蚯蚓堆肥中優(yōu)勢微生物作用及農(nóng)用風險研究進展

楊 林

(蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

當前，我國每天會產(chǎn)生大量可生物降解的有機廢物(城鎮(zhèn)污泥、果蔬廢棄物等)，特別是污水處理副產(chǎn)物-城鎮(zhèn)污泥的產(chǎn)量在逐年增加[1]。城鎮(zhèn)污泥組分復雜且具有發(fā)酵能力，直接投入到自然環(huán)境中將會造成環(huán)境污染，而因其含有大量的可生物降解有機化合物，如果進行資源化處理，則可以變廢為寶[2]。蚯蚓堆肥是在好氧和中溫條件下進行生物穩(wěn)定化的過程，被認為是處理有機廢物有用的一種技術[3]，它的產(chǎn)物含有豐富的作物所需的礦化物質(zhì)[4]，病原菌較對照組也顯著減少[5]，目前在園林廢棄物[6]、餐廚垃圾[7]等方面有諸多研究。

蚯蚓作為關鍵驅(qū)動因素，改變基質(zhì)的物理化學性質(zhì)，對微生物群落產(chǎn)生直接或間接的影響。產(chǎn)物蚓糞通過掃描電鏡圖像和比表面積分析，比初始污泥變得更加緊密和破碎，蚓糞被強烈分解，變得更加緊密和破碎[8]。與傳統(tǒng)堆肥相比，蚯蚓堆肥促進了有機物的轉(zhuǎn)化。細菌群落的瓶頸效應發(fā)生在砂囊和前腸區(qū)域，主要體現(xiàn)在擬桿菌門，隨著時間的推移可以逐漸恢復和擴大[9]。此系統(tǒng)中，微生物是有機物降解的主要菌群，且優(yōu)勢種群在有機廢物轉(zhuǎn)化中起著最重要的作用[10]。其中，DOM在堆肥過程中對微生物活性和營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運起著重要的作用[11]。因此，這一系統(tǒng)中蚯蚓的活性和基質(zhì)的變化可能對微生物產(chǎn)生影響。并且蚯蚓堆肥可以有效減少城鎮(zhèn)污泥中抗生素抗性基因，近年來備受關注[12]。本文擬探究優(yōu)勢微生物在城鎮(zhèn)污泥穩(wěn)定化過程中的作用，并對蚯蚓堆肥系統(tǒng)中抗性基因和致病菌的變化做了介紹。

2 優(yōu)勢微生物和理化指標的關系

2.1 蚯蚓堆肥穩(wěn)定化過程

蚯蚓堆肥，按蚯蚓活動可分為活躍階段和成熟階段，第二階段的堆肥時間由原始基質(zhì)的組分和第一階段的效率而定，反過來又決定了有機殘留物的應用和蚯蚓的最終生物量[13]。按穩(wěn)定化過程依次為有機質(zhì)降解階段、氨化階段和硝化階段這3個階段[14]。堆肥過程中，溶解性有機碳在前期迅速降低，且EC、硝態(tài)氮、有效磷隨著實驗時間呈上升趨勢，表明蚯蚓和微生物協(xié)同作用顯著加快有機質(zhì)礦化過程。基于光譜學分析，蚯蚓堆肥可以減少易降解有機物，如醇類，增加腐殖型物質(zhì)等。結束時，蚯蚓處理組DOC、氨氮和微生物生物量及活性值較低，蚓糞相對穩(wěn)定，pH降低的原因可能是穩(wěn)定過程中N和P化合物的礦化和有機酸的釋放；同時可降低污泥中銅、鎘的生物利用度，提高污泥中有效營養(yǎng)物質(zhì)的含量。Fu等將新鮮的顆?；撍勰嘤糜隍球净|(zhì)，節(jié)省了蚯蚓過篩前的預處理時間，表明是一種可行的污泥垂直化預處理方法[15]。

2.2 堆肥結束時的優(yōu)勢微生物群落

微生物群落的演替與蚯蚓腸道和可利用的有機基質(zhì)有關。蚯蚓腸道對微生物具有瓶頸效應，但是受影響的細菌能夠在后腸回復，腸道內(nèi)的厭氧環(huán)境和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)會促進某些厭氧微生物的生長。低分子量DOM(如游離氨基酸和糖)是異養(yǎng)微生物容易利用的，而高分子量DOM(如多酚和腐殖質(zhì))通常需要細胞外酶將其分解之前被微生物利用。這一系統(tǒng)中，新鮮城鎮(zhèn)污泥含有較多易利用的低分子量有機質(zhì)，微生物優(yōu)先利用低分子量有機質(zhì)，后期系統(tǒng)中多為難降解有機物。因此微生物在低分子量DOM的轉(zhuǎn)化中發(fā)揮更重要的作用，堆肥系統(tǒng)中微生物群落結構也受低分子量DOM影響巨大，堆肥后期的群落結構相比初始污泥發(fā)生了動態(tài)變化。隨著處理時間的延長，變形菌門、擬桿菌門、放線菌門這3個菌門基本的占比排名基本保持不變。堆肥后期有機物多為難降解有機質(zhì)，這一時期優(yōu)勢菌門主要是變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、浮霉菌門和厚壁菌門。

2.3 優(yōu)勢微生物在穩(wěn)定化過程中的作用

有研究指出，不同蚯蚓處理組微生物群落結構雖然不同，但在同一堆肥時期的微生物功能卻可能相同[16]。DOM的濃度和組成能有效地反映最終堆肥的穩(wěn)定和成熟過程，堆肥不同階段中DOM的變化反映了優(yōu)勢微生物在有機廢物轉(zhuǎn)化中起著最重要的作用，且堆肥后期優(yōu)勢微生物對判斷穩(wěn)定程度具有重要作用。擬桿菌門細菌通常包括各種具有很強水解許多大分子的能力的細菌，如淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)，擬桿菌門的顯著減少，說明初始污泥中可降解的有機物得到了很好的穩(wěn)定；放線菌是難降解有機物的主要降解者，堆肥后期豐富的放線菌通常也被認為是成熟堆肥的一個重要指標。同時，碳氮比可以作為衡量堆肥成熟度的可靠指標，若初始基質(zhì)氮含量較高的情況下，C/N比例不再適用；當系統(tǒng)后期DOC含量低于4mg/kg時，則堆肥產(chǎn)物已穩(wěn)定[17]。

3 抗性基因和病原菌的農(nóng)用風險

污水處理廠匯集了各種城市排水，包括居民生活污水、醫(yī)療機構廢水、動物排泄廢水等，這些廢水中不同程度的含有不能被動物和人體吸收的抗生素，已有研究表明畜牧業(yè)成為環(huán)境抗生素污染的主要污染源[18]，且已有檢測到污水處理終端副產(chǎn)物剩余污泥中含有多種抗性基因，因此未經(jīng)處理，將是環(huán)境微生物耐藥性的一個潛在的來源。污泥和糞肥堆肥過程中抗性基因變化的主要原因與微生物群落演替有關。并且，在蚯蚓過程中，總大腸菌中、糞便大腸菌、腸球菌的HPB能夠顯著減少[19]。蚯蚓堆肥過程中病原體的減少可能是由于腸道酶的作用導致的微生物抑制、具有抗菌特性的體腔液的分泌等直接作用，以及一些間接的作用，如刺激當?shù)氐奈⑸飳е赂偁幒娃卓筟20]。

4 結語

蚯蚓堆肥是一種有效處置城鎮(zhèn)污泥的綠色方法，在有機廢棄物快速降解和減少抗性基因和病原菌方面具有顯著作用。現(xiàn)從整個系統(tǒng)食物鏈角度對蚯蚓堆肥研究還較少；環(huán)境中抗性基因和病原菌問題日漸受到關注，蚯蚓堆肥作為一種生物處理技術，其特有的優(yōu)勢和產(chǎn)物蚓糞的利用價值還有待挖掘。