液。

1.5.2 平板涂布。

分別取0.1mL的 10 -4倍、10 -5倍稀釋菌液于分離培養基平板上，用無菌涂布棒分別涂布均勻，每一稀釋度重復5個平行。

1.5.3 培養。

將涂布好的平板放入30 ℃微生物恒溫培養箱中倒置培養48 h后，觀察培養結果，統計總菌數、菌落 種類。

1.5.4 菌株鑒別及純化。

挑取生長快速的典型菌落，在保存培養基平板上劃線純化至單一菌落，顯微觀察菌體形態。純化后的菌落斜面菌種保藏作為后續試驗的備用菌種。

1.6 落葉的微生物降解試驗

1.6.1 降解菌種的制備。

將分離得到的落葉降解菌株斜面用5 mL無菌生理鹽水浸潤，接種環攪拌斜面表面的菌苔將菌苔全部洗下，用無菌吸管轉入到50 mL無菌三角瓶中，渦旋振蕩器上振蕩5 min成菌懸液，取5 mL菌懸液加入到 50 mL增殖培養液中160 r/min，30 ℃培養48 h，作為強化落葉降解的發酵菌種。

1.6.2 落葉降解試驗。

將收集的香樟落葉加水浸潤24 h后按質量比接入1∶100（m/m）的落葉降解菌種制備液拌合均勻，裝入50×30×30 cm3的方形塑料籃中用8層紗布覆蓋籃口，30 ℃培養5～6 d強化落葉降解。測定其中的微生物數量、微生物多樣性指數和酶活力。其中對照組不添加菌液。

1.7 景觀生態磚的制作及養護

1.7.1 草籽在降解落葉基質中的萌發及生長。

將發酵后的香樟落葉用粉碎機破碎成粗粉狀，在定植杯中（Φ 60 mm× 80 mm）裝滿壓實，每杯均勻植入草籽5粒，設置5組平行。噴灑適量清水，增濕光照培養箱內22 ℃，培養10 d，統計出苗率和平均生長速度。

1.7.2 生態磚的壓制。

根據預植的植物種類對落葉降解基質作適量的植物營養物質調節，再加入質量比為10%（m/m）的2%的羧甲基纖維素溶液作為黏合劑拌勻，調節混合基質中總含水量在35%～40%。

將攪和的復配的落葉降解基質填充到特制的制磚模具（圖1）中壓緊壓實，磨平，并在預制的落葉磚的上表層均勻撒入草籽，預植的草籽量為2～3 粒/cm2，壓平成型后制成生態磚雛形。磚塊放置在室內常溫風干，約5～7 d自然風干，即已經制成生態磚。

1.7.3 生態磚透水保肥性能測定。

對相同制作條件下制成的生態磚，切取10×10 cm2的方塊，四周用寬帶透明膠帶纏縛，上部形成凹形水槽，加入清水保持水深5 cm，并收集透過磚塊的液體，測定單位時間單位面積內流出液體的體積[mL/（cm2·min）]和液體的電導率（mS/cm）。

1.7.4 生態磚的使用及養護管理。

生態磚在使用前先將磚塊浸入清水中吸水10 min，再在室外草坪、墻體或路邊按照設計的圖案擺放。用噴水壺噴水補濕，考察草籽開始萌發和生長情況。

1.8 檢測方法

1.8.1 菌體濃度測定 [15]。

活菌計數法測定樣品中和種類微生物數量。

1.8.2 降解落葉基質的微生物多樣性指數檢測 [16]。

微生物數量分析采用數字液體稀釋儀和全自動微生物平皿螺旋加樣系統操作，其中細菌檢測采用營養瓊脂培養基平板，放線菌檢測采用高氏一號培養基平板，真菌檢測采用馬丁氏培養基平板。

落葉降解基質微生物類群多樣性指數采用Shannon-Wiener（SW）多樣性指數表示。公式如下：

式中，Pi=Ni/N;N為菌落總數（cfu/mL）;Ni為第i個種的菌落數（cfu/mL）。

1.8.3 降解落葉中微生物總DNA的提取 [17]。

取3.0～4.0 g降解落葉樣品交上海美吉生物醫藥科技有限公司進行樣品基因組分析，測定經過降解菌強化作用后落葉樣品中微生物群落組成分析。

2 結果與分析

2.1 篩選微生物強化降解落葉基質的肥力指標分析

通過對采集樣品中的微生物進行富集培養，并采用落葉為微生物降解基質篩選出能快速利用落葉基質的微生物菌株，共分離出具有生長優勢的落葉降解微生物菌株6株。對落葉進行固態發酵試驗，接種不同的分離菌種強化落葉發酵，測定固態發酵基質的微生物多樣性指數和酶活力（磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶和纖維素酶等）。落葉降解樣中微生物多樣性指數統計見表1，酶活力指標測定見表2。

從表1 檢測結果分析，強化降解微生物后的落葉基質中微生物數量明顯增加，微生物多樣性指數也發生較大的變化，說明強化降解性能更好的微生物能提高落葉基質中微生物的活躍程度，更加有利于基質的分解。其中微生物數量增加最多的是3#菌株，數量達到3.5×106 CFU/g，比對照組高出6.4倍。多樣性指數增加最多的是4#菌株，SW為1.079，比對照組高出0.284。與之相對應的基質肥力指標顯示3#菌株的脲酶、蔗糖酶、纖維素酶和過氧化氫酶的活力均高于對照和其他菌株（表2）。綜合多方面結果，試驗最終選擇3#菌為落葉降解的強化菌種。

2.2 落葉降解后微生物群落組成分析

利用3#菌強化落葉降解后，基質中的微生物基因組測序分析顯示其中的菌系組成中屬于假球殼目的菌生格孢菌（Pleospora episphaeris）數量占比65.02%，其次是發菌科（Trichocomaceae）翅孢殼屬微生物，占比11.5%，再次是厚頂盤菌目（Stictidaceae）點盤菌科（Agyriella nigra）的黑色無座盤孢菌，占比10%。種類微生物數量占比情況如圖2所示。

2.3 降解落葉基質的草籽萌發率及生長速度

利用3#菌株降解后的落葉基質在定植杯中測試草籽的萌發和草苗的生長情況，統計結果如圖3、4所示。

由圖3、4可以發現落葉經3#菌株發酵降解后對草籽的萌發產生較好的影響，平均萌發率為93%，比未經降解的落葉稍高5%;而對草苗生長速度的影響更為明顯，5 d、10 d和15 d的生長速度分別提高了42.9%、91.2%和33.3%。說明降解落葉在草苗生長初期提供營養的速度更快，草苗的前期生長速度顯著高于未降解落葉基質。證實了落葉微生物降解更適合植物的種植。

2.4 生態磚透水保肥效果性能

對制作的生態磚噴淋清水并收集透過磚塊的液體，測定單位時間內流出液體的體積和液體的電導率，結果如表3所示。

檢測結果表明，相同的制磚條件下未經降解的落葉生態磚透水率最高，0.54 mL/（cm2·min），而經3#菌株降解落葉制成的生態磚只有0.25 mL/（cm2·min），說明透水性適中，有利于形成磚塊的較好的涵水能力，而電導率測定顯示，3#菌株降解落葉制成的生態磚透出液體的的數值為 1.025 mS/cm，低于另兩種菌株處理的落葉，反映出該樣品還具有較好的保肥性能，對照組未降解落葉生態磚的電導率數值較小的原因應該是落葉分解不夠，其中營養物質的釋放 不多。

2.5 黑麥草生態磚的基本養護條件確定

制成的生態磚養護的基本條件如下：在氣溫20～30 ℃的季節，景觀生態磚拼接前浸水10 min，按照設計的圖案拼接成景，每天傍晚噴灑清水使磚塊表面濕潤，3～5 d草籽發芽形成小苗，5～10 d小

苗覆蓋磚表面，當草苗根系形成扎入基質內部后2～3 d適當噴水，直到磚塊自然分解。

3 結論與討論

落葉資源十分龐大，落葉在自然環境中降解周期長，影響環境質量。經過微生物分解和轉化作用落葉釋放對植物生長有益有成分，再壓制加工成景觀落葉生態磚塊，將資源轉化科學合理，污染物轉變自然和諧 [18-19]。設計加工可為廢棄的落葉資源再利用，改善城市和景區的環境質量，豐富園林綠化材料新資源和新途徑。

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