微生物菌劑對(duì)堆肥發(fā)酵影響的研究進(jìn)展

勾長(zhǎng)龍等

摘要：堆肥處理是目前實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無害化處理及資源化利用的重要手段之一，通過接種高效微生物菌劑克服了傳統(tǒng)堆肥處理方法諸多不足。對(duì)微生物菌劑在堆肥中的應(yīng)用情況，微生物菌劑對(duì)堆肥各項(xiàng)指標(biāo)、堆肥品質(zhì)、重金屬的影響以及在堆肥中的應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述，以期為養(yǎng)殖業(yè)廢棄物的無害化處理及資源化利用相關(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：微生物菌劑；好氧堆肥；糞便

中圖分類號(hào)：S141.3；S144.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）06-1244-04

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整以及規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，如何進(jìn)行畜禽糞便等廢棄物的無害化處理及資源化利用成為亟待解決的問題。目前，中國對(duì)畜禽糞便的加工處理方法主要有化學(xué)法、物理法和生物法。生物處理法又分為好氧生物處理法和厭氧生物處理法。在眾多的畜禽糞便處理方式中，由于好氧堆肥處理方法成本低、無害化程度高、處理能力大、處理后的產(chǎn)品方便運(yùn)輸且適于農(nóng)田施用，適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展而備受關(guān)注。傳統(tǒng)堆肥方法利用原料中土著微生物降解有機(jī)物質(zhì)，由于堆肥初期有益微生物數(shù)量相對(duì)較少，需要一定時(shí)間才能大量繁殖，存在發(fā)酵周期長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)。同時(shí)在堆肥過程中存在氮素?fù)p失現(xiàn)象，有惡臭氣味，并且糞便中殘留的重金屬及抗生素等有害物質(zhì)還存在環(huán)境污染的可能。沈根祥等[1]的研究表明，利用篩選的微生物可以加速堆肥基質(zhì)的發(fā)酵，有效提高堆肥的溫度，加快腐熟進(jìn)程。陳華癸[2]指出，在堆肥過程中通過人為接種分解有機(jī)物能力強(qiáng)的微生物菌劑，可提高初期堆料中有效微生物總數(shù)，加速堆肥材料的腐熟，形成的高溫條件有利于殺滅糞便中的病原體、蟲卵和雜草種子等。近年來一些學(xué)者對(duì)畜禽糞便堆肥的工藝條件、影響因素、使用不同微生物接種菌劑等方面進(jìn)行了深入研究[3]，但對(duì)糞便堆肥快速發(fā)酵及其機(jī)制的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此如何充分利用微生物間的協(xié)同作用，快速分解糞便中的有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)糞便處理的資源化利用具有十分重要的意義。

1 微生物菌劑在堆肥中的應(yīng)用

復(fù)合微生物菌劑是將兩種或兩種以上的微生物以一定的比例混合培養(yǎng)，充分發(fā)揮微生物群成員之間的聯(lián)合協(xié)同作用，以獲取能達(dá)到最佳應(yīng)用效果的一種微生物制劑。微生物菌劑來源主要有利用天然微生物優(yōu)化處理的微生物菌劑和人工構(gòu)建的高效菌種兩種。

1.1 微生物菌劑在國內(nèi)外應(yīng)用的概況

國內(nèi)外對(duì)于堆肥接種微生物菌劑的研究已取得較大進(jìn)展。20世紀(jì)40年代，美國通過在堆肥的原料中接種細(xì)菌使堆肥時(shí)間縮短1～3 d；20世紀(jì)70年代，日本研制出EM菌劑， 10～15 d就可以把垃圾腐熟，加快了堆肥降解的效率。近年來有許多學(xué)者致力于研究堆肥中不同作用的微生物，并進(jìn)行了優(yōu)質(zhì)高效菌種的篩選和接種。張隴利等[4]在污泥堆肥試驗(yàn)中加入VT復(fù)合微生物菌劑，結(jié)果表明添加菌劑的堆體升溫速率和溫度最高值明顯高于對(duì)照組，并且促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)分解和加快了水分散失。秦莉等[5]通過在堆肥中添加具有降解纖維素和金霉素功能的外源復(fù)合菌劑，來研究接種外源菌對(duì)堆肥的降解效率及抗生素類藥物降解效果的影響。結(jié)果表明，添加的外源菌劑對(duì)纖維素降解有明顯的促進(jìn)作用，接種復(fù)合菌劑堆體中的金霉素降解率也顯著高于對(duì)照組。寧志剛等[6]通過在豬糞的堆肥中添加固氮菌、溶磷菌、解鉀菌三者同比例混合的復(fù)合微生物菌劑，研究其對(duì)豬糞堆肥的作用效果，結(jié)果表明復(fù)合菌劑接種量為1.5%、2.0%時(shí)，豬糞氣味基本去除，作用效果明顯。Vargas-Gare等[7]在堆肥試驗(yàn)中添加芽孢桿菌作為堆肥接種菌種，結(jié)果表明不同的堆肥原料對(duì)接種微生物堆肥的效果有不同的影響。目前利用新型微生物菌劑處理畜禽糞便已成為廢棄物資源化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.2 低溫菌劑的應(yīng)用

在冬季尤其是北方冬季低溫狀態(tài)下，堆肥發(fā)酵過程難以啟動(dòng)，而市場(chǎng)上的發(fā)酵劑均是常溫或高溫發(fā)酵劑，15 ℃以上才能應(yīng)用，因此微生物菌劑在北方的推廣受到了較大限制，而低溫菌劑的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了這一缺陷。籍寶霞等[8]把低溫發(fā)酵劑添加到雞糞的堆肥中，結(jié)果表明在日平均氣溫4.9～7.1 ℃情況下，使用低溫發(fā)酵劑48～72 h即可啟動(dòng)廢棄物發(fā)酵。采用好氧發(fā)酵方法，10 d內(nèi)發(fā)酵溫度可達(dá)70℃，發(fā)酵時(shí)間維持48 h以上。路偉明等[9]從凍土中篩選出低溫纖維素分解菌并進(jìn)行纖維素降解率測(cè)定，一菌株最高降解率達(dá)49.1%，并且該菌株可在20～30 ℃時(shí)較好地生長(zhǎng)，在一定時(shí)間內(nèi)能夠維持堆體溫度，易于啟動(dòng)自然存在于牛糞里的中溫生物。由此可知在低溫下使用低溫菌對(duì)堆肥發(fā)酵的影響較大。

2 微生物菌劑對(duì)有氧發(fā)酵指標(biāo)的影響

2.1 對(duì)溫度的影響

溫度的變化是反映堆體內(nèi)微生物活性變化的一個(gè)重要指標(biāo)，能很好地呈現(xiàn)堆肥過程所達(dá)到的狀態(tài)。EPA（美國環(huán)境保護(hù)署）制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]指出，堆體溫度在50 ℃以上保持5～7 d，能夠殺滅堆料中的致病微生物，是保證堆肥的衛(wèi)生指標(biāo)合格和堆體腐熟的重要條件。李玉紅等[11]的試驗(yàn)結(jié)果表明，在堆肥初期添加微生物菌劑促進(jìn)了堆體快速升溫，較對(duì)照組提前1～4 d到達(dá)高溫階段（>50 ℃），添加菌劑能起到快速升溫的作用，有效促進(jìn)有機(jī)物料的腐熟進(jìn)程。耿冬梅等[12]的試驗(yàn)表明，向堆料中接種微生物菌劑，能增加堆層中微生物總數(shù)，微生物通過協(xié)同作用，使堆層中的高溫微生物迅速繁殖，提前實(shí)現(xiàn)堆肥的高溫期。黃懿梅等[13]的研究結(jié)果表明，在堆肥中添加一定量的微生物菌劑，雖然對(duì)堆肥溫度升高的作用不明顯，但能加快堆肥發(fā)酵速度，縮短堆肥時(shí)間。由此可知，添加微生物菌劑對(duì)堆肥溫度具有明顯的促進(jìn)作用，加速堆肥進(jìn)程。

2.2 對(duì)水分的影響

水分是影響堆肥效果的一個(gè)重要參數(shù)[14]。在堆肥過程中，水分是微生物生長(zhǎng)所必需的條件， 50%～65%的含水率最有利于微生物的分解。堆肥中的水分含量以一種熱量的調(diào)節(jié)劑影響著堆肥微生物的活動(dòng)[15]。施寵等[16]研究表明，接種微生物制劑的堆體水分下降速度最快。張金金等[17]通過人工接種Mix F-3菌劑對(duì)豬糞前期性質(zhì)的變化進(jìn)行研究，其中人工接種Mix F-3菌劑堆肥、添加滅活菌劑堆肥和自然堆肥含水率分別下降36.75%、33.54%和40.63%。由此可知，添加微生物菌劑可使堆肥中微生物活性增強(qiáng)，促進(jìn)了微生物的新陳代謝，從而導(dǎo)致堆肥溫度升高，加速水分蒸發(fā)。

2.3 對(duì)pH的影響

pH的變化是反映堆肥過程中微生物活性的另一個(gè)重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，最佳pH為8.0左右，此范圍內(nèi)可顯著提高初期的反應(yīng)速度，縮短堆肥達(dá)到高溫所需時(shí)間，堆肥可獲得最大效率，亦可避免由堆肥反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)所造成的臭味問題[18]。施寵等[16]的研究表明，添加菌劑的試驗(yàn)組pH一直處于較低水平，堆肥結(jié)束時(shí)堆體穩(wěn)定在pH 8.0～8.1，符合腐熟堆肥pH 8.0～9.0的標(biāo)準(zhǔn)。王曉娟[19]通過對(duì)添加微生物菌劑的牛糞堆肥中各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定表明pH變化幅度較小，各處理組間差距不明顯。由此說明接種微生物菌劑對(duì)pH的影響不大，但對(duì)堆肥中的pH具有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用，有利于堆肥中的微生物生長(zhǎng)。

2.4 對(duì)碳氮比的影響

碳氮比（C/N）是影響堆肥效果的重要因素，碳是堆肥生化反應(yīng)的能量來源，氮是控制生物合成的主要因素，也是反應(yīng)速度的控制因素，堆肥過程的理想C/N比為20～35∶1[20]。劉克鋒等[21]向豬糞的堆肥中添加不同的微生物，所有接菌處理的C/N比在第20天即降至20以下，并有7個(gè)處理的C/N比降至16以下，表明接菌對(duì)促進(jìn)豬糞堆肥腐熟效果明顯。由此可知，添加菌劑可以顯著加快有機(jī)質(zhì)的分解。

3 微生物菌劑對(duì)堆肥品質(zhì)的影響

3.1 對(duì)氮含量的影響

在堆肥過程中，有機(jī)氮主要分布于微生物群落和腐殖質(zhì)庫中。在堆肥前期，堆肥微生物礦化分解有機(jī)氮，產(chǎn)生氨氣，堆體產(chǎn)生的生物熱量使氨氣大量揮發(fā)，造成氮素?fù)p失的同時(shí)還產(chǎn)生了大量的惡臭氣味。Martins等[22]的研究表明，糞便堆肥中NH3的損失高達(dá)79%。如何控制氮素的損失、提高堆肥的養(yǎng)分價(jià)值是研究的關(guān)鍵。Tiwari[23]分別比較添加纖維分解真菌、固氮菌及溶磷菌對(duì)堆肥總氮和C/N比的影響，結(jié)果表明，與對(duì)照相比，添加纖維分解真菌使不同底物堆肥含氮量提高8.3%～57.1%；添加固氮菌使不同底物堆肥含氮量提高10.3%～59.5%。李國學(xué)等[24]在雞糞的堆肥中添加EM和FM菌劑，結(jié)果表明，兩種外源菌明顯促進(jìn)了水溶性氨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化和水溶性有機(jī)氮的形成，對(duì)氮素保存有較好的效果。由此可知，添加微生物制劑可以調(diào)控堆制過程中的碳氮代謝，減少氮類物質(zhì)以氣態(tài)揮發(fā)控制臭味的產(chǎn)生，同時(shí)可提高堆肥產(chǎn)品總氮含量。

3.2 對(duì)磷、鉀含量的影響

在牛糞堆肥各種處理中，牛糞中的P、K不可能通過揮發(fā)等形式損失，因此全磷、全鉀含量最終不會(huì)有太大變化。堆肥過程中含磷化合物在微生物制劑作用下可以發(fā)生礦化，產(chǎn)生一部分可溶性磷，加之微生物分解代謝、有機(jī)態(tài)磷分解和堆體濃縮，使速效磷含量呈略增趨勢(shì)。黃懿梅等[13]的研究表明，發(fā)酵劑可以提高堆體高溫期發(fā)酵溫度，堆體被濃縮，而鉀在堆肥過程中損失較少，全鉀含量明顯增加。趙明梅等[25]分別將產(chǎn)于上海、山東、沈陽的3種菌劑加入到鮮牛糞中，結(jié)果表明，3種菌劑原始堆料和腐熟堆料的P、K含量相差很小。由此說明，添加微生物菌劑對(duì)于P、K保持是有益的。

4 微生物菌劑對(duì)堆肥中重金屬的影響

近年來人們對(duì)污泥、牛糞等固體廢棄物堆肥過程中的重金屬污染狀況比較關(guān)注。糞便中含有Cu、Zn等重金屬元素，毒性較大，長(zhǎng)期大量施用會(huì)使土壤和作物存在潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)[26]。據(jù)谷杰等[27]的研究報(bào)道，當(dāng)土壤中有效態(tài)Cu和Zn分別達(dá)到100～200 mg/kg和100 mg/kg時(shí)會(huì)造成土壤Cu、Zn污染。黃國鋒等[28]研究了豬糞堆肥過程中重金屬含量和形態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)堆肥處理能降低豬糞中重金屬的有效性。重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由其形態(tài)分布所決定。劉浩榮等[29]采用Tessier法對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行分級(jí)，得到了普遍認(rèn)可與應(yīng)用。解開治等[30]的研究表明，堆肥添加腐熟促進(jìn)劑可極顯著降低堆肥中有效態(tài)Cu的含量。因此，在堆肥中添加腐熟促進(jìn)劑可以降低重金屬有效態(tài)的濃度，減輕Cu對(duì)土壤的污染。由此說明，常用的微生物菌劑一般具有較強(qiáng)吸附性，通過對(duì)重金屬進(jìn)行有效吸附，可以降低其生物有效性。

5 微生物菌劑在堆肥中的應(yīng)用前景

添加微生物菌劑可以加快堆肥過程，將糞便中有毒、有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥成分，這樣既能提高糞便利用率，又能減輕環(huán)境污染，為實(shí)現(xiàn)畜禽廢棄物的無害化處理和資源化利用提供了很好的條件。但由于微生物菌劑價(jià)格相對(duì)昂貴，從而增加了堆肥的成本，尚不能得到廣泛的應(yīng)用。因此價(jià)格低廉、高效的微生物菌劑對(duì)于廢棄物處理具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。另外，由于中國北方地區(qū)受地域溫度等因素的影響，冬季低溫狀態(tài)下動(dòng)物糞便的處理成為一個(gè)難題，嚴(yán)重影響了畜牧業(yè)的發(fā)展。而低溫微生物菌劑罕有報(bào)道，因此在低溫下進(jìn)行堆肥發(fā)酵以及低溫微生物菌劑的研發(fā)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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