外源菌劑在廢棄茶渣堆肥處理中的應用

鄭世仲，曹榕彬，江勝滔*，蔡遠，郭洪濤，余深枝

1.寧德師范學院，352100；2.寧德市農業(yè)局土壤肥料技術站，352100；3.寧德市蕉城區(qū)茶業(yè)管理局技術推廣站，352100；4.福建仙洋洋生物科技有限公司，352100；5.寧德市臺盛農業(yè)科技有限公司，352100

利用堆肥化方法處理固體廢棄物是一種資源再利用的生物方法，堆肥發(fā)酵形成的有機肥料產品，有利于植物的生長發(fā)育。針對由堆肥中的自然微生物菌群進行發(fā)酵的傳統(tǒng)堆肥存在的缺點，人們通過在堆肥中接種某類特定高效且強勢的微生物菌群（比如有益微生物EM[1]）或者特定菌株，從而加快堆肥腐熟速度、增強發(fā)酵能力和發(fā)酵效果，即生物制肥方法。目前大多數(shù)學者認為堆肥過程接種微生物有助于加快堆肥腐熟，比如Ichida等[2]通過試驗研究后發(fā)現(xiàn)，接種羽毛分解菌能使廢物中的角蛋白降解更加徹底，從而加快堆肥中畜禽垃圾廢棄物的分解速度。生物制肥過程包含原料的預處理、接種發(fā)酵菌、初次發(fā)酵、再次發(fā)酵、后處理等工序[3]。生物制肥工藝相比傳統(tǒng)好氧堆肥，增加了接種發(fā)酵菌劑和功能菌劑的步驟，但可以使發(fā)酵時間大幅縮短，減少氮肥損失，提高成品肥效，減少污染。

我國是茶葉生產大國，茶園面積和茶葉產量居世界第一。茶葉生產加工過程中必然產生大量的廢棄物。據(jù)相關統(tǒng)計，每年茶園修剪的粗老葉、茶葉加工企業(yè)產生的茶渣，以及廢棄茶有10多萬t[4]。廢棄茶渣仍殘留許多營養(yǎng)成分，如粗纖維、粗蛋白、氨基酸、維生素等[5-8]，因此，廢棄茶渣的綜合利用是大勢所趨，無論是在肥料、飼料、功能性產品、日化產品的開發(fā)上都具有利用價值和應用前景[9-11]。微生物可以轉化茶渣中的有機碳和氮形成腐殖質進而改良土壤，此外茶渣中還有較高含量的五氧化二磷，因此，茶渣接種微生物進行堆肥發(fā)酵生產有機肥是解決當今茶渣廢棄物污染環(huán)境的有效方法。

本試驗結合茶渣本身的成分特點和有機肥生產工藝，將課題組前期從腐熟茶渣中篩選得到的白地霉、放線菌、嗜熱芽孢桿菌和乳酸菌與熱帶假絲酵母組合制備成有機肥發(fā)酵菌劑，接種到茶渣與牛羊糞便混合物中進行發(fā)酵處理，生產有機肥，從而為進一步研究利用茶渣廢棄物資源化生產有機肥提供理論基礎，提高經濟效益和生態(tài)效益。

一、材料與方法

1.材料

（1）茶渣：福建省仙洋洋生物科技有限公司深加工提取后產生的茶葉廢棄物。

（2）熱帶假絲酵母、白地霉、放線菌、嗜熱芽孢桿菌、乳酸菌，均來自寧德師范學院生命科學學院微生物生化科研室；編織袋（55 cm×95 cm）。

2.方法

（1）微生物發(fā)酵菌劑的制備

斜面菌種→活化菌株→一級液體培養(yǎng)→二級液體培養(yǎng)→液體生產菌種→60目麩皮吸附→40～45℃低溫烘干包裝→固體菌種。

（2）發(fā)酵菌劑組合設置

將各種菌株在平板上劃線培養(yǎng)（劃線之間不交叉）后，觀察菌株之間的拮抗關系，最后篩選出對應種類沒有拮抗作用的菌株。

①組合1（J-L-Y）：熱帶假絲酵母 （J）0.06%、乳酸菌（L）0.06%、嗜熱芽孢桿菌（Y）0.08%。

②組合2（J-Y-B-L）：熱帶假絲酵母（J）0.05%、嗜熱芽孢桿菌（Y）0.05%、白地霉（B）0.05%、乳酸菌（L）0.05%。

③組合3（J-Y-B-L-F）：熱帶假絲酵母（J）0.04%、嗜熱芽孢桿菌（Y）0.04%、白地霉（B）0.04%、乳酸菌（L）0.04%、放線菌（F）0.04%。

④對照組（CK）：不接種任何菌劑。

（3）發(fā)酵試驗

①粉碎干燥牛羊糞便500 kg，添加牛羊糞便總量20%的統(tǒng)糠及30%的茶渣，攪拌混合均勻，要求混合充分，盡量沒有結塊存在。

②調節(jié)物料含水量至50%～60%。

③物料處理后，按菌劑和物料質量比為0.2∶100配比接種混合發(fā)酵菌劑，處理后分裝編織袋（55 cm×95 cm），每袋裝至2/3容量左右，約20 kg。袋裝發(fā)酵：先室內單包垂直放置發(fā)酵6 d，6 d后3層垂直疊放一起，覆蓋塑料薄膜繼續(xù)發(fā)酵，保溫的同時保證通氣。

④發(fā)酵過程各參數(shù)測定，包括溫度、全碳、全氮、含水量及粗纖維含量。溫度測定：將溫度計伸入袋包的中心點進行測溫，每天早、中、晚各測定1次，取平均值。物料其他參數(shù)測定：取發(fā)酵前及發(fā)酵第5、10、15、20天的發(fā)酵物料，進行全碳、全氮、含水量及粗纖維含量測定。

⑤物料發(fā)酵腐熟后，取一定量的物料測定全碳、全氮、含水量、全磷（P2O5）、全鉀（K2O）、粗纖維及pH等參數(shù)。以不接任何外源菌株處理的牛羊糞便堆肥發(fā)酵為對照組。

以上各種參數(shù)的測定方法參照《中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準有機肥料》（NY 525—2012）中的相應測定方法[12]。

二、結果與分析

1.接種后物料堆肥溫度的變化

溫度是堆肥中最重要也是最直觀的指標[13]，可以通過堆肥溫度直接判斷其腐熟程度及發(fā)酵速度。在堆肥中，微生物對其中的物質進行氧化分解發(fā)酵不斷產熱，使得堆肥的整體溫度不斷上升，直至60℃以上高溫，達到高溫并持續(xù)一段時間后，堆肥中的蟲卵及病原菌被完全殺滅，保證堆肥產品的無害化。高溫期是堆肥完成并腐熟的必須階段，前期產熱主要由中溫菌進行。本次試驗在物料裝袋后，定期測定袋中堆肥的溫度，結果見表1。

從表中可以看出，與對照組相比，接種菌劑的堆肥溫度上升明顯較快，達到高溫的時間明顯提前，組合3疊包11 d后堆溫就超過60℃，而對照組發(fā)酵19 d后堆溫才超過60℃；接種菌劑的各處理都在17 d左右開始降溫，20 d后堆肥基本腐熟，3個組合處理堆肥達到腐熟的時間分別為24、24、22 d，而對照組在發(fā)酵20 d時還處于高溫期，至55 d才完成腐熟。可見，接種外源菌劑可以縮短堆肥到達高溫及肥料腐熟的時間，這與何志剛等[14]及其他一些堆肥研究報道的結論相一致。先單包放置發(fā)酵6 d后疊放，主要目的是保證霉菌生長發(fā)酵產酶，避免過早進入高溫期，有助于提高纖維素酶的產量，之后疊包發(fā)酵同時覆蓋塑料膜可以減少熱量散失，縮短堆肥進入高溫期的時間，最后提高纖維素和其他難降解物質的降解率。

堆肥接種各組合菌群后，微生物特別是中溫菌在適宜條件下快速生長繁殖，極大地促進了物料中蛋白質及其他易降解物質如碳水化合物等的分解，同時在堆肥初期，物料還有可溶性碳源等豐富的營養(yǎng)物質，保證了外源微生物的快速增長，發(fā)酵產熱，高溫期提前，堆肥中各有機物質降解速度加快；菌劑中的霉菌以及物料中存在的自然真菌在生長過程中產生的菌絲對物料起穿插松散作用，有利于發(fā)酵過程物料的通氣，從而促進好氧微生物的生長；而對照組是靠堆肥中的自然微生物進行發(fā)酵，起溫慢，腐熟時間長，臭味明顯。組合3菌劑的微生物種類較多樣，各菌通過協(xié)調作用比組合1和組合2更有利于微生物的生長發(fā)酵產熱，因此進入高溫期時間較早，腐熟期也相應提前。高溫持續(xù)幾天后堆肥溫度開始降低，主要是由于一段時間的高溫后很多微生物，包括嗜熱菌被抑制甚至被殺死，微生物的發(fā)酵不再活躍，產熱減少，加上堆肥的不斷散熱，最后使得堆肥整體溫度逐漸降低。

表1 不同處理袋裝物料發(fā)酵溫度隨時間變化情況

2.接種后袋裝發(fā)酵物料表觀變化

在單包發(fā)酵6 d后轉入疊包發(fā)酵和發(fā)酵基本腐熟（發(fā)酵20 d）這兩個時間，分別觀察袋裝肥料的外觀特征，結果見表2。從表中可以看出，在這兩個時期，菌劑處理后的物料發(fā)酵效果明顯好于對照組，發(fā)酵20 d后基本腐熟，特別是組合3，效果最佳；而對照組發(fā)酵20 d后仍然有較濃的酸臭味，物料仍然是粘稠潮濕；3個組合處理發(fā)酵6 d時蟲卵開始變少，有明顯霧氣。

分析其中原因，主要是由于接種外來微生物菌劑后，發(fā)酵加快，物料pH下降。6 d后堆溫超過了40℃，蟲蛹和一些病原菌開始不能適應高溫，甚至被殺死；同時溫度升高后，堆肥中的水分開始蒸發(fā)形成水蒸氣；接種后，真菌菌絲在生長過程中在堆肥中穿插，加上后期水分變少，使得堆肥物料變得松散。

3.發(fā)酵不同時期堆肥物料的水分含量變化

堆肥發(fā)酵其實是多種微生物協(xié)同作用進行的固體發(fā)酵過程，水分是發(fā)酵過程得以進行的必須條件。有研究表明[14]，生活垃圾等廢棄物堆肥，物料含水量為55%～69%時可以促進堆肥溫度的上升。試驗中為了測定堆肥過程中物料水分含量的變化情況，每隔5 d取堆肥物料樣進行含水量測定，結果見圖1。從圖中可以看出，堆肥過程耗水量很大，3個組合處理的含水量都是在發(fā)酵5 d后開始快速下降，而對照組是在發(fā)酵10 d后才開始下降，而且3個組合處理的水分含量變化規(guī)律基本一致；與沒有接種任何菌株的對照組相比，接種外源菌劑的堆肥其水分的消耗比較快。

出現(xiàn)這種變化的主要原因是，接種外源微生物菌劑后，一開始微生物活動不是非常旺盛，耗水量較少，5 d后菌株生長繁殖加快，耗水量開始增加，同時5 d后堆肥的溫度在40℃左右，堆肥的水分蒸發(fā)開始加速；對照組前期主要靠堆肥中自然微生物進行發(fā)酵，升溫慢，進入高溫期時間相對較晚，堆肥水分蒸發(fā)速度慢。

表2 發(fā)酵6 d和20 d時物料的表觀現(xiàn)象

圖1 堆肥物料含水量隨時間的變化

4.發(fā)酵不同時期堆肥物料C/N比值變化

C/N比值是檢測堆肥腐熟程度的另一個重要的常用化學指標[13,15]，堆肥前后C/N比值降低，反映了堆肥向無害化和資源化（腐熟化）逐漸變化[16]。理論上而言，堆肥的C/N比值應該是接近微生物菌劑自身的C/N比值（16），才可算堆肥腐熟，但在制備有機肥的過程中，一般都采用C/N比值20作為參考，低于20就可確定堆肥基本完成腐熟[13,18]。圖2反映了此次試驗過程中每隔5 d袋裝堆肥的C/N比值的變化情況。從圖中可以看出，發(fā)酵前混合物料初始C/N比值都為35.9，但隨著發(fā)酵時間的推移，物料中的全C含量在不斷減少，而全N含量逐漸增加，C/N比值逐漸變??；發(fā)酵20 d后，接種菌劑處理的肥料C/N比值都小于20，堆肥基本達到腐熟，其中組合3的C/N比值為17.0，最接近16，腐熟效果最好，這一結論和以堆溫為指標進行判斷的結果一致。

圖2 堆肥C/N比值變化情況

分析C/N比值變化的原因，可能是堆肥過程中，由于好氧微生物的呼吸作用，一部分碳被轉化為CO2，使得全C含量不斷降低，同時菌劑中含有的纖維素分解菌更是加大了纖維素碳源物質的分解；全N含量逐漸增加可能是接種的外源菌劑促進了氮的保存和固定，同時由于混合物料中本來可能存在自然的固氮菌，對堆肥的氮起到保留作用，避免了氮肥的損失，同時還可以避免形成NH3污染環(huán)境。接種菌劑后物料的C/N比值不斷降低，下降的速率比對照組快，說明接種的幾組外源菌劑能促進堆肥中有機物質的礦化和降解，有利于提高堆肥產品的肥效。

5.發(fā)酵不同時期堆肥物料的纖維素含量變化

纖維素作為堆肥中難降解的有機物質，其降解是堆肥腐熟的一個重要內在指標，本次試驗所接種的復合菌劑中含有纖維素分解菌嗜熱芽孢桿菌。在不同時期對堆肥中粗纖維含量進行測定，結果見圖3。從圖中可以看出：（1）與沒有接種菌劑的對照組相比，接種外源菌劑的混合物料堆肥處理20 d后粗纖維含量下降幅度較大，纖維素處理效果較好；（2）3個組合處理堆肥物料的粗纖維含量變化規(guī)律基本一致，其中組合3處理的物料粗纖維在堆肥過程中下降最快；（3）接種外源菌劑的混合物料在堆肥初期，粗纖維含量減少較為明顯，對照組物料的纖維素含量在發(fā)酵5 d時基本沒有變化，10 d后才有下降趨勢，說明在發(fā)酵的前10 d，對照組物料中自然的纖維素分解菌處于生長繁殖時期，產酶量很少。

接種外源菌的3個組合的物料，其粗纖維含量在整個堆肥過程中都在下降，主要是由于接種菌劑中的纖維素分解菌加到牛羊糞物料中后，利用其中的營養(yǎng)物質生長發(fā)酵產酶，特別是在前6 d的單包發(fā)酵時，還處于中溫期，這期間產生的纖維素酶，不斷分解物料的纖維素；隨著堆肥溫度的上升，菌株生長雖然被抑制，但前期產生的纖維素酶可以繼續(xù)發(fā)揮作用分解纖維素，同時堆肥中可能存在嗜高溫的纖維素分解菌，在高溫期產酶分解纖維素。組合3物料的粗纖維含量下降較快，可能是由于微生物較為多樣，各菌株產生協(xié)同效應。因此，接種菌劑特別是含有纖維素分解菌的菌劑有助于堆肥物料纖維素的分解，從而縮短堆肥腐熟的周期，這也是茶渣廢棄物堆肥發(fā)酵生產有機肥的一個關鍵。

圖3 堆肥過程袋裝物料粗纖維含量的變化

表3 各有機肥成品的品質比較

6.有機肥成品的品質（肥效）比較

茶渣與牛羊糞混合物料經過不同處理后袋裝發(fā)酵，20 d后測定接種不同菌劑對袋裝發(fā)酵成品養(yǎng)分的影響，結果見表3。從表中可以看出，3個組合堆肥成品的各個參數(shù)指標均優(yōu)于對照組，其中以組合3的各項參數(shù)指標最佳、產品品質最好，其次是組合2，組合1最差。組合3的堆肥成品與對照組相比，全氮含量提高10.4%，C/N比值降低6.5，粗纖維含量降低6.87個百分點，接種外源菌劑促進了堆肥有機物質的礦化和降解；全磷和全鉀含量分別提高10.2%和12.2%，反映出組合3的微生物菌劑能更有效地促進牛羊糞便物料中磷、鉀的礦化，提升了牛羊糞便物料堆肥產品的肥力。

因此，試驗結果表明，接種微生物菌劑能促進堆肥養(yǎng)分的轉化和提高產品的肥效。本試驗的3個菌劑組合中以組合3效果最好。

三、小結與討論

運用堆肥發(fā)酵的方法處理牛羊動物糞便是一種有效的資源化處理方法，具有非常廣泛的發(fā)展前景和實際意義。傳統(tǒng)的方法進行堆肥處理主要是利用物料中原有的自然微生物進行發(fā)酵處理，存在周期長、腐熟不完全和污染環(huán)境的缺點。堆肥物料中由于纖維素等一些難降解物質的存在，使堆肥腐熟周期變長[18]，因此在堆肥生產有機肥過程中經常需要加入外源菌劑以促進堆肥發(fā)酵分解纖維素等難降解的物質。此外，在畜禽糞便堆肥處理制備有機肥過程中，常加入統(tǒng)糠、煙葉等輔料。也有研究表明，茶渣作為輔料進行堆肥發(fā)酵生產有機肥也具有很好的效果[19-21]。本次試驗結果表明，組合3對茶渣牛羊糞便混合物料堆肥發(fā)酵的效果最好。與對照組相比，組合3處理的物料發(fā)酵成品的肥效大大提高：全氮含量提高10.4%，全磷和全鉀分別提高10.2%和12.2%，C/N比值降低6.5，粗纖維含量降低6.87個百分點，促進了堆肥中有機物質的礦化，以及纖維素等難降解物質的降解；接種組合3菌劑的牛羊糞便物料堆肥達到高溫的時間及發(fā)酵周期都比對照組短，完成發(fā)酵僅需22 d，發(fā)酵11 d后堆肥溫度就超過60℃。