添加復(fù)配菌劑對(duì)保溫堆肥箱中纖維素垃圾降解的影響*

蘇良湖，趙秋瑩，2，孫　旭，張龍江，汝超杰，2，戴傳超

（1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京210042；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098；3.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210046）

添加復(fù)配菌劑對(duì)保溫堆肥箱中纖維素垃圾降解的影響*

蘇良湖1，趙秋瑩1，2，孫旭1，張龍江1，汝超杰1，2，戴傳超3

（1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京210042；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098；3.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210046）

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種重要剩余生物質(zhì)資源。在保溫堆肥箱中考察了不同復(fù)配菌劑（根霉Rhizopus、蜂房芽孢桿菌Paenibacillus alvei、綠色木霉Trichoderma viride、擬莖點(diǎn)霉B3 phompsis liquidambari B3）對(duì)玉米秸稈、牛糞、果蔬廢棄物共堆肥的影響。堆肥的過(guò)程中，表征了含水率、溫度、揮發(fā)性物質(zhì)、E4/E6、三維熒光特性以及植物種子發(fā)芽率等參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，保溫堆肥箱可使纖維素垃圾在堆肥中迅速（2～3 d）升溫至最高溫度。接種根霉/蜂房芽孢桿菌，根霉/蜂房芽孢桿菌/擬莖點(diǎn)霉B3，根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3，使堆肥最高溫度從61.5℃分別提高至72.6、71.8、69.8℃。根據(jù)VS降解，E4/E6和3D-EEM的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3可一定程度上促進(jìn)物料的腐熟化進(jìn)程。纖維素垃圾各堆肥時(shí)期的樣品，均未對(duì)水蘿卜種子發(fā)芽率產(chǎn)生不利影響，沒有表現(xiàn)出植物毒性。

堆肥；秸稈；菌劑；保溫堆肥箱

玉米秸稈是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種重要的剩余生物質(zhì)資源，年產(chǎn)量約為2.1×108t，且具有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)［1］。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和農(nóng)民生活方式的轉(zhuǎn)變，以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程，玉米秸稈的剩余量逐年增多，有超過(guò)一半的玉米秸稈未能得到有效利用［2］。玉米秸稈的不合適處置（比如露天焚燒），不僅造成資源的浪費(fèi)，而且容易導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題。部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)村秸稈焚燒是導(dǎo)致空氣污染特別是嚴(yán)重霧霾的主因之一。我國(guó)多地相繼禁止露天焚燒秸稈，尤其是2015年湖北省立法全省禁止露天焚燒秸稈［3］。一味地強(qiáng)制禁止農(nóng)民露天焚燒，而無(wú)配套的秸稈綜合利用手段，顯然事倍功半，難以落實(shí)。

通過(guò)堆肥技術(shù)將秸稈制成富含N、P、K和腐殖質(zhì)的有機(jī)肥，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益。纖維素類垃圾好氧堆肥是指好氧微生物通過(guò)纖維素酶、木聚糖酶、木質(zhì)酶、漆酶等胞外酶將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大分子有機(jī)物質(zhì)降解成水溶性小分子物質(zhì)的生物化學(xué)過(guò)程［4］。目前，對(duì)復(fù)合微生物加速纖維素垃圾腐熟的研究已得到開展。應(yīng)用的接種菌劑主要包括3種：微生物培養(yǎng)劑、商業(yè)添加劑、有效的自然材料［5］。其中有效的自然材料主要是指畜禽糞便、耕土和菜園土等。研究最多的纖維素降解菌是霉菌，其中木霉、曲霉、根霉和青霉，特別是里氏木霉、綠色木霉（Trichoderma viride）、康氏木霉等是較好的纖維素酶產(chǎn)生菌［6］。降解木質(zhì)纖維素的菌種主要有真菌、細(xì)菌、放線菌，真菌主要是軟腐菌、褐腐菌、白腐菌［5］。木質(zhì)纖維素的降解依賴于真菌，特別是白腐真菌，最有效的木質(zhì)纖維素降解真菌為木霉屬和黃孢原毛平革菌［7］。

本研究在聚氨酯保溫環(huán)境中，考察不同的復(fù)配菌劑（根霉、蜂房芽孢桿菌、綠色木霉、擬莖點(diǎn)霉）對(duì)玉米秸稈、牛糞、果蔬廢棄物共堆肥的影響。堆肥的過(guò)程中，表征了含水率、溫度、揮發(fā)性物質(zhì)、E4/E6、三維熒光特性以及植物種子發(fā)芽率等參數(shù)，以期闡明復(fù)配菌劑對(duì)保溫堆肥箱中纖維素垃圾降解規(guī)律的影響，為秸稈有機(jī)肥的工程應(yīng)用提供前期基礎(chǔ)研究。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1保溫堆肥箱

圖1　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1.2堆肥原料

本研究的堆肥原料包括玉米秸稈、牛糞和果蔬廢物。其中玉米秸稈經(jīng)自然晾干后，由專用秸稈破碎機(jī)粉碎至1～2cm，含水率為11.92%，pH為6.69；干牛糞取自南京市郊的奶牛場(chǎng)，經(jīng)自然風(fēng)干后，含水率約為16.72%，pH為8.56；果蔬廢棄物（主要為大白菜）取自南京市仙林農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，破碎至1～2 cm，含水率為96.58%，pH為6.44。堆肥原料配比（干基）為玉米秸稈∶牛糞∶白菜=40∶10∶0.25，后噴灑一定量水，混合物料的碳氮比約為32，含水率為78%。

1.3菌劑

實(shí)驗(yàn)選取根霉（Rhizopus）、蜂房芽孢桿菌（Paenibacillus alvei）、綠色木霉（Trichoderma viride）、擬莖點(diǎn)霉B3（phompsis liquidambari B3）4種菌劑組合復(fù)配。擬莖點(diǎn)霉B3是從重陽(yáng)木莖內(nèi)皮中分離出的1株內(nèi)生真菌，可高效降解木質(zhì)素［8］。以上菌種由南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供。實(shí)驗(yàn)所用蜂房芽孢桿菌以LB培養(yǎng)基（胰蛋白胨10 g，酵母提取物10 g，NaCl 10 g，去離子水950 mL）培養(yǎng)24 h。根霉、綠色木霉、B3以PDA培養(yǎng)基（馬鈴薯提取液200g/L，葡萄糖20 g/L，瓊脂20 g/L，去離子水1000mL）培養(yǎng)48h。液體培養(yǎng)基均置于28℃、180 r/min條件的搖床培養(yǎng)。各種菌分別以10%接種量接入約100 g固體培養(yǎng)基（麩皮∶糠∶稻殼=6∶3∶1）中，調(diào)節(jié)料水比為1∶1.2，放入500 mL三角瓶中發(fā)酵培養(yǎng)7 d，如圖2所示。

圖2　根霉（a）、蜂房芽孢桿菌（b）、綠色木霉（c）、擬莖點(diǎn)霉B3（d）在固體培養(yǎng)基的形態(tài)

1.4堆肥處理

本研究的堆肥處理設(shè)置如表1所示，在南京冬季11月進(jìn)行。包括A處理組（接種根霉/蜂房芽孢桿菌）、B處理組（接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉）、C處理組（接種根霉/蜂房芽孢桿菌/擬莖點(diǎn)霉B3）、D處理組（接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3），以及CK對(duì)照組，混合基質(zhì)（濕基）約為45 kg。將各不同堆肥處理組放入Biolan-220堆肥箱后，使用探針溫度計(jì)（Model 8400，SinCERE）定期測(cè)量堆體溫度（四點(diǎn)取均值），測(cè)量深度為堆體表面以下25 cm左右；每3 d從堆體上/中/下取樣品，混勻后用四分法取樣品50 g，測(cè)量堆體含水率、pH；每隔6 d將物料翻拋混勻，以增加堆體的含氧量及均勻性，取樣品500g，用于測(cè)定堆體含水率、pH、揮發(fā)性固體組分（volatile solid，VS）、浸提液E4/E6，并表征溶解性有機(jī)物質(zhì)的三維熒光特性，及植物的種子發(fā)芽率，以研究纖維素垃圾在復(fù)配菌方作用下的降解規(guī)律。

表1　不同堆肥處理方式

1.5分析方法

1.5.1E4/E6比值

堆肥腐殖酸堿溶液在波長(zhǎng)465 nm和665 nm處具有特征吸收峰值，465 nm和665 nm的吸光度比值，稱為E4/E6［9］。將冷凍（-20℃）的堆肥樣品，各取10 g加入100 mL的0.1 mol/L NaOH溶液，封口后放入回轉(zhuǎn)式搖床中振蕩1 h，轉(zhuǎn)速為200 r/min。振蕩結(jié)束后，靜置20 min，取上清液用0.45 μm親水性微孔濾頭過(guò)濾，每組取0.2 mL濾液滴入96孔全透明微孔板，做2組平行，用全功能微孔板檢測(cè)儀spectra maxm2中檢測(cè)可見光吸收光度值。

1.5.23D-EEM分析

將-20℃條件保存的堆肥樣品取10 g，分別加入100 mL超純水，封口后放入200 r/min水平回轉(zhuǎn)式搖床中振蕩24 h，取出靜置，用循環(huán)水式多用真空泵（SHB-IIIA，鄭州長(zhǎng)城，中國(guó)）過(guò)0.45μm濾膜抽濾。將原液稀釋10倍后采用分子熒光光譜儀（F-7000，日立，日本）進(jìn)行三維熒光光譜掃描。熒光光譜儀以氙弧燈為激發(fā)光源，激發(fā)波長(zhǎng)（Ex）范圍為200～600nm，發(fā)射波長(zhǎng)（Em）范圍為280～600 nm，激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度為5 nm，掃描間隔為5 nm，掃面速度為12 000 nm/min。利用超純水的三維熒光光譜校正拉曼散射和消除背景干擾。

1.5.3種子發(fā)芽率分析

將濾紙放入干凈無(wú)菌直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，濾紙上整齊擺放20粒水蘿卜（Raphanus sativus L.）種子，吸入5 mL堆肥浸提液于培養(yǎng)皿中，在28℃、黑暗條件下培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后，計(jì)算堆肥處理組的種子發(fā)芽率，同時(shí)用蒸餾水作為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.5.4其它分析方法

pH測(cè)定方法：取10 g新鮮堆肥樣品于250 mL錐形瓶中，加入100 mL去離子水，封口后放入水平回轉(zhuǎn)式搖床振蕩15 min，取出后靜置，用便攜式pH計(jì)（PB-10，賽多利斯，德國(guó)）測(cè)量浸出液pH值。

VS測(cè)定方法：將新鮮堆肥樣品在105℃條件下恒重干燥后，取3～5 g干燥樣品放入坩堝中，在600℃馬弗爐（SX-4-10T，蘇州江東精密儀器）中灼燒3 h后稱量，計(jì)算VS含量。

2　結(jié)果與討論

2.1堆體的溫度變化規(guī)律

不同復(fù)配微生物菌劑對(duì)堆肥溫度的影響如圖3所示。

圖3　不同復(fù)配微生物菌劑對(duì)玉米秸稈堆肥溫度的影響

空白組和4個(gè)處理組堆體最高溫度均達(dá)到50℃以上，分別為61.48、72.63、58.73、71.75、69.75℃。由此可見，接種合適的菌種（A/C/D處理組），可提高堆肥的最高溫度。在堆肥過(guò)程中，一定范圍的溫度變化與微生物生長(zhǎng)速率之間存有正相關(guān)關(guān)系［5］。因此，該現(xiàn)象表明，在堆肥初期A/C/D處理組微生物生長(zhǎng)快，活性高，可快速對(duì)有機(jī)物降解。堆肥過(guò)程的溫度曲線出現(xiàn)有2個(gè)波峰。堆肥初始，堆體中大量易分解有機(jī)質(zhì)迅速被分解，微生物大量繁殖，釋放熱能，使堆體溫度快速升高，空白和4個(gè)處理組在2～3 d內(nèi)均升到最高溫度。50℃以上即為微生物學(xué)上的高溫階段，此時(shí)堆體內(nèi)嗜熱性微生物（高溫放線菌）起主導(dǎo)作用，堆體內(nèi)中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素亦開始分解［10］。隨著嗜溫微生物的大量死亡，堆肥進(jìn)行6 d后，堆體溫度下降至溫度峰底，此時(shí)空白和4個(gè)處理組溫度分別為41.60、40.60、19.10、52.78、25.33℃。其中B處理組，溫度下降至室溫，表明該接種菌劑無(wú)法適應(yīng)堆肥環(huán)境。堆體溫度下降至40℃左右時(shí)，嗜溫性微生物重新活躍起來(lái)，繼續(xù)分解可利用的有機(jī)質(zhì)，使得溫度再次升高。經(jīng)過(guò)2次升溫過(guò)程，堆肥中較易降解的有機(jī)物大部分被分解，剩下部分為難分解有機(jī)物和新形成的腐殖質(zhì)，嗜熱微生物由于缺乏適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而停止生長(zhǎng)，生物活性下降，發(fā)熱量減少，堆肥溫度會(huì)由于散熱而逐漸下降，趨向于室溫［10］。

2.2堆體含水率變化規(guī)律

添加不同復(fù)配菌劑對(duì)堆體含水率的影響，如圖4所示。

圖4　不同微生物菌劑對(duì)玉米秸稈堆肥含水率的影響

堆肥初始物料的水分含量過(guò)低，會(huì)阻礙微生物的正常活動(dòng)，將不利于堆肥的進(jìn)行，水分含量過(guò)高會(huì)阻塞氣孔并阻止氣體交換［11］。但是，不同的堆肥物料具有不同的可容許水分含量，最大容許水分含量取決于組成堆肥材料的粒子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，粒子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大，可容許水分含量越高［11］。由于秸稈的粒子強(qiáng)度大，其可容許水分含量較高。因此本實(shí)驗(yàn)堆肥初始含水率調(diào)節(jié)至75%～80%范圍。

由圖4可知，除了B處理組，堆體含水率總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與實(shí)驗(yàn)所采用的聚氨酯保溫堆肥箱有關(guān)。保溫堆肥箱具有較好的相對(duì)密封性，僅通過(guò)頂蓋后部的排氣閥帶走少量水分以及每隔6d翻拋的水分蒸發(fā)。隨著堆體物料中有機(jī)質(zhì)的不斷生物降解產(chǎn)生CO2和水，有機(jī)質(zhì)的減少及水分產(chǎn)生的綜合作用使得堆體含水率不斷上升。B處理組（接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉）堆肥過(guò)程中含水率總體變化不大，這可歸因于該處理組降解較為緩慢。堆肥至本研究結(jié)束，其余4組堆體含水率均在80%～85%。為了滿足有機(jī)肥的施用，需要在后期的二次發(fā)酵過(guò)程中，進(jìn)一步蒸發(fā)水分使含水率降低至≤40%。

2.3堆肥的pH變化規(guī)律

整體上，堆肥樣品的pH呈現(xiàn)先上升的趨勢(shì)（如圖5），并在堆肥前期出現(xiàn)1個(gè)小波峰。堆肥前期微生物代謝較活躍，易分解有機(jī)物質(zhì)被大量降解，氨化作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致氨的短時(shí)大量積累，pH升高?？瞻捉M及4個(gè)處理組均在第4天達(dá)到小峰值，pH處在8.73～8.82。隨后，溫度的升高導(dǎo)致箱體空氣流通加速，帶走部分熱量和水蒸氣的同時(shí)也加速了氨的揮發(fā)，且降解過(guò)程中有機(jī)酸大量生成。加之經(jīng)過(guò)高溫階段，大部分嗜溫性微生物活動(dòng)被抑制，導(dǎo)致堆體微生物活動(dòng)下降［10］，有機(jī)質(zhì)分解速度減緩，所以堆肥4～7 d過(guò)程中pH短時(shí)下降。隨著堆體溫度的下降，部分嗜溫性微生物重新活躍，進(jìn)一步分解有機(jī)質(zhì)，氨化作用繼續(xù)進(jìn)行，有機(jī)酸被分解，導(dǎo)致pH上升，在第19天出現(xiàn)峰值，pH為9.09～9.33，后又下降至9.07～9.20。總體而言，經(jīng)過(guò)27 d的堆肥處理后，4個(gè)處理組與對(duì)照組的pH變化規(guī)律基本一致，不同處理方式對(duì)堆肥的pH影響不顯著。考慮到有機(jī)肥的利用，為了避免土壤的鹽堿化，以進(jìn)一步對(duì)堆肥產(chǎn)品進(jìn)行酸堿性調(diào)節(jié)，控制在5.5～8.0左右。

圖5　不同微生物菌劑對(duì)玉米秸稈堆肥pH的影響

2.4揮發(fā)性固體物質(zhì)（VS）的降解規(guī)律

堆肥過(guò)程中VS的降解規(guī)律如圖6所示。本研究的對(duì)象為纖維素垃圾，主要組分為玉米秸稈，堆肥物料的初始VS含量較高，約為90%。由于堆肥過(guò)程有機(jī)質(zhì)被降解，經(jīng)過(guò)近1個(gè)月的堆置過(guò)程，VS的含量降低了6%～7.5%。由圖6可知，在前13 d內(nèi)空白組的VS降解速度高于復(fù)配菌劑處理組，而其后根霉/蜂房芽孢桿菌處理組，以及根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3處理組的VS降解速度加快。至堆肥結(jié)束，空白組、G+F、G+F+L、G+F+B3、G+F+L+B3處理組VS降解幅度分別為6.58%、7.33%、5.94%、6.29%、7.54%。該現(xiàn)象表明，在聚氨酯材料保溫的環(huán)境下，纖維素垃圾在前期的有機(jī)質(zhì)降解并不需要添加外源菌劑。結(jié)合堆肥過(guò)程溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在堆體經(jīng)歷高溫期后（T＜40℃），外源菌劑才能起到加速纖維素垃圾降解的作用。該現(xiàn)象與通常田間的纖維素垃圾堆肥具有明顯的區(qū)別。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉反而減緩了纖維素垃圾的有機(jī)質(zhì)降解速率，該原因并不明確。

圖6　堆肥過(guò)程中纖維素垃圾的揮發(fā)性固體（VS）降解規(guī)律

2.5堆肥溶解性有機(jī)物（DOM）的E4/E6

E4/E6比值與腐殖酸分子的數(shù)量無(wú)關(guān)而與腐殖酸分子大小或縮合度有直接關(guān)系，通常隨腐殖酸分子量的增加或縮合度增大而減小。因此，E4/E6可作為堆肥腐殖化作用大小的指標(biāo)［12-13］，通常情況下E4/E6越低，說(shuō)明腐殖質(zhì)物質(zhì)聚合程度高，即更穩(wěn)定［14］。

不同復(fù)配菌劑對(duì)纖維素垃圾溶解性有機(jī)物（DOM）E4/E6比值的影響，如圖7所示。

圖7　纖維素垃圾堆肥過(guò)程中溶解性有機(jī)物的E4/E6變化規(guī)律

總體而言，不同菌劑處理的堆肥樣品，其E4/E6均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。本研究中堆肥物料除秸稈外，還包括牛糞和果蔬廢物，存在蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)、纖維素等組分，這類大分子有機(jī)物在堆肥前期高溫好氧條件下被微生物（外源或土著）降解為小分子，從而導(dǎo)致E4/E6上升。隨著堆肥的進(jìn)行，在此過(guò)程中重新合成新的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，腐殖物質(zhì)經(jīng)過(guò)縮合、芳構(gòu)化等一系列變化之后其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，分子量更大，使得E4/E6亦隨之降低。

由圖7可知，C和D處理組的E4/E6在第13天達(dá)到峰值，分別為6.62、6.67，空白組、A和B處理組在第19天達(dá)到峰值，分別為6.66、6.64、6.36。發(fā)現(xiàn)除了B處理組腐熟較為緩慢外，其余不同處理組的E4/E6峰值均為6.62～6.67。同時(shí)，由圖7發(fā)現(xiàn)D處理組在1 d和7 d的E4/E6從對(duì)照組的5.39和6.07，分別提升至5.87和6.31，而在堆肥19 d則從對(duì)照組的6.66下降至6.45。該現(xiàn)象表明，D處理組可加快堆肥物料中大分子有機(jī)物質(zhì)的降解，以及后期的腐殖化進(jìn)程。

2.6堆肥溶解性有機(jī)物質(zhì)（DOM）三維熒光光譜（3D-EEM）特性的影響

采用三維熒光光譜分析（3D-EEM）比較不同菌劑作用于堆肥樣品DOM的特性，如圖8所示。Chen等［15］提供了3D-EEM圖譜中關(guān)于腐殖酸類物質(zhì)和富里酸類物質(zhì)和芳烴蛋白類等物質(zhì)的特定信息。結(jié)果顯示，由于本研究中堆肥原料主要為秸稈，牛糞和果蔬等僅占少部分，使得堆肥初期DOM中只含有少量的類蛋白物質(zhì)。隨著堆肥的進(jìn)行，熒光光譜圖左下角代表類芳烴蛋白質(zhì)物質(zhì)的熒光峰被降解而消失不見。與此同時(shí)，除了B處理組外，類腐殖質(zhì)峰熒光強(qiáng)度（激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)350～440 nm/300～510 nm），隨著堆肥總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。B處理組的類腐殖酸物質(zhì)在堆肥過(guò)程中總體變化不明顯，這主要?dú)w因于物料降解平緩。之所以堆肥過(guò)程中DOM中類腐殖質(zhì)物質(zhì)的熒光峰出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，原因在于堆肥前期微生物代謝旺盛，秸稈等降解增加了DOM的類腐殖酸物質(zhì)；隨后，此類物質(zhì)在堆肥的過(guò)程中又進(jìn)一步被降解，從而使得類腐殖酸物質(zhì)的濃度降低。從3D-EEM圖可以看出，D處理組的類腐殖酸熒光峰最快達(dá)到峰值并迅速下降（7 d），暗示D處理組可以加快堆肥物料的腐殖化進(jìn)程。

圖8　堆肥浸提液三維熒光光譜圖

2.7堆肥浸提液種子發(fā)芽率（GR）

添加不同復(fù)配菌劑對(duì)堆肥浸提液水蘿卜（Raphanus sativusL.）種子發(fā)芽率的影響如圖9所示，其中虛線為蒸餾水的種子發(fā)芽率范圍，為74%～89%。水蘿卜被認(rèn)為對(duì)堆肥中植物毒性較敏感的代表性指示物［16］。未腐熟的堆肥可能含有植物毒性物質(zhì)，對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，因此堆肥的種子發(fā)芽率測(cè)試具有重要的實(shí)用意義。研究發(fā)現(xiàn)，除了A處理組（接種根霉/蜂房芽孢桿菌）在第19天的堆肥浸提液種子發(fā)芽率為72.5%，低于74%外，其它處理組堆肥浸提液種子發(fā)芽率均高于蒸餾水最低種子發(fā)芽率，屬于無(wú)毒害作用范圍。纖維素垃圾各堆肥時(shí)期的樣品，均沒有對(duì)水蘿卜種子發(fā)芽率產(chǎn)生不利影響，沒有表現(xiàn)出植物毒性。該現(xiàn)象表明，相對(duì)于污泥、畜禽糞便等，纖維素垃圾為主的堆肥物料其含有的有毒有害物質(zhì)較少，或者代謝過(guò)程中產(chǎn)生的諸如銨態(tài)氮、高鹽量對(duì)植物不利的因素較少，并不會(huì)對(duì)肥料施用后植被的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。這將是纖維素垃圾堆肥產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，堆肥的浸提液中由于含有氮磷等營(yíng)養(yǎng)成分，可以在一定程度上提高水蘿卜的種子發(fā)芽率。

圖9　復(fù)配菌劑對(duì)堆肥浸提液種子發(fā)芽率的影響

2.8討論

從堆肥過(guò)程的VS降解，E4/E6和3D-EEM變化規(guī)律來(lái)看，發(fā)現(xiàn)D處理組，即接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3，可一定程度上促進(jìn)秸稈為主基質(zhì)的堆肥，加速物料的腐熟化進(jìn)程。通過(guò)對(duì)堆肥過(guò)程中不同參數(shù)的表征，發(fā)現(xiàn)在南方冬季，即使不添加外源菌劑，保溫堆肥箱仍可使秸稈等纖維素垃圾在堆肥中迅速升溫。研究發(fā)現(xiàn)，合適的外源菌劑可以提高堆肥的最高溫度，甚至可以達(dá)到10℃以上。通常情況下，接種微生物促進(jìn)堆肥腐熟的機(jī)理包括，提高堆肥初期微生物的群體，增強(qiáng)微生物的降解活性；縮短達(dá)到高溫期的時(shí)間；接種分解有機(jī)物質(zhì)能力強(qiáng)的微生物［7］。本研究中，由于在聚氨酯堆肥箱的保溫作用，使得外源菌劑對(duì)加快堆肥升溫的功效并不明顯。由于在保溫環(huán)境中堆體溫度的迅速提升（如2 d內(nèi)升至70℃），使得接種的嗜溫微生物迅速死亡，接種微生物的功能難以全部發(fā)揮。建議進(jìn)一步研究在堆肥升溫完成降溫至40～50℃，再投加外源的嗜溫微生物。與此同時(shí)，認(rèn)為通過(guò)VS、E4/E6（或者其它諸如C/N等）等一系列常規(guī)參數(shù)來(lái)表征物料腐熟的指標(biāo)并不完善。建議通過(guò)植物栽種實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同菌劑預(yù)處理后對(duì)如植株生物量及產(chǎn)量、植株高、抗病性、土壤微生物數(shù)量及酶活等的影響，此類數(shù)據(jù)將更具有直接、實(shí)際的意義。

3　結(jié)論

1）在南方冬季，即使不添加外源菌劑，保溫堆肥箱仍可以使秸稈等纖維素垃圾在堆肥中迅速升溫。接種合適的菌種，可提高堆肥的最高溫度。接種根霉/蜂房芽孢桿菌，根霉/蜂房芽孢桿菌/擬莖點(diǎn)霉B3，根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3，可以使堆肥的最高溫度從61.5℃分別提高至72.6、71.8、69.8℃。

2）從堆肥過(guò)程的VS降解，E4/E6和3D-EEM變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)接種根霉/蜂房芽孢桿菌/綠色木霉/擬莖點(diǎn)霉B3可在一定程度上促進(jìn)纖維素垃圾的腐熟化進(jìn)程。纖維素垃圾各堆肥時(shí)期的樣品，均沒有對(duì)水蘿卜種子發(fā)芽率產(chǎn)生不利影響，沒有表現(xiàn)出植物毒性。

［1］國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2013年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2014.

［2］Zhong W，Zhang Z，Luo Y，et al.Effect of biological pretreatments in enhancing corn straw biogas production［J］.Bioresource Technol，2011，102（24）：11177-11182.

［3］湖北省人民代表大會(huì).關(guān)于農(nóng)作物秸稈露天禁燒和綜合利用的決定［Z］.2015.

［4］Singh S，Singh B，Kumar B，et al.Microbes in agrowaste management for sustainable agriculture［M］//Satyanarayana T，Johri B N，PrakashA.Microorganismsinsustainableagricultureand biotechnology.Netherlands：Springer Netherlands，2012：127-151.

［5］魏自民，席北斗，趙越.生活垃圾微生物強(qiáng)化堆肥技術(shù)［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

［6］Rajbanshi S S，Inubushi K.Chemical and biochemical changes during laboratory-scale composting of allelopathic plant leaves（Eupatorium adenophorum and Lantana camara）［J］.Biol Fertil Soils，1997，26（1）：66-71.

［7］李國(guó)學(xué)，李玉春，李彥富.固體廢物堆肥化及堆肥添加劑研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22（2）：252-256.

［8］Dai C C，Tian L S，Zhao Y T，et al.Degradation of phenanthrene by the endophytic fungus Ceratobasidum stevensii found in Bischofia polycarpa［J］.Biodegradation，2010，21（2）：245-255.

［9］Vargas-Garc'a M C，Suárez-Estrella F，López M J，et al.Effect of inoculation in composting processes：Modifications in lignocellulosic fraction［J］.Waste Manage，2007，27（9）：1099-1107.

［10］胡華.高效纖維素降解菌株的篩選及其復(fù)合系菌劑在秸稈堆肥過(guò)程中的應(yīng)用［D］.成都：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

［11］Diaz L F，de Bertoldi M，Bidlingmaier W，et al.堆肥科學(xué)與技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［12］Frost D L，Toth B L，Hoitink H A J.Compost stability［J］.Biocycle Emmaus，1992，33（11）：62-67.

［13］李玉春，李彥明，李國(guó)學(xué).通過(guò)堆制方法進(jìn)行發(fā)酵素接種擴(kuò)培的研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（1）：98-103.

［14］魏彥紅，郁繼華，馮致.不同添加劑對(duì)牛糞高溫堆肥的影響［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2012，47（3）：52-56.

［15］Chen W，Westerhoff P，Leenheer J A，et al.Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter［J］.Environ Sci Technol，2003，37（24）：5701-5710.

［16］孔建松.種子發(fā)芽率評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的方法學(xué)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2001.

Effect of Composite Microbial Inoculants on Cellulose Waste Biodegradation at Thermo-insulated Composter

Su Lianghu1，Zhao Qiuying1，2，Sun Xu1，Zhang Longjiang1，Ru Chaojie1，2，Dai Chuanchao3
（1.Nanjing Institute of Environmental Sciences of the Ministry of Environmental Protection，Nanjing Jiangsu 210042；2. Hohai University，College of Environment，Nanjing Jiangsu 210098；3.Nanjing Normal University，College of Life Science，Nanjing Jiangsu 210046）

Straw isan important remaining biomassresource from agricultural production.In thispaper，effect ofdifferent composite microbial inoculants（Rhizopus，Paenibacillus alvei，Trichoderma viride and phompsis liquidambari B3）on the biodegradation ofmaize straw，cow dung and vegetable waste at thermo-insulated composter were investigated.Different parameterssuch astemperature，pH，moisture content，volatile solid（VS），E4/E6 ratio，three-dimension excitation emission matrix fluorescence（3D-EEM）and germination rate（GR）were analyzed.The resultsshowed that the temperature ofcompost raised to the highest quickly（within 2～3 d）by using thermo-insulated composter.The highest temperature during composting increased from 61.5 to 72.6，71.8 and 69.8℃，respectively，in the presence of Rhizopus+Paenibacillus alvei，Rhizopus+Paenibacillus alvei+phompsis liquidambari B3，and Rhizopus+Paenibacillus alvei+Trichoderma viride+phompsis liquidambari B3.According to the changesofVS，E4/E6 ratio and 3D-EEM，the resultsindicated that treatment of Rhizopus，Paenibacillus alvei，Trichoderma viride and phompsis liquidambari B3 accelerated the degradation ofcellulose waste to some extent.With respect to seed germination rate of Raphanus sativus L.，no phytotoxicity wasrecorded ofthe cellulose waste during the period ofcomposting.

composting；straw；composite microbial inoculants；thermo-insulated composter

X705

A

1005-8206（2016）05-0001-07

“十二五”村鎮(zhèn)建設(shè)領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題“密集型村鎮(zhèn)生活垃圾處理與資源化利用技術(shù)及工程示范研究”（2014BAL02B04）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（2015年）

2015-11-11

蘇良湖（1986—），助理研究員，博士，主要從事農(nóng)村環(huán)境保護(hù)、固體廢物資源化利用研究。

E-mail：sulianghu@126.com。

張龍江（1975—），副研究員，現(xiàn)任農(nóng)村環(huán)境研究中心副主任，主要從事農(nóng)村面源污染控制研究。

E-mail：zlj@nies.org。