好氧堆肥微生物選育及應(yīng)用研究進(jìn)展

朱 鑫， 郜天兵， 楊太婷

河南熱聯(lián)科技有限公司，河南 鄭州 450000

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈約為10.4億噸，產(chǎn)生的禽畜糞便約為38億噸[1]，并且由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化和機(jī)械化，這一數(shù)字還在以每年5%～10%的速度不斷增長[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、畜禽養(yǎng)殖以及農(nóng)村居民生活過程中排放的廢棄物稱為農(nóng)業(yè)廢棄物。這些農(nóng)業(yè)廢棄物如果不經(jīng)處理而隨意的丟棄或排放，會對環(huán)境造成不可估量的破壞，其中可能含有的大量病原菌會時(shí)刻威脅到人們的身體健康。好氧堆肥是指在有氧的條件下，通過土著或外源微生物的作用，將廢棄物中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，并釋放能量的過程。廢棄物中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過堆肥處理后，能產(chǎn)生大量易被植物所吸收的氮、磷、鉀等化合物，以及具有改善土壤肥力的腐殖質(zhì)。此外，由于堆肥過程會將廢棄物中的有機(jī)質(zhì)降解，再加上水分的喪失，經(jīng)過堆肥化以后，廢棄物的體積和重量會有較大幅度的減少，增加了運(yùn)輸和貯存的便利性。

影響好氧堆肥進(jìn)程和效果的因素有很多，如C/N比[3]、含水率[4]、通氣量[5]、添加劑[6]等，堆肥添加劑通常分為調(diào)理劑和接種劑[7-8]。早在1936年的時(shí)候，纖維分解菌就被制成菌劑用作堆肥的接種劑[9]。國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明，在堆肥內(nèi)有針對性地添加外源微生物，能夠強(qiáng)化堆肥的進(jìn)程以縮短堆肥周期，并且某些外源微生物還具有降解堆肥材料中有毒有害物質(zhì)的作用[10-13]。本文將按照不同功能的微生物作為分類依據(jù)，總結(jié)了近年來各種常用的好氧堆肥微生物及其效果的研究現(xiàn)狀，以期為好氧堆肥的菌種選育提供理論支持。

1 影響微生物菌劑效果的因素

好氧堆肥是以多種微生物為主導(dǎo)的復(fù)雜生理生化過程，因此添加的堆肥菌劑的效果與外界環(huán)境的呈現(xiàn)極高的相關(guān)性，一般認(rèn)為，添加外源微生物的作用與含水率、通氣量、C/N、溫度和pH密切相關(guān)。

水是生物維持生命活動(dòng)必不可缺的物質(zhì)之一，引入的微生物菌劑會因堆肥中含水率的不同而受到不同程度的影響。當(dāng)堆體的含水率低于20%時(shí)，添加的微生物菌劑可能完全無法生長及代謝[14]，在含水率低于30%的環(huán)境中，引入的外源菌劑在分解有機(jī)物時(shí)可能會受到抑制[15]，而當(dāng)含水率過高時(shí)，堆體內(nèi)氣體的流通效率會下降，從而導(dǎo)致氧氣濃度不足，進(jìn)一步導(dǎo)致引入的外源微生物進(jìn)行厭氧反應(yīng)，從而降低堆肥的反應(yīng)速度并產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì)和臭氣[16]。大量的研究表明堆肥最適宜的含水率為50%～70%[17-20]。

好氧堆肥是一個(gè)需氧的理化過程，通常在好氧堆肥中添加的外源微生物也是需氧微生物，氧含量的不同會導(dǎo)致引入的外源微生物產(chǎn)生截然不同的效果。當(dāng)氧氣供應(yīng)不足時(shí)，堆體內(nèi)的微生物可能會進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷[21]，并導(dǎo)致有機(jī)物分解不完全，降低廢棄物的利用效率。但通氣量也不能太大，否則會帶走堆體內(nèi)產(chǎn)生的大量熱量，使得堆體溫度不能升高進(jìn)而無法殺死堆體內(nèi)的病原微生物，并且過高的氧分壓會增加氨氣的排放[22]，使堆體內(nèi)的養(yǎng)分流失。氧氣的供應(yīng)形勢一般分為機(jī)械翻堆和強(qiáng)制通風(fēng)，但無論采用哪種方式，其最終目的都是給堆體內(nèi)的微生物提供最適合的環(huán)境，使其能力達(dá)到最大化。有研究表明，采用間歇式的通風(fēng)方式更有利于堆體內(nèi)水分的散失以及溫度和營養(yǎng)的保持[23]。

碳源和氮源是維持微生物正常生命活動(dòng)所必需的元素，其中碳源為微生物合成細(xì)胞骨架提供元素并為微生物的生理活動(dòng)提供能源，氮源則為蛋白質(zhì)、核酸的合成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。有研究表明，微生物每消耗一份氮，需要大約25—30份碳，因此，堆肥中適宜的初始碳氮比為20～30[24-25]。過高的碳氮比會限制堆體內(nèi)的微生物對有機(jī)質(zhì)的降解，增長發(fā)酵周期；若碳氮比太低，會導(dǎo)致堆體中的N以NH3、NOX等形式散失，不僅會排放出對環(huán)境不利的氣體，并且會導(dǎo)致堆肥的肥效下降[24]。禽畜糞便的碳氮比較低，而作物秸稈的碳氮比比較高，因此通常將兩種材料按照一定的比例混合,以達(dá)到碳氮比平衡的目的。

溫度不僅是好氧堆肥進(jìn)程最直觀的體現(xiàn)，還是影響堆肥中微生物活性及有機(jī)質(zhì)降解的重要因素之一[26]。堆肥中的優(yōu)勢微生物會隨著溫度的變化而變化，因此堆肥菌劑的篩選可以根據(jù)這一規(guī)律在不同溫度階段分離不同功能的微生物。在堆肥過程中，溫度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，溫度過低，不僅會使得有機(jī)質(zhì)降解效率降低，而且會導(dǎo)致堆體中多余的水分無法排出，最重要的是在低溫條件下材料中的病原微生物無法被殺死，一般堆肥需要保持溫度在55 ℃以上持續(xù)5 d才能達(dá)到無害化的要求[27]；而當(dāng)溫度過高時(shí)，可能會加速堆肥中碳氮源的散失，并且過高的溫度可能對細(xì)菌的孢子造成損傷，導(dǎo)致降溫期和腐熟期的微生物多樣性下降，降低堆肥的肥效，因此需要通過攪拌或者通風(fēng)的方式帶走堆體中過多的熱量[28-29]，在好氧堆肥的高溫期，為了加速有機(jī)質(zhì)的降解和腐殖質(zhì)的形成，通常將溫度控制在50 ℃～60 ℃。

在堆肥過程中，pH會直接影響微生物的活性和生存能力，一般認(rèn)為堆肥最適宜在偏堿性的環(huán)境中進(jìn)行[30]。另外，pH會在整個(gè)堆肥過程中波動(dòng)，但是由于堆體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境對pH具有一定的緩沖能力，因此在堆肥的初始和過程中通常不需要再對pH進(jìn)行調(diào)整，但是，如果產(chǎn)品對pH具有較高的要求，則可以加入碳酸鈣等堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)。

2 堆肥中的優(yōu)勢微生物的選育及其對堆肥的影響

2.1 堆肥中的優(yōu)勢微生物

好氧堆肥通常分為4個(gè)階段：升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期，各個(gè)階段中都有其獨(dú)特的優(yōu)勢菌群，共同促進(jìn)物料的分解和腐熟[31]。有研究表明，在堆肥過程中微生物的數(shù)量和種類的階段性變化與溫度一致，在升溫期和高溫期，堆肥中的可培養(yǎng)微生物均經(jīng)歷了一個(gè)先增加后降低再增加的過程，并且在整個(gè)過程中，細(xì)菌和放線菌的數(shù)量均高于真菌的數(shù)量[32]。

堆肥所用的廢棄物種類繁多，根據(jù)不同原材料的特性，各種材料堆肥中添加的菌種也千差萬別，表1列舉了部分常見的堆肥材料中各時(shí)期的優(yōu)勢微生物。

表1 不同的材料堆肥中各時(shí)期優(yōu)勢微生物

總體來看，在堆肥升溫期主要以分解簡單有機(jī)物的微生物為主，這些微生物分解簡單有機(jī)物并釋放大量熱量推動(dòng)堆肥進(jìn)入高溫期，在高溫期則以能夠分解如纖維質(zhì)和蛋白質(zhì)等復(fù)雜化合物的微生物為主，待這些復(fù)雜化合物分解完畢后，熱量的產(chǎn)生不足以抵消堆體散發(fā)的熱量，溫度逐漸下降，這時(shí)，升溫期的微生物重新占據(jù)主導(dǎo)位置，成為優(yōu)勢菌群。此外，目前的大多數(shù)研究表明[33-36]，在整個(gè)堆肥過程中，芽孢桿菌屬微生物占據(jù)了一個(gè)比較重要的地位，這可能得益于其耐高溫、快速復(fù)活和分泌酶能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2 常用堆肥菌種的選育

2.2.1纖維素降解菌的選育

堆肥材料中廣泛存在著一種致密的微晶纖維素，這些纖維素因其空間構(gòu)象呈緊密的纖維束，水解酶無法充分接觸，因此比較難以被降解[37]。GUDER D G[38]使用CMC水解圈法和Whatsman濾紙降解實(shí)驗(yàn)從羊瘤胃中分離出8株具有高效降解纖維素能力的菌株，細(xì)菌分類學(xué)研究顯示，其中有5株芽孢桿菌屬、2株桿菌屬和1株腸桿菌屬微生物。夏強(qiáng)[39]通過剛果紅染色實(shí)驗(yàn)和FPA酶活測定篩選出具有纖維素降解能力的黑曲霉、綠色木霉和地衣芽孢桿菌，并發(fā)現(xiàn)將這三種微生物按照3∶3∶2的比例混合后，可以得到比任何單一種類的微生物更高的濾紙酶活。SU等[40]通過在分離培養(yǎng)基中添加藤黃微球菌的復(fù)蘇促進(jìn)因子(Resuscitation-promoting factors，Rpf)來分離某些可存活但不可培養(yǎng)微生物以及增加細(xì)菌群落對纖維素的降解能力，結(jié)果顯示，Rpf的引入可以分離出一些具有纖維素酶活和濾紙酶活的獨(dú)特微生物，這些微生物在正常狀態(tài)下是不可培養(yǎng)的，并且經(jīng)過Rpf處理后的富集微生物，其纖維素酶活性得到顯著增強(qiáng)。纖維質(zhì)類廢棄物由于其難處理、體積大的特點(diǎn)，將其用于堆肥是一個(gè)前景比較大的再利用途徑，相較于單一微生物，混合菌劑對不同底物都具有降解能力且降解效率更加優(yōu)秀，因此，堆肥用混合微生物菌劑的選育仍然是制約好氧堆肥發(fā)展的因素之一。

2.2.2固氮微生物的選育

2.2.3抗生素降解菌的選育

除纖維素降解菌和固氮菌株以外，由于禽畜養(yǎng)殖業(yè)中長期使用抗生素作為飼料添加劑，雖然這一措施能有效促進(jìn)禽畜的生長，但也導(dǎo)致大量的耐藥性基因成為人類生活潛在的威脅[49-50]。在堆肥中，禽畜糞便內(nèi)的抗生素可被微生物降解， MITCHELL S M等[51]的研究表明在高溫堆肥的過程中可有效降解糞便中含有的抗生素類化合物。LIAO X B等[52]經(jīng)過富集馴化得到一組混合微生物，將其投入到含有100 μg/L磺胺類抗生素的環(huán)境中，一周內(nèi)的降解率可達(dá)50%以上，并且經(jīng)過四周的培養(yǎng)后，磺胺類抗生素的降解率為78.3%，進(jìn)一步對降解過程的微生物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門和擬桿菌門是主導(dǎo)降解亞磺酰胺的關(guān)鍵微生物。HARRABI M等[53]將從杜羅河河口收集的沉積物接種至含有抗生素的培養(yǎng)基中，經(jīng)過一個(gè)月的培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基中的抗生素被降解了95%以上。

2.2.4其他菌種的選育

除纖維素降解微生物、固氮微生物和抗生素降解菌外，堆肥中P和K的含量也是衡量堆肥質(zhì)量的重要因素。李慶榮等[54]利用選擇培養(yǎng)基從蠶沙堆肥中篩選出10株溶磷解鉀微生物，鑒定結(jié)果表明這些微生物均屬于芽孢桿菌屬，其中一株巨大芽孢桿菌能夠釋放磷酸鈣中的磷，而另外9株菌均能夠?qū)⑩涢L石的鉀轉(zhuǎn)化為可溶性鉀鹽。蔣寶貴[55]從土壤中分離得到9株解磷細(xì)菌和5株解鉀細(xì)菌，其中一株解磷細(xì)菌經(jīng)培養(yǎng)后的培養(yǎng)液中可溶性磷的含量比對照組增加了95.8%，而另外一株解鉀細(xì)菌經(jīng)培養(yǎng)后其培養(yǎng)液中速效鉀的含量比對照組增加了161%。此外，堆肥材料(如禽畜羽毛、糞便等)中可能含有大量的蛋白質(zhì)，為提高這些材料的腐熟速度和綜合利用率，可以將蛋白酶產(chǎn)生菌接種至堆肥內(nèi)。郭曉軍等[56]利用平板擴(kuò)散法和Folin-酚試劑比色法從豬糞中分離出一株耐熱的蛋白酶產(chǎn)生菌，其蛋白酶活為45.67 U/mL，經(jīng)鑒定后表明該菌為甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌，該菌可在50 ℃的環(huán)境下生長，能夠作為堆肥接種劑的良好菌種。

綜合國內(nèi)外對好氧堆肥微生物選育的研究表明，纖維素降解菌是加速堆肥腐熟、提高堆肥質(zhì)量、促進(jìn)堆肥中難降解物質(zhì)降解的關(guān)鍵，而硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及自生固氮菌則是主導(dǎo)堆肥過程中氮素循環(huán)的關(guān)鍵菌株。此外，含有抗生素的堆肥材料還需要添加一些能夠降解抗生素的微生物，而對于含有蛋白質(zhì)較多的材料，最好能夠加入一些產(chǎn)蛋白酶的微生物，這樣才能夠使得其中的有機(jī)質(zhì)更加完全地降解。相較于使用單一菌株，將一些功能不同的微生物組合成復(fù)合菌劑投加到好氧堆肥中成為廣大學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

3 堆肥微生物的應(yīng)用

堆肥過程的實(shí)質(zhì)就是各種微生物活動(dòng)、代謝的結(jié)果，但是不同的原材料中占據(jù)主導(dǎo)的微生物各不相同[11]，因此，研究者大多從堆肥過程或原料中篩選獨(dú)特的微生物并應(yīng)用于堆肥內(nèi)[57]。將微生物接種至堆肥內(nèi)強(qiáng)化堆肥的應(yīng)用極其廣泛，表2列舉了一批常見的微生物接種強(qiáng)化堆肥案例。

表2 常見的微生物接種強(qiáng)化堆肥案例

此外，對于微生物復(fù)合菌劑而言，由于各個(gè)階段中堆肥內(nèi)部的生理生化反應(yīng)大不相同，因此在不同的階段添加不同功能的微生物比在堆肥初始接種所有的微生物效果更好。XI等[71]根據(jù)有機(jī)質(zhì)的降解和溫度情況分三階段接種堆肥菌劑，在溫度上升階段(第0 d)接種硝化細(xì)菌和除臭菌，其目的是減少氨揮發(fā)和硫化氫的氣味；第二階段是高溫期(第18 d，在此階段的中后期，當(dāng)溫度下降至小于55 ℃時(shí)通過接種纖維素降解菌來加速剩余纖維質(zhì)材料的降解；當(dāng)堆體溫度低于40 ℃時(shí)為第三階段(第24 d)，通過接種木質(zhì)素降解菌系來加速腐殖質(zhì)的形成，提高堆肥的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，與初始接種菌劑相比，多階段接種菌劑延長了堆肥高溫期的時(shí)間，并且在堆肥過程中避免了接種微生物與土著微生物之間的競爭關(guān)系，有效提高了細(xì)菌和真菌的群落多樣性，這表明多階段接種技術(shù)對于堆肥的過程具有明顯的促進(jìn)作用。

綜合國內(nèi)外對于微生物菌劑的應(yīng)用來看，在堆肥內(nèi)添加微生物菌劑的主要原因是堆肥材料中含有某些難以被自然繁殖的微生物徹底降解的物質(zhì)，通過添加外源微生物這種方式，擴(kuò)大堆體內(nèi)優(yōu)勢菌群的數(shù)量或者提高堆體內(nèi)的微生物多樣性，促進(jìn)難降解物質(zhì)的分解，提高堆肥效率。此外，添加一些功能菌群(如硝化細(xì)菌、解磷固氮菌等)能夠顯著提升堆肥的質(zhì)量，使得成品堆肥具有改善土壤品質(zhì)的作用。

4 總結(jié)與展望

添加微生物菌劑可以加速堆肥底物的降解，縮短堆肥所需的時(shí)間以及增加堆肥的肥效，并將原料所含的有毒有害物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)。另外，將功能各異的多種微生物制作成微生物復(fù)合菌劑加入堆肥內(nèi)，其有機(jī)質(zhì)降解速率、總氮含量、腐殖酸水平等各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均能得到不同程度的提高。因此，堆肥微生物復(fù)合菌劑將是后續(xù)研究重點(diǎn)，并具有極其廣闊的應(yīng)用前景。