接種外源微生物對蘑菇渣堆肥的影響

梅麗娜,姚 拓,劉雯雯,王小利,孟軍江

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅蘭州 730070)

蘑菇渣是生產(chǎn)蘑菇過程中產(chǎn)生的有機(jī)固體廢物。在各大中城市的城鄉(xiāng)接合地分布著大量蘑菇生產(chǎn)基地,蘑菇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物,尤其是蘑菇渣得不到較好的處理,污染了居住環(huán)境,并且影響了蘑菇的規(guī)?；a(chǎn)[1]。

有機(jī)廢物堆肥有著悠久的歷史[2],自古以來我國農(nóng)村地區(qū)普遍將秸稈、落葉、野草、動物糞便及墊圈料等堆積在一起,進(jìn)行發(fā)酵制成肥料。通過有機(jī)堆肥可以將令人討厭的廢物轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谔幚淼奈锪?也可創(chuàng)造有價值的商品即堆肥產(chǎn)品。堆肥是有機(jī)物穩(wěn)定化的過程,影響堆肥化進(jìn)程和堆肥質(zhì)量的因素很多,除了水分、溫度、pH 值及通氣條件等因素外,微生物也發(fā)揮著不可替代的作用[3-5]。微生物的種類、數(shù)量影響著堆肥化進(jìn)程和堆肥質(zhì)量。許多學(xué)者從多樣化的環(huán)境或物料中分離出具有不同功能作用的微生物,并篩選出優(yōu)勢菌株,通過培養(yǎng)馴化,用于堆肥接種,以達(dá)到縮短發(fā)酵周期、減輕或消除物料臭味,提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的目的。本試驗(yàn)以蘑菇渣廢棄物為原料,研究接種外源微生物對蘑菇渣堆肥過程中一些指標(biāo)的影響,旨在為蘑菇渣利用和改善環(huán)境提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 菌糠 采收種完平菇后的新鮮廢料,主要成分為棉籽殼。pH6.56,有機(jī)質(zhì)44.5%,全N 1.58%,C/N 28.1。菌糠預(yù)處理:將新鮮菌糠粉碎過2 cm篩,加水至能夠手捏成形,指縫有水跡?；旌暇鶆蛑缶殖?堆。

1.1.2 外源微生物 聯(lián)合固氮菌W5、C6和W6;溶磷菌P191,P92和P170,甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草地微生物多樣性實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 方法

1.2.1 外源微生物接種液制作 菌種純化之后進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng),固體和液體培養(yǎng)基均為 LB培養(yǎng)基。擴(kuò)大培養(yǎng)24 h后,在波長660 nm下調(diào)節(jié)OD值(OD值＞0.5,即活菌數(shù)＞108),并用無菌水調(diào)節(jié)使各處理OD值相同。

1.2.2 菌糠接種堆肥 將調(diào)節(jié)好OD值的固氮菌菌液1 000 mL、溶磷菌菌液1 000 mL分別加入2個堆體中,分別攪拌均勻。另設(shè)不加菌液的處理為對照,共計(jì)3個堆體。堆肥地點(diǎn)為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院試驗(yàn)地,堆體橫截面為梯形,堆體大小為高 80 cm,寬80 cm,長 150 cm 。

1.2.3 堆肥管理 試驗(yàn)設(shè)置3個處理,即N處理(聯(lián)合固氮菌混合接種物)、P(溶磷菌混合接種物)和對照CK(不接種)。于2007年6月3日開始堆肥,堆置期2個月。每天早8:00,晚20:00在堆體上、中、下3點(diǎn)測定堆體溫度 ,并在堆制的第 3、16、26、46、60 d進(jìn)行人工翻堆。在堆置過程中每天觀察水分的散失情況,如水分小于60%立即補(bǔ)水。

1.2.4 采樣與測定 在堆置前及每次翻堆時采樣,從堆體上中下各分 5點(diǎn)進(jìn)行采樣,采樣1 kg,縮份至100 g,然后進(jìn)行pH值、E4/E6值的測定。取樣10 g,固液比1∶10,160 r/min振蕩20 min,取上清液測定pH值;E4/E6值采用吸取上清液在波長465 nm,665 nm下測定吸光值,大于2時稀釋,其比值不變。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度變化

3個處理在堆肥第3 d,即48 h之后溫度均達(dá)到50℃,在50℃以上保持了5 d(圖1)。3個處理均是良好的堆肥系統(tǒng),高溫維持時間也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn),起到了殺滅治病微生物的作用,滿足堆肥無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。各處理在堆肥過程中的溫度變化趨勢基本相同,但是,接種固氮菌的處理在前期溫度上升最快,并且在環(huán)境溫度較低時,仍然能保持較高溫度,說明接種固氮菌的處理具有較好的保溫作用。堆肥后期,3個處理的溫度趨于相同。

圖1 菌糠堆肥溫度變化Fig.1 Changes of temperature in different composts

2.2 堆肥過程中pH值變化

堆肥初始pH值相對較高,這是因?yàn)樵诔跗诩尤肓松?以使棉籽殼更有利于食用菌的生長。隨著時間延長,各處理pH值下降,到第3 d達(dá)到最低,可能堆肥初期,微生物利用易分解的有機(jī)質(zhì)快速繁殖,大量有機(jī)酸產(chǎn)生,導(dǎo)致pH值迅速下降,之后由于有機(jī)酸的揮發(fā)和氨的產(chǎn)生,各處理pH值回升,到堆肥后期緩慢上升并趨于穩(wěn)定(圖2)。這種變化趨勢可以說是堆體中微生物群落演替和主要代謝產(chǎn)物變化的結(jié)果。隨著堆體溫度的升高,其中嗜熱微生物會逐漸代替中溫微生物成為優(yōu)勢菌群,出現(xiàn)了堆體內(nèi)微生物群落的演替,而不同的微生物菌群產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物其酸堿性有所不同,從而使得pH值波動。但從整個過程來看,3個處理之間差異不顯著,而且趨勢相同。

2.3 堆肥過程中的腐殖化

由于堆肥過程中伴隨著腐殖化的過程,研究各腐殖化參數(shù)的變化是評價腐熟度的重要方法。腐熟度就是堆肥腐熟的程度,即堆肥中有機(jī)質(zhì)經(jīng)過礦化、腐殖化過程最后達(dá)到穩(wěn)定的程度。由于堆肥原料、堆肥條件、堆肥工藝、對堆肥產(chǎn)品的要求的復(fù)雜性,堆肥的腐熟度也變得相當(dāng)復(fù)雜。自20世紀(jì)60年代以來,國外就開始研究堆肥腐熟度問題,我國(1988年)才有1篇關(guān)于堆肥腐熟的研究報告。但直到現(xiàn)在還沒有制定出統(tǒng)一的權(quán)威的評價堆肥腐熟度的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和方法。

圖2 菌糠堆肥pH值變化Fig.2 Changes of pH value in different composts

3個處理的E4/E6值總體均呈現(xiàn)降低的趨勢,符合腐殖化的規(guī)律(圖3)。在堆肥第2～16 d這一階段,3個處理差異較大。固氮菌處理的E4/E6值從初始的2.31迅速降低到1.74,之后又回升到1.84;溶磷菌處理從初始的2.31平緩下降到2.22,之后降低到1.97;對照CK從初始的2.31迅速下降到1.92后一直保持較平緩的變化趨勢。說明在堆肥第1階段,即高溫階段,堆肥腐殖化的速度依次為N、CK、P。在堆肥的第2階段,即后熟階段,固氮菌處理的E4/E6值一直保持在最低水平,當(dāng)堆肥進(jìn)行到第46 d之后,小分子化合物基本完全轉(zhuǎn)化為大分子化合物,堆肥的腐殖化進(jìn)程基本結(jié)束,E4/E6值趨于穩(wěn)定。通常堆肥接種會加快腐殖化進(jìn)程,但是與CK相比,固氮菌處理有明顯的加快腐殖化的作用,而溶磷菌處理的變化不是很明顯。

圖3 菌糠堆肥過程中E4/E6值的變化Fig.3 Changes of E4/E6 value in different composts

各種腐殖化系數(shù)包含一種以上的指標(biāo)測定,涉及到的指標(biāo)比較多,且各種腐殖質(zhì)的測定都比較繁瑣。為此選擇一個描述腐殖酸品質(zhì)和芳構(gòu)化程度的重要指標(biāo)E4/E6值來描述堆肥腐殖化作用大小,即堆肥腐殖酸在波長465和665 nm處吸光度比值,稱為E4/E6值。E4/E6值不與腐殖酸分子數(shù)量有關(guān),而與腐殖酸分子大小與分子的縮和度大小有直接關(guān)系,通常隨腐殖酸分子量的增加或縮和度增大而減小。隨著堆肥進(jìn)程的延長,一些大分子的腐殖酸逐漸形成,E4/E6比值呈降低趨勢[6-9]。

3 討論與結(jié)論

(1)堆肥的溫度變化是反映發(fā)酵最直接、最敏感的指標(biāo)。堆肥過程分為升溫、高溫和降溫階段3個[10]。在升溫階段,堆體溫度逐步從環(huán)境溫度上升到45℃,主導(dǎo)微生物以嗜溫性微生物為主,包括真菌、細(xì)菌和放線菌,分解底物以糖類和淀粉為主。堆溫升至45℃以上高溫階段,在這一階段,嗜溫微生物受到抑制甚至死亡,而嗜熱微生物則上升為主導(dǎo)微生物。堆肥中殘留的和新形成的可溶性有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)被氧化分解,復(fù)雜的有機(jī)物如半纖維素-纖維素和蛋白質(zhì)也開始被強(qiáng)烈分解?，F(xiàn)代化堆肥生產(chǎn)的最佳溫度一般為55～60℃[13],這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)微生物在該溫度范圍內(nèi)最活躍,最易分解有機(jī)物,而病原菌和寄生蟲大多數(shù)可被殺死。高溫階段必然造成微生物的死亡和活動減少,之后進(jìn)入低溫階段。在這一階段,嗜溫性微生物又開始占據(jù)優(yōu)勢,對殘余較難分解的有機(jī)物做進(jìn)一步的分解,但微生物活性普遍下降,堆體發(fā)熱量減少,溫度開始下降。接種外源微生物菌群的目的是為了使堆體溫度快速上升,在50～60℃高溫區(qū)維持一段時間,有機(jī)物充分降解并最大程度地殺滅病原菌。

試驗(yàn)表明,N處理是良好的堆肥系統(tǒng),高溫維持時間也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn),滿足堆肥無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。接種固氮菌的處理在前期溫度上升最快,并且在環(huán)境溫度較低時,仍然能保持較高溫度,說明接種固氮菌的處理具有很好的保溫作用。

(2)pH值是影響微生物生長繁殖的重要因素之一,影響整個堆肥過程。雖然不同研究得出的堆肥微生物適宜的pH值范圍存在差異[10],但大量研究結(jié)果表明,多數(shù)堆肥微生物適合在中性或偏堿性環(huán)境中繁殖與活動。有機(jī)物料堆積過程中,堆內(nèi)酸堿度是變化的,微生物的降解活動,需要一個微酸性或中性的環(huán)境條件,pH值過高或過低都不利于微生物的繁殖和有機(jī)物的降解。本試驗(yàn)中接種外源微生物對pH值影響較小。在堆肥初期,微生物利用易分解的有機(jī)質(zhì)快速繁殖,大量有機(jī)酸產(chǎn)生,導(dǎo)致3個處理的pH值迅速下降,之后由于有機(jī)酸的揮發(fā)和氨的產(chǎn)生,各處理pH值回升,到堆肥后期緩慢上升并趨于穩(wěn)定。這種變化趨勢可以說是堆體中微生物群落演替和主要代謝產(chǎn)物變化的結(jié)果。

(3)堆肥過程中伴隨著腐殖化的過程[7]。3個處理的E4/E6值總體均呈現(xiàn)降低的趨勢,符合腐殖化的規(guī)律。在堆肥第1階段,即高溫階段,堆肥腐殖化的速度依次為N、CK、P。多數(shù)研究者和堆肥者認(rèn)為,用于堆肥接種的微生物都是通過壓力篩選,比絕大多數(shù)土著微生物具有更強(qiáng)的抗逆性、更好的適應(yīng)性,繁殖速度快,因此,堆肥接種能大幅度地提高產(chǎn)品質(zhì)量,但本次堆肥試驗(yàn)中,雖固氮菌處理有明顯的加快腐殖化的作用,但溶磷菌處理的變化不是很明顯。對蘑菇渣堆肥接種本試驗(yàn)室提供的外源微生物,固氮菌混合接種物對堆肥保持較高溫度有好處,具有較好的保溫作用;但接種外源微生物對pH值影響較小;接種固氮菌處理在堆肥進(jìn)行的46 d內(nèi),E4/E6值一直保持在最低水平,較對照明顯加快腐殖化作用。而溶磷菌混合接種物對堆肥的影響較小,與對照差異不顯著。

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