秸稈堆肥降解過程中的微生物變化

龔昆 張莉 熊海容

摘要：中國(guó)每年產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，然而這些秸稈并沒有被合理應(yīng)用，甚至造成嚴(yán)重的污染問題。利用微生物對(duì)秸稈進(jìn)行堆肥降解是秸稈科學(xué)再利用的有效方式之一，具有無(wú)污染、成本低、條件溫和、改善土壤有機(jī)質(zhì)、提升土壤肥力等特點(diǎn)。堆肥條件下微生物群落的演替和酶系的變化直接影響著堆肥的效率，對(duì)秸稈堆肥降解過程中的微生物變化及堆肥條件進(jìn)行了綜述，以期為提高秸稈堆肥效率提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈;堆肥降解;微生物;協(xié)同降解;多酶系;堆肥條件

中圖分類號(hào)：S141.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）21-0081-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.017

Abstract： A large amount of straw are produced every year in China. However， these straws have not been rationally used， and even cause serious pollution problems. Microbial composting degradation of straw is one of the effective ways of straw scientific reuse. It has the characteristics of pollution-free， low cost， mild conditions， and can improve soil organic matter and increase soil fertility. The efficiency of composting is directly affected by the succession of microbial communities and changes in enzyme systems under composting conditions. The changes of microorganism and composting conditions in the process of straw composting degradation were summarized to provide reference for improving the efficiency of straw composting.

Key words： straw; compost degradation; microorganisms; synergistic degradation; enzymes; composting conditions

中國(guó)每年秸稈產(chǎn)量有9億t，加工副產(chǎn)物有5.8億t，這些加工副產(chǎn)物綜合利用率不到40%，60%以上的副產(chǎn)物被隨意丟棄、堆放或用作生活燃料，這相當(dāng)于0.47億hm2土地的投入產(chǎn)出和6 000億元的收入被浪費(fèi)掉[1]。利用微生物降解秸稈具有無(wú)污染、成本低、條件溫和等特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。農(nóng)作物秸稈具有豐富的氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分，是中國(guó)傳統(tǒng)的有機(jī)肥料源，但需通過微生物發(fā)酵腐熟后才適合大田使用[2]。農(nóng)作物秸稈腐熟過程是微生物在好氧或厭氧條件下將秸稈中的有機(jī)物分解成為CO2、H2O、NH3以及腐殖質(zhì)的過程。參與發(fā)酵腐熟農(nóng)作物秸稈的微生物種類繁多，包括細(xì)菌和多種真核生物，這些生物在秸稈的發(fā)酵過程中進(jìn)行著迅速的群落演替，完成秸稈的腐熟過程[3]。對(duì)于不同的堆肥發(fā)酵時(shí)期，微生物的種類和酶系的變化直接影響著秸稈的降解效果。因此，本研究從農(nóng)作物秸稈組成、秸稈的降解過程及對(duì)秸稈堆肥過程中的微生物群落變化和秸稈降解酶系的變化進(jìn)行了綜述，以期為提高秸稈堆肥效果提供參考。

1? 農(nóng)作物秸稈的利用方式

由于秸稈組成成分的復(fù)雜性，秸稈的利用率并不高，目前農(nóng)業(yè)秸稈的利用方式主要有秸稈堆肥、秸稈板材、秸稈飼料、秸稈固態(tài)燃料等，雖然對(duì)秸稈的處理具有一定的幫助，但同時(shí)存在著一些缺點(diǎn)，如表1 所示。

2? 農(nóng)作物秸稈的組成

農(nóng)作物秸稈的主要成分是木質(zhì)纖維素，是自然界中最豐富的天然碳源。而限制秸稈利用的主要因素是纖維素、半纖維素與木質(zhì)素通過大量的共價(jià)鍵與非共價(jià)鍵緊密連接形成不溶于水和有機(jī)溶劑并且在常溫下難以降解的三維結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致在動(dòng)物體內(nèi)消化緩慢、營(yíng)養(yǎng)吸收不好、工業(yè)上發(fā)酵轉(zhuǎn)化產(chǎn)率不高等問題[4]。木質(zhì)纖維素的主要成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠、可溶性糖、粗蛋白質(zhì)等，纖維素是由D-吡喃葡萄糖基通過β-1，4糖苷鍵連接而成的線性多聚糖，它是秸稈最重要的成分，約占植物總重量的20%～40%[5]，其組成結(jié)構(gòu)見圖1。

3? 農(nóng)作物秸稈的降解過程

農(nóng)作物秸稈的生物降解是在一系列酶的協(xié)同作用下完成的，其不同組分需要有不同的酶系降解，如表2所示。目前比較認(rèn)同的天然木質(zhì)纖維素的降解理論為協(xié)同理論。首先內(nèi)切葡聚糖酶（Cx酶）在纖維素聚合物的內(nèi)部起作用，在纖維素的非結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行切割，產(chǎn)生新的末端，然后再由外切葡聚糖酶以纖維二糖為單位從末端水解，最后再由β-1，4-糖苷酶（CB酶）將纖維二糖酶徹底水解為葡萄糖[6]。在秸稈的降解過程中，由于纖維素、半纖維素、木質(zhì)素之間組成的致密性，微生物在降解過程中對(duì)于相關(guān)組分的降解存在一定的順序。杜甫佑等[7]在對(duì)白腐菌降解木質(zhì)纖維素的研究過程中表明，白腐菌在降解天然木質(zhì)纖維素過程中首先降解半纖維素，再同時(shí)降解半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。

3.1? 降解秸稈的微生物及其所產(chǎn)酶類

郭亞萍等[34]利用PCR-DGGE技術(shù)，分析以水稻和玉米秸稈為主要原料的兩種傳統(tǒng)雙孢蘑菇堆肥過程的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)堆肥期間優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群為變形菌（Proteobacteria）、厚壁菌（Phylum Firmicutes）和放線菌（Actinobacteria）。在堆肥的建堆時(shí)期，優(yōu)勢(shì)類群為變形菌，一次和二次發(fā)酵結(jié)束時(shí)期的優(yōu)勢(shì)菌主要為厚壁菌和放線菌。兩個(gè)配方堆肥樣品中分布最廣泛的優(yōu)勢(shì)類群為芽孢桿菌屬（Bacillus）、類芽孢桿菌屬（Paenibacillus）、脲桿菌屬（Ureibacillus）和低G+C含量的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，它們出現(xiàn)在堆肥的整個(gè)過程，對(duì)溫度和pH變化的適應(yīng)性強(qiáng)，可以產(chǎn)生胞外水解酶分解纖維素、半纖維素類大分子化合物[35]。朱琳等[36]基于Illumina平臺(tái)的高通量測(cè)序技術(shù)，初步解析等量的、不同氮源添加（尿素和牛糞） 的水稻秸稈經(jīng)堆肥發(fā)酵后制得的粗制肥料中的細(xì)菌和真核微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)秸稈堆肥中真核生物類型中，真菌占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而細(xì)菌中的放線菌也同樣大量存在。Wei等[37]在對(duì)玉米秸稈堆肥中功能微生物群落的演替及其代謝功能的研究中表明，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，肥堆中厚壁菌門的豐度顯著降低，而變形菌門、擬桿菌門和放線菌門豐度急劇增加，堆肥的嗜熱階段厚壁菌門是明顯的優(yōu)勢(shì)菌門類。為了進(jìn)一步對(duì)木質(zhì)素堆肥中細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)進(jìn)行追蹤，López-González等[38]利用傳統(tǒng)培養(yǎng)方法對(duì)肥堆中的微生物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)功能和生物多樣性的研究，結(jié)果表明，雖然在中溫條件下分離的微生物在整個(gè)過程中都很突出，但是高溫階段的微生物總數(shù)最高，而在堆肥的生物氧化階段，孢子形成細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，堆肥的中溫階段細(xì)菌最多，而嗜熱階段微生物的總數(shù)最大。

4.3? 秸稈堆肥過程中酶系的變化

秸稈堆肥過程中降解秸稈的酶主要有木聚糖酶、半纖維素酶、纖維素酶，另有少量的淀粉酶、果膠酶和蛋白酶也在秸稈降解中發(fā)揮著重要的作用。

整個(gè)堆肥過程中酶系的變化同樣具有交替性，不同肥堆中微生物的群落不同，產(chǎn)生的酶系不同，直接影響秸稈堆肥的效果。在連續(xù)開放式的堆肥樣品中，不同發(fā)酵時(shí)段的主要降解酶系存在差異，說(shuō)明在發(fā)酵過程中存在著一些主要的纖維素降解微生物，在秸稈的降解過程中起主要作用，分泌高效的降解酶系。

為了了解堆肥生境中的酶系變化，方?jīng)_[39]對(duì)堆肥生境中的酶系進(jìn)行了探究，在以小麥為堆料的肥堆中，整個(gè)降解周期內(nèi)，纖維素內(nèi)切酶、外切酶和木聚糖酶活力都呈一個(gè)先升高再降低的總趨勢(shì)，其中木聚糖酶活力在發(fā)酵中期第13天達(dá)到最大，隨后逐漸減小，到發(fā)酵第28天時(shí)相對(duì)酶活達(dá)到最低，后又有一個(gè)上升趨勢(shì)，纖維素內(nèi)切酶、外切酶和木聚糖酶的最大活性出現(xiàn)在發(fā)酵的第13～18天，說(shuō)明堆肥中期是木質(zhì)纖維素降解的主要階段。

5? 農(nóng)作物秸稈的堆肥條件

秸稈堆肥效率直接受到微生物生長(zhǎng)的影響，而微生物的生長(zhǎng)易受到溫度、pH、底物性質(zhì)、水分含量等的影響，創(chuàng)造一個(gè)利于秸稈降解微生物生長(zhǎng)代謝的環(huán)境就成了秸稈堆肥降解的關(guān)鍵因素。

5.1? 底物碳氮比（C/N）

微生物生長(zhǎng)繁殖的適宜C/N一般為25∶1，由于受到堆料原始組成和結(jié)構(gòu)的影響，全部碳素并沒有被微生物直接快速利用，所以C/N稍高，可溶性碳素就越多，從而利于堆體發(fā)酵的啟動(dòng)，合適的C/N對(duì)好氧發(fā)酵的啟動(dòng)至關(guān)重要。一般認(rèn)為，堆料的C/N在26∶1～35∶1較為適宜[40]。由于秸稈組成成分的影響，工業(yè)上一般通過向秸稈中添加禽畜糞便或尿素的方法來(lái)達(dá)到最適的C/N。

5.2? 水分含量

水分含量直接影響著微生物的生長(zhǎng)，從而影響著堆肥的效果。水分條件對(duì)秸稈腐熟影響較大，相對(duì)含水量80%的秸稈釋放CO2速率高于60%處理[41]。秸稈堆肥過程中菌體代謝會(huì)消耗大量水分，而堆肥中期產(chǎn)生的高溫會(huì)加劇水分蒸騰作用導(dǎo)致水分的喪失。因此，在此過程中及時(shí)補(bǔ)充水分，才能夠確保降解順利進(jìn)行[42]。

5.3? 通氣程度

在秸稈堆肥過程中起主要作用的好氧微生物如果沒有接觸到足夠的氧氣就會(huì)被厭氧微生物所取代，而后者會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)用產(chǎn)物，這些產(chǎn)物通常會(huì)帶有濃烈的氣味，并且其中的一些可能會(huì)對(duì)植物有毒害作用，因此達(dá)不到秸稈無(wú)害化處理的效果。通氣程度直接影響著好氧微生物的生長(zhǎng)，從而影響著秸稈的降解效率。由于通氣程度的不同，在秸稈肥堆的不同高度，微生物群落有著顯著差異[43]。在傳統(tǒng)的堆肥過程中，通常采用翻堆方式來(lái)維持O2濃度在一定范圍。

5.4? 溫度

溫度直接影響著微生物的生長(zhǎng)。堆肥初期溫度較低，中溫微生物變形菌門、擬桿菌門大量生長(zhǎng)，隨著微生物的代謝，肥堆溫度迅速上升，3～5 d可達(dá)65 ℃以上，此時(shí)中溫微生物已不能生長(zhǎng)，能耐高溫的微生物才能存活，嗜熱微生物如嗜熱多孢菌屬大量生長(zhǎng)。秸稈中纖維素等不溶性底物在嗜熱微生物的作用下降解，隨著堆肥時(shí)間的進(jìn)行，不溶性底物被消耗，肥堆溫度逐漸降低，隨后進(jìn)入冷卻階段，中溫微生物如放線菌、芽孢桿菌等又成為優(yōu)勢(shì)菌群[44]。高溫階段為主要的纖維素降解階段，因此，提高堆肥溫度有利于秸稈的降解。

6? 結(jié)論

農(nóng)作物秸稈具有復(fù)雜的組成成分，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的致密性限制了秸稈的自然降解。秸稈的降解是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要多種微生物、多重酶系共同參與。堆肥過程中存在著明顯的菌群和酶系的變化，這些菌群結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了秸稈降解不同時(shí)期的特性。秸稈降解的關(guān)鍵就是利用各種手段篩選出能夠高效降解木質(zhì)纖維素的微生物，控制外部條件如溫度、pH、濕度、氧氣含量等使之能夠在最適條件下生長(zhǎng)代謝，成為優(yōu)勢(shì)菌群，大量的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生纖維素酶、木質(zhì)素酶等相關(guān)酶系，在這一系列酶的共同作用下完成秸稈的降解過程。利用微生物處理農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈具有高效、清潔、低成本的特點(diǎn)，因此越來(lái)越受到關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。