微生物復合菌劑在畜禽糞便堆肥發(fā)酵中的應用研究

岳世林，馬曉勇，姜國均

（河北農(nóng)業(yè)大學動物醫(yī)學院，河北 保定 071001）

高溫堆肥具有成本低廉、能有效殺滅病原菌、改善畜禽廢棄物的物理性狀、無二次污染等優(yōu)點，是一種比較理想的處理畜禽糞便的方式[1]。畜禽糞便中不僅含有較易分解的單糖、淀粉和半纖維素，還含有難以分解的纖維素，導致堆肥周期長，成本高。糞便堆肥時接種纖維素降解復合菌系的目的就在于提高糞便降解率，加快堆肥進程。本文主要介紹復合菌劑包括枯草芽孢桿菌、綠色木霉和黑曲霉對畜禽糞便中纖維素的降解作用。

1 微生物復合菌劑對糞便堆肥的作用

微生物組成的復合菌劑對堆肥有明顯的促進作用。堆肥初期，發(fā)酵系統(tǒng)中的有益微生物數(shù)量較少，隨糞便排出的大量厭氧菌在系統(tǒng)中占優(yōu)勢，使得堆肥升溫緩慢，并產(chǎn)生惡臭。如此時加入有益微生物，則可以提高堆肥的升溫速度，達到快速腐熟的目的。徐大勇等[2]將外源腐熟菌劑用于牛糞堆肥的研究表明，添加了腐熟菌劑的堆肥比自然堆肥進入高溫期（＞50℃）的時間提前了11d。劉佳等[3]研究表明，接種了微生物菌劑的牛糞堆肥中微生物數(shù)量的消長速度快于自然堆肥，且加快了微生物群落演替的速度。

2 微生物復合菌劑對糞便中纖維素的作用

畜禽糞便堆肥周期長、堆肥不徹底，主要是由于糞便中含有許多難降解的纖維素，因此，對纖維素的分解轉(zhuǎn)化成為堆肥能否充分腐熟的關(guān)鍵。自然堆肥由于所含微生物的種類和數(shù)量有限，在堆肥中難以快速地繁殖和降解牛糞中的纖維素，造成發(fā)酵周期長、發(fā)酵效果差。所以在處理畜禽糞便時添加微生物復合菌劑，不僅加快糞污堆肥速度，同時可以穩(wěn)定糞便中的有機物，并最大限度地減少細菌和真菌的負面影響。綠色木霉、黑曲霉及枯草芽孢桿菌都是生防菌，常常被作為堆肥腐熟菌劑使用。

復合菌劑在堆肥過程中的總體變化趨勢是細菌最多，放線菌次之，真菌最少。微生物是產(chǎn)生纖維素酶的主要來源，在發(fā)酵過程中發(fā)揮了巨大的作用，細菌、放線菌和霉菌都能夠產(chǎn)生纖維素分解酶，常作為接種劑加速糞肥等物料細胞壁和木質(zhì)素、纖維素的水解，促進腐殖化過程[4]。

3 微生物復合菌劑的種類及特點

3.1 種類

3.1.1 芽孢桿菌復合系 細菌的一科，能形成芽孢（內(nèi)生孢子）的桿菌或球菌。包括芽孢桿菌屬、芽孢乳桿菌屬、梭菌屬、脫硫腸狀梭菌和芽孢八疊球菌屬等，其中應用較多的是枯草芽孢桿菌。芽孢桿菌復合系對外界有害因子的抵抗力強，分布廣，存在于土壤、水、空氣以及動物腸道等。

枯草芽孢桿菌：廣泛存在于自然界中，它不會引起人類或動物的疾病，也不會污染環(huán)境，它可以產(chǎn)生多種抗生素和抑制酶，具有廣譜抗菌、抗真菌活性[5]。芽孢在合適的條件下萌發(fā)，從而產(chǎn)生大量的熱量使得系統(tǒng)升溫，并且枯草芽孢桿菌能產(chǎn)生大量的蛋白酶和淀粉酶，分解牛糞中的粗蛋白和淀粉，為其他種類微生物提供生長所需要的氮源和碳源?？莶菅挎邨U菌可分泌多種酶類，并具有抗逆性強、抑菌效果好等諸多優(yōu)良特性[6]。

3.1.2 纖維素分解菌復合系 是一類能分解纖維素的菌。由于纖維素酶等的作用，纖維素可一直被分解到葡萄糖為止，有時在分解過程中會積累纖維二糖，這類細菌多見于腐殖土中。產(chǎn)纖維素酶的主要真菌有綠色木霉、黑曲霉、里氏木霉、青霉屬、黃曲霉等。來源于真菌的纖維素酶，酶系較全，活性也較強。目前，纖維素轉(zhuǎn)化利用的有效途徑之一是利用微生物發(fā)酵作用及產(chǎn)纖維素酶的水解作用降解纖維素物質(zhì)，并加以利用[7]。纖維素分解細菌常常棲息于草食動物的消化道，特別是反芻動物的瘤胃中，它們在其中進行纖維素分解活動，這些細菌是厭氧性細菌，例如產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、牛黃瘤胃球菌、白色瘤胃球菌等。

（1）綠色木霉：迄今為止，綠色木霉是產(chǎn)纖維素酶能力最強的微生物。由于綠色木霉的廣泛適應性、拮抗的多樣性和寄生的廣譜性，因而是一種很有潛力的生防菌。木霉菌主要通過拮抗作用、競爭作用、重寄生作用、促生作用、溶菌作用等作用機制來抑制病原菌的生長，且對pH值的適應性強。

（2）黑曲霉：是曲霉屬真菌中的常見種，在泥土、糧食和植物性產(chǎn)品中分布廣泛。生長適溫為37℃，最低相對濕度為88%。在高溫、高濕環(huán)境下，黑曲霉容易大量生長繁殖，產(chǎn)酶生熱，對紫外線及臭氧的耐性強，是一類菌絲發(fā)達，多分支，有多核的多細胞真菌。

3.2 特點

3.2.1 枯草芽孢桿菌 枯草芽孢桿菌具有產(chǎn)酶量高、種類多、安全性好和環(huán)保等優(yōu)點。李春鳳等[7]研究表明，枯草芽孢桿菌的生物同化作用較強，可有效降低糞便中的吲哚、氨氣等有害氣體濃度，有利于糞便資源化利用。（1）保濕性：枯草芽孢桿菌是一種具有優(yōu)異強度的谷氨酸天然物質(zhì)，是防止肥料和水分流失的土壤保護膜。（2）有機物分解：在增殖的同時釋放出高活性的分解酶，并將難分解的大分子物質(zhì)分解成可利用的小分子物質(zhì)。（3）代謝產(chǎn)物：合成各種有機酸、酶和許多其他易于利用的養(yǎng)分。（4）抗菌能力：具有占據(jù)空間，抑制有害細菌和病原菌等有害微生物生長繁殖的特點。枯草芽孢桿菌的總體優(yōu)勢：可以分解產(chǎn)生惡臭氣體的有機物質(zhì)、有機硫化物、有機氮等；繁殖快，活力強，耐酸性和耐堿性強，抗菌消毒，高耐氧（好氧繁殖），低氧耐受（厭氧繁殖）。

3.2.2 綠色木霉 綠色木霉具有更短的發(fā)酵周期，在實際應用中可減少生產(chǎn)成本，快速投入生產(chǎn)。它性狀穩(wěn)定，具有較好的抗代謝阻遏的能力，且產(chǎn)酶活力高、纖維素酶系完全，具有分解天然纖維素所需要的內(nèi)切葡聚糖酶（EG）、外切葡聚糖酶（CBH）、13-葡萄糖苷酶（BG）3類酶組分；同時其生長環(huán)境粗放，酶易提取，菌株安全無毒。

3.2.3 黑曲霉 在古代，人們就曾運用黑曲霉釀酒、制醬、制醋等。黑曲霉具有發(fā)酵條件簡單易控、代謝旺盛、生長周期短、產(chǎn)酶豐富、不產(chǎn)生毒性物質(zhì)等優(yōu)點，在食品發(fā)酵、畜牧及醫(yī)藥等行業(yè)均得到普遍應用。有研究表明，利用黑曲霉生產(chǎn)纖維素酶的成本低廉、產(chǎn)量大、酶活性高、用處廣，是生產(chǎn)纖維素酶的重要菌株[8]。

4 微生物復合菌劑的應用

4.1 應用條件

4.1.1 枯草芽孢桿菌 枯草芽孢桿菌的生長環(huán)境會嚴重影響其產(chǎn)酶性，其中碳源和氮源對菌株產(chǎn)酶活性的影響最大，故選擇合適的碳源和氮源顯得尤為重要[9]。

4.1.2 黑曲霉 活菌制劑，細菌活性較強，應密閉避光保存。禁止與抗生素、殺蟲劑、殺菌劑、消毒劑、強酸強堿類產(chǎn)品混合使用。

4.2 應用情況

4.2.1 枯草芽孢桿菌 用于糞便的無污染處理。由于枯草芽孢桿菌具有強烈的生物同化作用，它可以有效降低糞便中產(chǎn)生的氨氣和吲哚等有害氣體濃度，減輕糞便臭味，且對蚊子和蒼蠅的代謝產(chǎn)物也有抑制作用。此外，畜禽養(yǎng)殖過程中排放的廢渣、廢水等污染物也可以用枯芽孢桿菌處理，用于堆肥、液肥生產(chǎn)等。該類菌所分泌的α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等酶類，可以降解畜禽糞便中的淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)。

4.2.2 綠色木霉 綠色木霉除具有較強分解天然纖維素的能力外，還有抑菌、促生長、抗重金屬和產(chǎn)抗生素等作用。由于綠色木霉的纖維素酶產(chǎn)量高，穩(wěn)定性好，易于培養(yǎng)和控制，且分泌的纖維素酶是胞外酶，容易分離純化，因此是目前用于纖維素酶生產(chǎn)最主要的菌種之一[10]。它可以產(chǎn)生多種抗生素和溶解酶，降低病原的抗藥性，加強抑菌強度，加快畜禽糞便堆肥達到無害化程度，促使土壤中的有機質(zhì)分解成腐殖質(zhì)，刺激作物生長。

4.2.3 黑曲霉 在發(fā)酵工業(yè)中主要用于生產(chǎn)淀粉酶、酸性蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、葡萄糖氧化酶、檸檬酸、葡萄糖酸和沒食子酸等。在畜禽糞便堆肥過程中，當堆肥溫度達到25℃以上時，黑曲霉能快速生長，并產(chǎn)生大量的纖維素酶，將堆肥原料中難以分解的纖維素降解為單糖，從而為其他細菌生長提供碳源。黑曲霉在堆肥早期對升溫有明顯效果，可能是由于黑曲霉菌劑中有大量未萌發(fā)的孢子，孢子在堆肥系統(tǒng)中萌發(fā)產(chǎn)生熱量導致升溫加速，從而加快堆肥進程。

5 應用展望

在未來的研究中，應進一步研究添加外源微生物菌劑對堆肥過程中微生物區(qū)系變化的影響，以便更好地控制堆肥過程。微生物復合菌劑可安全、高效地降解畜禽糞便中的有害物質(zhì)，是其他處理方式無法比擬的，在當今重視環(huán)境保護的時代，已經(jīng)引起全世界的關(guān)注，其研究也取得了很大進展。雖然多種微生物已被發(fā)現(xiàn)能有效促進堆肥進程和產(chǎn)生纖維素酶，但真正高效的菌種還不多，且性能不夠穩(wěn)定，纖維素酶的生產(chǎn)規(guī)模也有待于進一步擴大。因此，選育高效降解畜禽糞便中有害物質(zhì)的生物類群仍是畜禽糞污無害化研究的重點之一，特別是篩選可協(xié)同作用的高效菌群，或通過建立細菌基因組DNA庫，利用體外DNA分子定向改造等基因操作技術(shù)構(gòu)建適合于工業(yè)生產(chǎn)的高效產(chǎn)酶工程菌，也許是解決問題的關(guān)鍵所在。