微生物接種對(duì)生活垃圾堆肥生化特性的影響

谷思玉， 谷邵臣，趙昕宇

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030）

現(xiàn)代好氧堆肥法是可降解固體廢物資源化利用的主要方式，它可以在一定程度上緩解我國(guó)肥料資源緊缺以及環(huán)境污染和生態(tài)破壞壓力[1-2]，符合我國(guó)污染環(huán)境防治法所確定的廢棄物處理減量化、無(wú)害化、資源化的原則，是垃圾處理處置的重要手段之一。

堆肥過(guò)程主要是利用微生物促進(jìn)垃圾中可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)生化轉(zhuǎn)化過(guò)程[3-4]，其中較難降解的物質(zhì)是纖維素，最難降解的是木質(zhì)素，所以纖維素、木質(zhì)素的破壞意味著細(xì)胞物質(zhì)的解體和腐殖質(zhì)的產(chǎn)生，是堆肥腐熟過(guò)程中的最重要的物理性狀變化。因此，利用人工接種高效降解菌來(lái)促進(jìn)纖維素、木質(zhì)素分解的技術(shù)，對(duì)加速堆肥發(fā)酵進(jìn)程有重要意義[5-8]。因此，該方面的研究也是垃圾生化處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?；诖耍疚膶?duì)接種降解菌堆肥的生化特性尤其是微生物活性指標(biāo)以及各種降解酶活變化進(jìn)行了研究。旨在通過(guò)生物化學(xué)手段分析，評(píng)價(jià)外源微生物接種堆肥可行性，進(jìn)而為堆肥接種技術(shù)提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

堆肥物料：城市生活垃圾；碳46.79%、氮2.51%，堆肥前將難降解物質(zhì)塑料、紙張、金屬、磚石等進(jìn)行挑選。

調(diào)理劑：木屑、碳54.65%、氮0.512%；干草，碳48.24%，氮1.20%。

菌種：耐高溫復(fù)合微生物菌劑(自制)，主要菌種包括纖維素分解菌、木質(zhì)素分解菌、霉菌等，菌落數(shù)：1×109cfu·mL-1。

1.2 堆肥裝置

堆肥裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，反應(yīng)筒尺寸為：高400 mm，直徑330 mm，總?cè)莘e34 L，出氣管直徑6 mm，配有滲濾液收集裝置、供氣及計(jì)量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、出口氣體在線檢測(cè)儀器。

圖1 堆肥裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of composting device

1.3 設(shè)計(jì)

堆肥試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：①普通不接種耐高溫復(fù)合微生物菌劑處理（CK）；②接種耐高溫復(fù)合微生物菌劑處理（CM），接種劑體積與堆料干重比為5∶10。

堆肥初期添加木屑、粉碎的干草將堆肥物料含水率調(diào)節(jié)至60%，碳氮比調(diào)節(jié)至25，堆料干重約為10 kg。物料放入堆肥裝置內(nèi)，強(qiáng)制通風(fēng)量為0.5 L·min-1·kg-1。

1.4 樣品采集

分別在堆肥的 0、48、96、144、192、240、288和336 h采用四分法采集樣品，每次取樣品總量為500 g，取樣后直接測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 溫度測(cè)定

采用堆肥裝置內(nèi)置溫度探頭進(jìn)行堆肥溫度時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.5.2 耗氧速率、CO2產(chǎn)生速率

采用堆肥反應(yīng)器在線O2-H2S和CO2測(cè)定儀測(cè)定。

1.5.3 酶活性測(cè)定

纖維素酶、蔗糖酶、多酚氧化酶活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[1-2]，方法如下：

a.纖維素酶活性是在樣品中加入纖維素后培養(yǎng)，使纖維素在纖維素酶作用下水解成葡萄糖，測(cè)定葡萄糖生成量以表征纖維素酶活性，活性單位用mg·g-1·24 h-1表示。

b.蔗糖酶活性測(cè)定及表示方法與纖維素酶活性相似，不同的是加入蔗糖以代替纖維素。

c.多酚氧化酶測(cè)定是在樣品中加入鄰苯三酚后培養(yǎng)，使鄰苯三酚在多酚氧化酶作用下氧化成紫色沒(méi)食子素，測(cè)定沒(méi)食子素含量以表征多酚氧化酶活性，單位為mg·g-1·24 h-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過(guò)程中溫度變化

在好氧堆肥過(guò)程中，微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量的熱量，使堆溫增高。一般來(lái)說(shuō)，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，有機(jī)體的生化反應(yīng)速率提高一倍。隨之微生物的種群結(jié)構(gòu)和代謝活力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變[1-3]。因此溫度是反映堆肥生化特性及發(fā)酵進(jìn)程的重要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)研究表明，堆肥開(kāi)始階段，堆料溫度迅速提高（見(jiàn)圖2），CM處理在堆肥的第1天即達(dá)到61℃，最高溫度達(dá)67℃，在堆肥周期內(nèi)，高于55℃持續(xù)5 d。CK處理分別在堆肥的第2天達(dá)到61℃，高于55℃停留時(shí)間則為4 d。堆肥實(shí)驗(yàn)表明，接種外源微生物可以加速堆肥升溫，而且耐高溫微生物對(duì)高溫等苛刻條件有良好的耐受性，可使接種堆肥高溫期持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，這也表明堆肥中接種微生物可加速有機(jī)物的降解，從而提高堆肥效率。

圖2 堆肥過(guò)程中溫度變化Fig.2 Changes of temperature during composting

2.2 堆肥過(guò)程中耗氧速率、CO2釋放率變化

堆肥過(guò)程中微生物消耗O2，將有機(jī)大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，最后轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，因此，堆肥過(guò)程耗氧速率與二氧化碳產(chǎn)生速率具有顯著的正相關(guān)。分析堆肥過(guò)程中耗氧速率、CO2產(chǎn)生速率能進(jìn)一步深入了解堆肥變化過(guò)程及反應(yīng)進(jìn)行的程度。從圖3、圖4可以看出，堆肥過(guò)程中耗氧速率、CO2釋放率均在高溫階段達(dá)到峰值，分別為：CM處理，耗氧速率0.0992 mol·h-1·kg-1，CO2釋放率0.0967 mol·h-1·kg-1；CK處理，耗氧速率0.0794 mol·h-1·kg-1， CO2釋 放 率 0.0781 mol·h-1·kg-1。 CM處理耗氧速率、CO2釋放率達(dá)到峰值所需時(shí)間比CK處理提前24 h，并且最大峰值分別是CK處理的1.25、1.24倍。在堆肥0～120 h，CM處理耗氧速率、CO2釋放率均明顯高于CK處理。CM處理在第192 h CO2產(chǎn)生量已經(jīng)與CK處理相接近，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)降解速率開(kāi)始下降，這可能與堆肥中可降解有機(jī)物含量減少且兩種處理微生物數(shù)量相接近有關(guān)。

堆肥升溫速率、耗氧速率、CO2釋放率與堆肥微生物種類、數(shù)量變化有直接關(guān)系，綜上分析，可以看出CM處理接種外源微生物菌劑可以提高堆肥中降解菌數(shù)量、活性及分解速率。

圖3 堆肥耗氧速率變化Fig.3 Oxygen uptake rate during composting

圖4 堆肥過(guò)程CO2產(chǎn)生率變化Fig.4 CO2produce rate during composting

2.3 堆肥過(guò)程中幾種酶活性變化

可降解固體廢物的堆肥過(guò)程是在微生物分泌體外酶的作用下把復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)，即礦化過(guò)程。但是有機(jī)物質(zhì)的變化并不限于分解，與此同時(shí)，還進(jìn)行新的有機(jī)物質(zhì)合成，這就是在酶促作用下進(jìn)一步把礦化的早期產(chǎn)物合成復(fù)雜的腐殖質(zhì)。因此，酶系活性的強(qiáng)弱直接決定堆肥的進(jìn)行和強(qiáng)度[1-4]。

2.3.1 纖維素酶活性變化

圖5表明，在堆肥升溫階段（0～24 h），CK處理纖維素酶活性略有降低，CM處理變化平緩；而在堆肥的高溫初始階段，兩種處理均呈明顯的增加趨勢(shì)，并在48 h達(dá)到峰值，分別為0.62 mg·g-1·24 h-1，0.57 mg·g-1·24 h-1，通過(guò)纖維素酶活性的峰值分析表明，與CK比較，CM處理纖維酶活性峰值增加了8.77%。此后堆肥溫度有所下降，纖維素酶活性亦隨之減少，但72～144 h間CM處理的平均纖維素酶活性比CK處理高1.21倍，說(shuō)明耐高溫微生物對(duì)纖維素酶活的增加起到了很好的作用。

圖5 堆肥過(guò)程中纖維素酶活性變化Fig.5 Cellulose emzymes activity during composting

2.3.2 蔗糖酶活性變化

堆肥過(guò)程中的蔗糖主要是纖維素分解產(chǎn)生的，也有一少部分來(lái)源于堆料有機(jī)物中。蔗糖在蔗糖酶的作用下分解為單糖，而蔗糖酶作用的底物則是纖維素酶分解的產(chǎn)物，因此，蔗糖酶的活性與纖維素酶的活性密切相關(guān)。堆料中纖維素酶活性增大，產(chǎn)生的蔗糖量增加，進(jìn)而促進(jìn)分解蔗糖的微生物活動(dòng)旺盛，導(dǎo)致蔗糖酶數(shù)量增加，活性增強(qiáng)。由圖6可以看出，堆肥過(guò)程中蔗糖酶活性變化與纖維素酶活性變化類似。CM、CK處理的堆肥蔗糖酶均在48 h達(dá)到峰值，分別 72.54 mg·g-1·24 h-1，66.98 mg·g-1·24 h-1，與CK比較，CM處理多酚氧化酶活性峰值增加了8.30%；兩處理蔗糖酶活性最大差距出現(xiàn)在72～144 h之間，而在堆肥的腐熟階段（240～336 h）蔗糖酶活性比較平穩(wěn)，兩處理間差距有所減小，且在300 h附近差距不明顯。

圖6 堆肥過(guò)程中蔗糖酶活性變化Fig.6 Sucrose emzymes activity during composting

2.3.3 多酚氧化酶活性變化

多酚氧化酶不僅能催化可降解固體廢物中木質(zhì)素降解，還能使木質(zhì)素氧化后的產(chǎn)物醌與氨基酸縮合生成胡敏酸[15]。

圖7 堆肥過(guò)程中多酚氧化酶活性變化Fig.7 Polyphenol oxidase emzymes activity during composting

從圖7可以看出，堆肥初期，隨溫度的升高，CK、CM兩種處理多酚氧化酶活性呈逐漸增加趨勢(shì)，并在堆肥144 h附近達(dá)到高峰，分別為70.25 mg glucose·g-1·24 h-1、85.96 mg glucose·g-1·24 h-1，與CK比較，CM處理多酚氧化酶活性峰值增加了22.36%。在堆肥的中后期，各處理的多酚氧化酶活性均高于堆肥前期，這可能與堆肥過(guò)程中木質(zhì)素在中后期分解及胡敏酸的合成有關(guān)。

3 討 論

堆肥過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)微生物作用和分解的過(guò)程[16]，堆肥開(kāi)始階段，溫度迅速升溫，微生物大量死亡，降低了微生物降解有機(jī)質(zhì)的活性，降低堆肥效率。這就需要通過(guò)接種耐高溫微生物菌劑來(lái)加速度堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的降解速率，縮短堆肥周期。本文通過(guò)接種耐高溫微生物使堆肥迅速升溫，可使接種堆肥高溫期持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，加速有機(jī)物的降解，從而提高堆肥效率，與李秀艷等研究結(jié)論一致[17]。堆肥過(guò)程中，微生物首先分解利用易降解的有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生大量的CO2，因此CO2能夠有效的反應(yīng)出堆肥的不同階段[17]。通過(guò)堆肥過(guò)程中的耗氧速率及CO2產(chǎn)生率分析表明，接種微生物可明顯增加堆料中微生物的數(shù)量及其對(duì)有機(jī)物質(zhì)的分解效率，提高堆肥分解旺期的耗氧速率及CO2釋放率，進(jìn)而縮短堆肥周期。生活垃圾中含有大量的植物殘?bào)w，其中含有大量的纖維素類物質(zhì)，纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)較難降解。加入耐高溫菌劑處理的堆肥其纖維素酶的活性明顯好于CK處理的，當(dāng)堆肥溫度有所下降的時(shí)候，纖維素酶活性亦隨之減少，但72～144 h間CM處理的平均纖維素酶活性比CK處理高1.21倍，說(shuō)明耐高溫微生物對(duì)纖維素酶活性的增加起到了很好的作用[18]。蔗糖酶的活性能夠間接反映纖維素酶的活性，兩個(gè)處理蔗糖酶活性最大差距出現(xiàn)在72～144 h之間，說(shuō)明CM處理在72～144 h時(shí)間段內(nèi)纖維素的活性較大，進(jìn)一步說(shuō)明耐高溫菌劑對(duì)纖維素酶的活性起到了增加的作用[19]。CM處理多酚氧化酶活性均明顯高于CK處理，表明接種微生物堆肥可促進(jìn)堆肥過(guò)程中木質(zhì)素的分解及胡敏酸物質(zhì)的形成，與劉艷華等研究結(jié)果一致[20]。

4 結(jié) 論

a.接種耐高溫微生物菌劑進(jìn)行堆肥，可加速堆肥升溫，提高堆料最高溫值，延長(zhǎng)高溫階段持續(xù)時(shí)間。

b.接種微生物菌劑堆肥，可明顯增加堆肥各階段堆料中微生物群落的數(shù)量，提高堆肥中前期的耗氧速率及CO2釋放率，進(jìn)而提高堆肥效率。

c.堆肥過(guò)程中纖維素酶、蔗糖酶活性變化規(guī)律基本一致，均在堆肥的第48 h達(dá)到峰值，在堆肥的24～192 h，接種微生物處理CM纖維素酶、蔗糖酶活性明顯高于CK處理。多酚氧化酶活性在堆肥的144 h達(dá)到峰值，并且堆肥降溫期及腐熟期多酚氧化酶活性明顯高于堆肥前期。在堆肥不同階段，接種微生物處理CM多酚氧化酶活性均明顯高于CK，尤其在堆肥的降溫及腐熟階段，增加顯著。

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