食品殘渣擴繁降解菌對園林廢棄物堆肥碳轉(zhuǎn)化的影響*

張陸 ,王宏戈 ,王惟帥 ,王選,3 ,李靜 ,李琳 ,郭偉婷,劉雙,王紅,陸云麗,馬林**

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022;2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3. 中國科學(xué)院雄安創(chuàng)新研究院 雄安 071700;4. 石家莊市動物園 石家莊 050299;5. 石家莊市植物園 石家莊 050200;6. 石家莊市畜牧技術(shù)推廣站 石家莊 050030;7. 河北省畜牧總站 石家莊 050030;8. 河北綠色永續(xù)環(huán)?？萍加邢薰?石家莊 050061)

城鎮(zhèn)化的擴張造成了大量園林廢棄物(0.4 億t)的產(chǎn)生,而傳統(tǒng)處理方式(焚燒、填埋)極易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費[1-2]。眾所周知,堆肥是一種快速實現(xiàn)有機物穩(wěn)定化和無害化的處理方式,同時兼顧環(huán)境和經(jīng)濟效益[3]。園林廢棄物具有孔隙度大、含水率低、C/N 高的特點,難以進行單獨堆肥,這些缺點均可通過與其他廢棄物(餐廚垃圾、畜禽糞便)進行聯(lián)合堆肥的方式予以解決[4-5]。然而園林廢棄物中木質(zhì)纖維素含量較高,不利于微生物分解利用,影響堆肥發(fā)酵速率,成為制約園林廢棄物堆肥化利用的限制因素[6],因此,加快堆肥過程中木質(zhì)纖維素的降解對實現(xiàn)園林廢棄物高效資源化利用具有重要意義。

目前,研究者們已開發(fā)了多種加速堆肥過程中木質(zhì)纖維素降解的手段,如Fenton法[7]、水熱預(yù)處理[8]、接種外源微生物[9]等,其中接種外源微生物被認(rèn)為是最為環(huán)境友好且經(jīng)濟有效的方式[10]。微生物類型包含細(xì)菌、真菌、放線菌的一種或多種[11],目前微生物菌劑的研發(fā)多側(cè)重于開發(fā)新型菌種,而針對微生物擴繁活化過程的研究卻相對較少。菌劑擴繁培養(yǎng)時通常以葡萄糖、蛋白胨等物質(zhì)作為碳氮源,在增加擴繁成本的同時也間接提高了廢棄物堆肥處理成本,因此,實現(xiàn)微生物菌劑的低成本擴繁至關(guān)重要。食品工業(yè)的發(fā)展造成了大量食品殘渣的產(chǎn)生,如果渣、豆渣等,食品殘渣中含有豐富的糖分和蛋白質(zhì),可替代葡萄糖、蛋白胨成為良好的微生物培養(yǎng)底物,降低菌劑生產(chǎn)成本的同時實現(xiàn)食品殘渣的處理,然而其擴繁效率尚未可知,有待進一步研究。

堆肥過程中碳素的轉(zhuǎn)化主要包括大分子有機質(zhì)的水解、CO2釋放和腐殖化以及厭氧產(chǎn)CH44 個過程。其中木質(zhì)纖維素等大分子物質(zhì)在胞外酶的作用下被逐漸分解為小分子物質(zhì),如還原糖、多酚等[12],小分子物質(zhì)一方面被微生物完全礦化生成CO2并排放到空氣中,另一方面可通過特定途徑聚合形成大分子腐殖質(zhì)(HS)[13],HS 對提高堆肥產(chǎn)品肥力和穩(wěn)定性具有重要作用[14],而在先進的堆肥方式和供氣策略下,CH4的排放可被有效避免[15]。目前,已有研究表明,外源微生物的接種量會影響微生物菌劑功能的有效發(fā)揮[16],而接種量與園林廢棄物堆肥過程中木質(zhì)纖維素的降解、CO2釋放以及HS 的形成之間的關(guān)系尚不清楚。因此,本研究以食品殘渣(蘋果渣、豆渣)為基質(zhì)進行木質(zhì)纖維素降解菌的擴繁,并探討了不同接種量對園林廢棄物堆肥過程中碳素轉(zhuǎn)化的影響,為實現(xiàn)微生物低成本擴繁、園林廢棄物高效堆肥以及多源廢棄物的協(xié)同處理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥試驗原料為園林廢棄物與餐廚垃圾,園林廢棄物(修剪后的樹枝和落葉)取自中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站,粉碎3～5 cm 后備用;餐廚垃圾取自于石家莊欒城縣城某飯店,蘋果渣通過新鮮蘋果榨汁后獲得,豆渣取自石家莊市欒城鎮(zhèn)小任家莊村豆腐坊。原材料的基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗材料的理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of the experimental materials

1.2 菌劑制備

微生物菌種:木質(zhì)纖維素降解菌株選用2 株耐高溫真菌,均從高溫期堆肥物料中篩選獲得,分別為草酸青霉(Penicillium oxalicum)和米曲霉(Aspergillus oryzae)。

發(fā)酵培養(yǎng)基:培養(yǎng)基Ⅰ選用常規(guī)工業(yè)碳氮源為底物,配方為葡萄糖20 g,蛋白胨5 g,蒸餾水1 L;培養(yǎng)基Ⅱ選用食品殘渣(蘋果渣、豆渣)作為碳氮組分,以食品殘渣中總糖替代葡萄糖,食品殘渣中的總氮替代蛋白胨,配方為蘋果渣300 g,豆渣100 g (鮮重計),碳酸鈣3 g,蒸餾水1 L,其中添加CaCO3是為了避免食品殘渣在發(fā)酵過程中產(chǎn)生過量有機酸,導(dǎo)致培養(yǎng)基pH 下降,從而影響微生物的生長,培養(yǎng)基經(jīng)121℃高溫滅菌21 min 后冷卻使用。

培養(yǎng)過程:將種子液按3%的比例分別接種于不同發(fā)酵培養(yǎng)基中,每種培養(yǎng)基設(shè)置3 組重復(fù),將培養(yǎng)基置于45 ℃,100 rpm 條件下?lián)u床培養(yǎng)72 h 后;每12 h 在無菌條件下取樣,取樣時采用滅菌的移液器吸取10 mL 樣品液置于滅菌的離心管中,后續(xù)進行活菌數(shù)、木聚糖酶、纖維素酶、木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶的測定。

1.3 堆肥試驗

堆肥試驗采用50 L 不銹鋼堆肥反應(yīng)器裝置進行。反應(yīng)器系統(tǒng)詳細(xì)描述參考文獻[17]。堆肥物料以園林廢棄物為主料,餐廚垃圾為輔料,園林廢棄物與餐廚垃圾按4∶1 比例充分混合(干重比),堆肥試驗共設(shè)置4 個處理:不添加菌劑的對照(CK),添加2%(2%IM)、4% (4%IM)、8% (8%IM)的菌劑處理,添加比例為每千克物料(干重計)所添加菌液的質(zhì)量(kg,鮮重計),添加菌劑為發(fā)酵培養(yǎng)基Ⅱ擴繁培養(yǎng)后所獲得的菌液。堆肥初始物料含水率調(diào)節(jié)至60%左右,通氣速率設(shè)置為0.2 L·min-1·kg-1(干物質(zhì)重),進行35 d的好氧堆肥試驗,并在堆肥第0 d、4 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d 進行翻堆取樣,翻堆時將堆肥物料進行人工混合,并采用多點取樣法進行取樣,每次采集樣品量為200 g,采集的樣品分為兩份,一份用于基本理化指標(biāo)的測定,另一份進行冷凍保存。

1.4 樣品分析

活菌數(shù)的測定采用平板計數(shù)法[18];木聚糖酶、纖維素酶活的測定參考文獻[19],酶活性單位(U)定義為1 min 分解底物生成1 μg 還原糖所用的酶量;木質(zhì)素降解相關(guān)酶活力測定(漆酶、錳過氧化物酶和木素過氧化物酶)活力測定參照田林雙[20]的方法,酶活力單位(U)為1 min 分解1 μmol 底物所使用的酶量。

堆肥溫度通過溫度傳感器實時檢測,溫度傳感器位于反應(yīng)器中心,每隔1 h 自動檢測堆體溫度;含水率通過105 ℃烘干法測得;采用流動分析儀(Vario TOC select,Elementar,Germany)測定堆肥浸提液中的可溶性有機碳(DOC)含量;CO2于每天上午10:00在堆肥反應(yīng)器出氣口處利用氣袋進行收集,并通過氣相色譜測定其濃度[17]。

部分堆肥樣品經(jīng)風(fēng)干后用于理化指標(biāo)的測定,其中有機質(zhì)(OM)的測定采用馬弗爐550 ℃灼燒法,灼燒后剩余部分為灰分含量;全氮(TN)含量采用凱氏定氮法測定;還原糖采用DNS 比色法測定[21];多酚測定方法參考文獻[22]。

木質(zhì)纖維素含量依據(jù)范式洗滌法原理[23],采用全自動纖維素分析儀測定;根據(jù)灰分守恒原理計算木質(zhì)纖維素的降解率,降解公式如下[24]:

實施欺凌行為在年級方面的差異表現(xiàn)為：除了“在網(wǎng)絡(luò)平臺惡意中傷他人、散播他人隱私、謠言”方面三個年級無顯著差異外，在其他的行為方面，三個年級均存在顯著差異，七年級發(fā)生的頻率顯著高于八年級，八年級發(fā)生的頻率顯著高于九年級，年級越低實施欺凌行為的頻率越高。

式中:l為木質(zhì)纖維素降解率(%),X1、X2為初始和最終灰分含量,C1、C2為初始和最終木質(zhì)纖維素含量。

腐殖質(zhì)(HS)含量及組分[腐殖酸(HA)和富里酸(FA)]測定采用絮凝容量法[23],腐殖化指數(shù)(HI)、聚合度(DP)、腐殖酸占比(PHA)計算公式如式3、式4 和式5 所示[12]:

式中:CHS為腐殖質(zhì)碳含量,CHA為腐殖酸碳含量,CFA為富里酸碳含量,TOC 為總有機碳含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進行試驗數(shù)據(jù)處理和圖表繪制,采用SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件進行顯著性和相關(guān)性分析,使用IBM SPSS Amos 26 軟件進行偏最小二乘法路徑模型分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)基對菌種擴繁及酶活力的影響

微生物菌種經(jīng)過72 h 的好氧擴繁后,有效活菌數(shù)均達到1010cfu·mL-1以上(表2),符合GB 20287-2006《農(nóng)用微生物菌劑》的標(biāo)準(zhǔn)(＞109cfu·mL-1),其中培養(yǎng)基Ⅱ的最終活菌數(shù)相較于培養(yǎng)基Ⅰ顯著增加46.2% (P＜0.05),表明食品殘渣(蘋果渣、豆渣)可有效代替常規(guī)碳、氮源,成為良好的微生物培養(yǎng)底物;同時食品殘渣中含有豐富的維生素和礦物質(zhì)[25-26],更有利于微生物的生長代謝。

木聚糖酶、纖維素酶、木質(zhì)素降解酶(漆酶、錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶)分別與半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解有關(guān)[27]。如表2 所示,培養(yǎng)基Ⅱ的木質(zhì)纖維素降解相關(guān)酶活均高于培養(yǎng)基Ⅰ,表明以食品殘渣(蘋果渣、豆渣)為底物更有利于各組分酶的分泌表達;蘋果渣、豆渣中均含有一定量的粗纖維成分[25-26],可作為微生物產(chǎn)生木質(zhì)纖維素相關(guān)酶的誘導(dǎo)底物[28],這在前人研究中也有所報道:如于俊杰等[29]以玉米秸稈為底物刺激木聚糖酶的產(chǎn)生;王曉芳等[28]以微晶纖維素為底物刺激纖維素酶的產(chǎn)生;畢楊等[30]以藜蘆醇為底物刺激木質(zhì)素過氧化物酶的產(chǎn)生等?？傮w而言,與傳統(tǒng)碳氮源相比,以食品殘渣為底物時更有利于菌體的生長以及木質(zhì)纖維素相關(guān)酶的產(chǎn)生,可降低微生物菌劑的生產(chǎn)成本,具備一定的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

表2 食品殘渣(蘋果渣、豆渣)代替常規(guī)碳、氮源(培養(yǎng)基 Ⅱ)對培養(yǎng)72 h 后菌液活菌數(shù)與酶活性的影響Table 2 Effect of food residues (apple pomace,soybean dregs) instead of conventional carbon and nitrogen sources (Medium Ⅱ) on the viable count and enzymatic activity of the broth after 72 h incubation

2.2 接種量對堆肥過程中木質(zhì)纖維素降解的影響

木質(zhì)纖維素降解在堆肥的碳素轉(zhuǎn)化過程中起關(guān)鍵作用,半纖維素/纖維素降解形成的單糖或寡糖是微生物代謝的主要碳源,木質(zhì)素降解形成的多酚是構(gòu)成腐殖質(zhì)的重要前體[31]。其中半纖維素為木質(zhì)纖維素組分中最易降解部分。在本研究中,半纖維素的降解發(fā)生于整個堆肥過程中(圖1A),接種處理(2%IM、4%IM、8%IM)加快了堆肥前期(7 d)半纖維素的降解,這與接種的菌劑具有較高的木聚糖酶活性有關(guān),堆肥結(jié)束后,各處理半纖維素的降解率為73.3%～78.6%。纖維素降解規(guī)律同半纖維素降解規(guī)律相似,如圖1B 所示,接種菌劑加速了整個堆肥過程中纖維素的降解,堆肥結(jié)束時,2%IM、4%IM、8%IM處理的纖維素降解率分別為66.6%、63.5%、69.3%,顯著高于CK (56.3%)處理(P＜0.05);接種菌劑可有效加快纖維素的降解,但接種量與纖維素降解率之間并未呈現(xiàn)一致性。木質(zhì)素是一種復(fù)雜的芳香族聚合物,是堆肥過程中最難降解的有機質(zhì)組分[27],如圖1C所示,堆肥過程木質(zhì)素的降解主要發(fā)生于堆肥后期,這主要由于前期微生物會優(yōu)先利用易降解有機質(zhì)組分;經(jīng)過35 d 的堆肥處理后,各處理的木質(zhì)素降解率分別為38.1% (CK)、44.7% (2%IM)、52.6% (4%IM)、66.2% (8%IM),接種處理顯著增加了木質(zhì)素的降解(P＜0.05),且接種量越高,木質(zhì)素降解率越高。總體來講,在本研究中,接種菌劑對促進木質(zhì)纖維素總量的降解具有明顯的正向效應(yīng)(圖1D),木質(zhì)纖維素總降解率可達58.7%～72.1%,其中2%IM、4%IM、8%IM處理木質(zhì)纖維素的降解率較CK 分別提高6.3%、9.2%、23.0% (P＜0.05),木質(zhì)纖維素總降解率隨著接種量的增加而逐步提高。

圖1 接種量對堆肥過程木質(zhì)纖維素降解的影響Fig.1 Effects of inoculum size on lignocellulose degradation during composting

2.3 接種量對堆肥過程中水溶性碳組分的影響

可溶性有機碳(DOC)含量與堆肥穩(wěn)定性和微生物活性密切相關(guān)[32]。堆肥過程中,大分子有機質(zhì)經(jīng)水解作用形成DOC,水解形成的DOC 可被微生物直接吸收利用以進行自身的繁殖代謝。如圖2a 所示,在堆肥前期,DOC 隨接種量的增加而下降,這是由于接種增加了前期微生物活性,導(dǎo)致大量DOC 被微生物消耗利用,這與Duan等[33]的研究結(jié)果相一致;而隨著堆肥的進行,DOC 含量逐漸下降并趨于穩(wěn)定,堆肥結(jié)束時,各處理DOC 含量穩(wěn)定在13 g·kg-1左右,達到堆肥穩(wěn)定化標(biāo)準(zhǔn)(＜17 g·kg-1)[24]。

圖2 接種量對堆肥過程水溶性碳組分的影響Fig.2 Effects of inoculum size on water-soluble carbon components during composting

還原糖與多酚作為木質(zhì)纖維素降解主要產(chǎn)物,是構(gòu)成腐殖質(zhì)的重要前體,同時是微生物可利用的重要能源物質(zhì)[34]。多酚與還原糖含量變化如圖2b和2c 所示,堆肥前期,二者含量在各處理中均下降,這主要由于前期微生物活性較強,導(dǎo)致過多的多酚與還原糖被降解利用[13];而在堆肥后期,8%IM 處理的多酚與還原糖含量明顯低于其他處理,這與其較高的木質(zhì)纖維素降解現(xiàn)象相矛盾,主要原因可能在于8%IM 處理的微生物活性較高,導(dǎo)致多酚與還原糖被完全礦化生成了CO2,這與CO2排放規(guī)律相符合。

2.4 接種量對堆肥過程中碳素礦化的影響

堆肥是涉及有機質(zhì)(OM)礦化與腐殖化相結(jié)合的過程,OM 含量是反映堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)[24],OM 含量的下降主要因礦化作用所導(dǎo)致。如圖3a 所示,4 個處理的初始OM 含量均在85%左右,隨著堆肥的進行,OM 含量逐漸下降,最終CK、2%IM、4%IM、8%IM 處理的OM 分別下降至72.6%、71.6%、74.2%和66.8%;其中8%IM 處理的OM 含量顯著低于其他處理(P＜0.05),表明接種量較高時會加速OM的礦化,從而增加OM 的損失,這在Duan等[33]研究中也有類似的報道;而4%IM 處理的OM 含量較CK處理有所增高,這與其腐殖化作用較強有關(guān),從而使碳素得到了固存。

圖3 接種量對堆肥過程中碳素礦化的影響Fig.3 Effect of inoculum size on carbon mineralization during composting

CO2排放量是反映有機質(zhì)礦化程度的直接標(biāo)準(zhǔn)[35],一般來講,堆肥初期易降解有機質(zhì)優(yōu)先被微生物降解利用,從而引起CO2的大量排放[36],本研究的試驗現(xiàn)象也符合這一規(guī)律(圖3b);而到堆肥后期,難降解有機質(zhì)成分占主導(dǎo)地位,微生物活性下降,CO2排放逐漸趨于穩(wěn)定,然而本研究中8%IM 處理堆肥后期的CO2排放量同樣出現(xiàn)明顯增加趨勢,表明過量接種同樣會增加難降解OM 的礦化程度;堆肥結(jié)束時,8%IM 處理的CO2累積排放量相較于CK、2%IM、4%IM 分別增加21.9%、22.3%、26.0%,這與OM 含量的變化相符合。

2.5 接種量對堆肥過程中腐殖化過程的影響

腐殖化是堆肥過程中固定碳素的重要途徑,腐殖質(zhì)(HS)含量決定了堆肥產(chǎn)品質(zhì)量和應(yīng)用潛力[37],HS 主要包含大分子腐殖酸(HA)和小分子富里酸(FA)兩種組分。如圖4a 所示,堆肥過程中各處理HS 含量均呈現(xiàn)先下降后緩慢增長的現(xiàn)象,這主要是由于初始原料中的HS 多為小分子的FA 組分,在堆肥高溫期被微生物大量降解利用[13],而到堆肥后期,小分子物質(zhì)通過不同途徑聚合形成HA,引起HS 含量的上升;堆肥結(jié)束時,CK、2%IM、4%IM、8%IM處理的HS 含量分別為103.5 g·kg-1、107.6 g·kg-1、117.2 g·kg-1、89.3 g·kg-1,其中4%IM 處理的HS 含量最高,表明適當(dāng)接種更有助于HS 的形成和保存。

圖4 接種量對堆肥過程中腐殖化的影響Fig.4 Effect of inoculum size on humification during composting

FA 的動態(tài)變化如圖4b 所示。各處理初始FA含量在90 g·kg-1左右,并在堆肥前14 d 內(nèi)被大量降解,最終穩(wěn)定在25 g·kg-1左右。與FA 變化規(guī)律相反,HA 含量在堆肥后期逐漸上升(圖4c),其中4%IM 處理的HA 含量最終達91.3 g·kg-1,相較于CK、2%IM 和8%IM 處理分別提高了24.9%、10.7%和35.8%,接種一定量的菌劑加速了木質(zhì)纖維素降解形成腐殖酸前體物并聚合形成HA,而過量接種(8%IM)雖更能增加木質(zhì)纖維素的降解,然而形成的前體物更多地被微生物完全礦化生成了CO2,多酚、還原糖以及CO2的變化規(guī)律也證實了這一觀點。

腐殖化指數(shù)(HI)、聚合度(DP)和腐殖酸占比(PHA)能夠準(zhǔn)確地反映堆肥腐殖化程度[13],其中,HI代表HA 占TOC 的比例,HI 的上升表明有機碳發(fā)生了強烈的腐殖化作用[12]。堆肥結(jié)束時,2%IM (19.9%)、4%IM (21.2%)處理的HI 顯著高于CK (17.4%)和8%IM(17.4%)處理(P＜0.05),且以4%IM 處理最佳(圖4d),說明4%接種更有利于碳素向腐殖化過程的流動;DP、PHA 分別代表HA/FA 與HA/HS 的比值,DP、PHA 的增加象征著HS 組分復(fù)雜性與穩(wěn)定性的增強[12]。與CK 相比,接種處理(2%IM、4%IM、8%IM)的DP、PHA 值均顯著提高(P＜0.05) (圖4e,f)。這些結(jié)果表明接種更有助于堆肥產(chǎn)品的成熟性和穩(wěn)定性。

2.6 接種量對堆肥碳素轉(zhuǎn)化途徑的影響

本研究利用偏最小二乘路徑模型對堆肥過程碳素轉(zhuǎn)化路徑進行了更加直觀清晰的分析,如圖5 所示。接種菌劑增加了木質(zhì)纖維素(Lce)對DOC 的影響,表明接種有利于木質(zhì)纖維素降解形成DOC,且接種量越高,影響效果越明顯;而在DOC 向HA 和CO2的轉(zhuǎn)化途徑中,8%IM 處理DOC 與CO2的相關(guān)性更高(r=-0.93),進一步說明過量接種引起較高的微生物代謝活性,微生物為維持自身的代謝而分解利用HA 前體,加速了碳的完全礦化;而4%IM 處理能夠提高DOC 向HA 的定向轉(zhuǎn)化,增加堆肥中HA 的含量;此外,CK 處理中DOC 向HA 轉(zhuǎn)化同樣具有較高的相關(guān)系數(shù)(-0.87),這說明常規(guī)堆肥過程中木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物可有效進入到腐殖化途徑,而木質(zhì)纖維素降解率是影響腐殖化進行的限制因素。由此可見,接種微生物有利于破除因木質(zhì)纖維素降解困難而導(dǎo)致堆肥腐殖化程度較低的難題,而接種量會影響微生物菌劑功能的有效發(fā)揮,適量接種有助于Lce向HA 的定向轉(zhuǎn)化。

圖5 接種量對堆肥碳素轉(zhuǎn)化途徑的影響Fig.5 Effects of inoculum size on carbon conversion pathway during composting

3 討論

3.1 接種量對堆肥木質(zhì)纖維素組分降解的差異分析

好氧堆肥的實質(zhì)為微生物主導(dǎo)的碳氮轉(zhuǎn)化過程,微生物作為主要的驅(qū)動者,其代謝活性決定了碳素的轉(zhuǎn)化效率和方向[38]。大量研究表明,接種外源微生物可促進木質(zhì)纖維素的降解[9-11],本研究發(fā)現(xiàn)接種菌劑對堆肥過程中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的降解呈現(xiàn)不同的影響效果。接種菌劑并未明顯提高半纖維素的降解率,這主要由于半纖維素結(jié)構(gòu)簡單,易被微生物降解利用[27],而經(jīng)過35 d 的好氧堆肥處理后,堆體中的土著微生物可完全將半纖維素降解至穩(wěn)定水平。Serramiá等[39]在進行橄欖廢棄物堆肥過程中也發(fā)現(xiàn)半纖維素的降解主要發(fā)生在前6 周,隨后降解逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。因此,無論是否接種,堆肥過程中半纖維素均具有較高的降解水平,接種菌劑僅是加快了前期半纖維素降解速率,并未影響半纖維素的降解總量。而針對纖維素來講,接種菌劑可有效加快纖維素的降解,但接種量對纖維素的降解并無明顯影響。這可能由于青霉菌和曲霉菌具有較高的纖維素降解能力[40],Tian等[41]在進行中藥渣堆肥試驗時也發(fā)現(xiàn)曲霉菌在纖維素的降解過程中起主要作用;同時本研究在利用食品殘渣進行菌種擴繁后,活菌數(shù)與酶活性均有了明顯提高;因此,僅需少量接種即可將纖維素降解至穩(wěn)定水平。接種量與木質(zhì)素的降解呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,表明堆體土著微生物對木質(zhì)素的降解作用較弱,接種功能菌劑可增加木質(zhì)素降解相關(guān)微生物數(shù)量和酶活,加快堆肥過程木質(zhì)素的降解,這在Hu等[42]的堆肥研究中均得到證實。

因此,接種量對各組分降解的影響效果為:木質(zhì)素＞纖維素＞半纖維素,且接種量越大,對難降解組分的降解促進效果越為明顯,表明外源微生物接種更側(cè)重于完成堆體土著微生物難以完成的工作,然而其前提是需保證外源接種的微生物對木質(zhì)纖維素各組分均具有一定的降解能力。前人研究中也發(fā)現(xiàn)相似的現(xiàn)象,Hu等[42]在菌渣堆肥過程接種木質(zhì)纖維素降解菌群,發(fā)現(xiàn)半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解率分別提高8.8%、19.6%和34.5%,接種復(fù)合菌劑對木質(zhì)素的降解效果提升更加明顯。

3.2 接種量對堆肥碳素轉(zhuǎn)化途徑的差異分析

堆肥過程中菌劑接種量一般在0.05%～5%,最高可達10%[16],這取決于菌劑的質(zhì)量、接種時間以及堆肥物料的類型。接種量對碳素轉(zhuǎn)化的影響至關(guān)重要,接種量過低不利于外源菌劑的定殖從而使其難以發(fā)揮相應(yīng)功能,接種量過高有助于提高微生物代謝,然而較高的微生物活性易引起有機質(zhì)的過量礦化,降低堆肥腐熟程度[43]。Duan等[33]在探討不同枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)接種量(0.5%、1%、2%)對牛糞堆肥過程中的碳素轉(zhuǎn)化的影響發(fā)現(xiàn),過量接種(2%)加速了CO2的排放,不利于碳素的固持和腐殖化的進行;勞德坤等[44]探討了不同復(fù)合菌劑接種量(1%、3%、5%)對蔬菜廢棄物堆肥的影響,發(fā)現(xiàn)接種量為3%時堆肥腐熟程度最高。而本研究探討了不同真菌(青霉菌、曲霉菌)接種量對園林廢棄物堆肥碳素轉(zhuǎn)化的影響,過量接種標(biāo)準(zhǔn)(8%)與前人研究結(jié)果存在一定差異,除因菌種不同外,主要由于本研究堆肥原料為園林廢棄物,其惰性有機質(zhì)成分含量較高,因此需要較高的接種量才可達到相應(yīng)效果。本研究結(jié)果表明4%接種量有助于園林廢棄物堆肥過程中木質(zhì)纖維素向HA 的定向轉(zhuǎn)化。但不同菌劑針對不同廢棄物堆肥的接種標(biāo)準(zhǔn)有待進一步研究,本研究為優(yōu)化園林廢棄物堆肥接種工藝、提高HA 含量和減少CO2排放提供理論支持。

4 結(jié)論

本研究利用食品殘渣(蘋果渣、豆渣)擴繁木質(zhì)纖維素降解菌,擴繁產(chǎn)品活菌數(shù)可達3.7×1010cfu·mL-1,符合GB 20287-2006《農(nóng)用微生物菌劑》的標(biāo)準(zhǔn)(＞109cfu·mL-1),活菌數(shù)較常規(guī)培養(yǎng)基顯著增加了46.2% (P＜0.05),且木質(zhì)纖維素降解酶活性較常規(guī)培養(yǎng)基也均有顯著提高(P＜0.05)。將擴繁菌劑接種于園林廢棄物堆肥中可有效加速木質(zhì)纖維素的降解,其中,8%接種量(8%IM)最有利于木質(zhì)纖維素的降解(降解率為72.14%),但同時也增加了碳素的礦化,不利于腐殖化作用的進行;而4%IM 處理加快木質(zhì)纖維素降解形成腐殖酸前體物的同時促進了腐殖酸(91.3 g·kg-1)的形成,減少了堆肥過程碳素?fù)p失,并提高了堆肥產(chǎn)品腐熟程度。本研究為園林廢棄物高效堆肥以及多源廢棄物的協(xié)同處理提供理論依據(jù)。