堆肥低溫啟動(dòng)菌劑的研制與效果評(píng)價(jià)

楊明珠,許歡歡,郭傳旭,夏燕維,繆有志,鄭樹(shù)林,張瑞福① (.江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 0095;.菏澤金正大生態(tài)工程有限公司,山東 菏澤 70000)

農(nóng)業(yè)固體廢棄物指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物,包括作物秸稈和畜禽糞便等,主要由糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、無(wú)機(jī)鹽、淀粉和纖維素等組成,是重要的可再生資源[1-2]。我國(guó)農(nóng)業(yè)固體廢棄物年產(chǎn)量已達(dá)50億t以上[3],其中,畜禽糞便綜合利用率不足60%[4]。廢棄物大量堆積,不但造成資源浪費(fèi),而且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

好氧堆肥是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效途徑之一,可實(shí)現(xiàn)資源化再利用[5]。溫度是影響堆肥進(jìn)程的重要參數(shù)之一[6],起爆階段指堆體溫度經(jīng)歷的一個(gè)環(huán)境溫度升高的階段,這一階段對(duì)于微生物大量繁殖及啟動(dòng)堆肥反應(yīng)有著重要意義[7-8]。在我國(guó)冬季,尤其是北方地區(qū),持續(xù)低溫長(zhǎng)達(dá)4～6個(gè)月,這段時(shí)間內(nèi)堆肥反應(yīng)啟動(dòng)困難,堆肥周期長(zhǎng),病原微生物難以有效殺滅,大大降低了堆肥效率,限制了堆肥技術(shù)的應(yīng)用推廣。

迄今為止,關(guān)于堆肥低溫微生物菌劑的研究多聚焦于低溫纖維素菌的篩選應(yīng)用。然而,堆肥過(guò)程中木質(zhì)纖維素等物質(zhì)主要在高溫期被降解利用,此時(shí)接種的低溫菌大多已經(jīng)因?yàn)楦邷囟菝?甚至失活。適冷微生物憑借獨(dú)特的適低溫機(jī)制能夠在寒冷環(huán)境中正常生長(zhǎng)代謝,在0～20 ℃之間仍具有較高活性[9],與冬季堆肥的環(huán)境溫度大致相同。接種適冷菌將加快低溫條件下堆肥的起爆過(guò)程。已有研究表明在堆肥中接種微生物菌劑,可以有效增加堆體中活菌數(shù),加速有機(jī)物的分解[10]。SUN等[11]利用在低溫雞糞反應(yīng)堆中篩選得到的節(jié)桿菌、嗜冷桿菌和肺炎桿菌構(gòu)建低溫復(fù)合菌劑并將其應(yīng)用于低溫雞糞堆肥中,表明適冷微生物可以通過(guò)改變雞糞堆肥菌群結(jié)構(gòu)和提高相關(guān)酶活性來(lái)促進(jìn)堆肥快速升溫。

因此,筆者研究側(cè)重于選擇能在堆肥初期分解蛋白、淀粉等小分子碳氮源的功能菌,復(fù)配低溫堆肥復(fù)合微生物菌劑。該研究選擇4株分離于南極土壤中的菌株,對(duì)其低溫生長(zhǎng)條件和產(chǎn)酶特性進(jìn)行測(cè)定,根據(jù)測(cè)定結(jié)果選擇其中3株復(fù)配復(fù)合菌劑,并進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)室條件下評(píng)估菌劑低溫堆肥起爆效果。最終,將復(fù)合菌劑應(yīng)用于有機(jī)肥廠冬季雞糞堆肥生產(chǎn)中,并將其與市售堆肥菌劑進(jìn)行對(duì)比,探究添加復(fù)合菌劑對(duì)堆肥起爆及腐熟效果的影響,以期為低溫條件下農(nóng)業(yè)固體廢棄物堆肥提供技術(shù)和產(chǎn)品支撐。

1 材料與方法

1.1 供試菌株

從中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心(CCTCC)檢索獲得4株分離自南極、具有低溫產(chǎn)酶能力的候選菌株:邊緣假單胞菌MP-1(Pseudomonasmarginalis)、蠟樣芽孢桿菌BC-2(Bacilluscereus)、硬結(jié)節(jié)桿菌AS-3(Arthrobacterscleromae)和水稻節(jié)桿菌AO-4(Arthrobacteroryzae),這4個(gè)菌株最低培養(yǎng)溫度均為4 ℃。以市售堆肥接種劑(主要包含酵母菌和乳酸菌)作為對(duì)照。

1.2 候選菌株生長(zhǎng)特性分析

根據(jù)堆肥起爆階段微生物主要利用物料中小分子有機(jī)物質(zhì)的特點(diǎn),以低溫生長(zhǎng)、產(chǎn)酶和堆肥原料浸出物利用能力為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)菌株進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)菌株最適生長(zhǎng)溫度。在150 mL三角瓶中添加25 mL LB液體培養(yǎng)基,按照體積分?jǐn)?shù)為1%分別接種D600=1條件下的4株菌的菌懸液,搖床設(shè)置不同溫度(5～35 ℃,每5 ℃為1個(gè)梯度),按170 r·min-1振蕩培養(yǎng)過(guò)夜(12 h),測(cè)定菌株在600 nm波長(zhǎng)處光密度(D600),通過(guò)D600值確定菌株最適生長(zhǎng)溫度。

(2)菌株酸堿、鹽濃度適應(yīng)性。在150 mL三角瓶中加入25 mL LB 液體培養(yǎng)基,培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同pH(4～9,每0.5為1個(gè)梯度),按照體積分?jǐn)?shù)為1%分別接種D600為1的4株菌的菌懸液。調(diào)節(jié)培養(yǎng)基NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～4%測(cè)定鹽脅迫適應(yīng)性。于搖床25 ℃、170 r·min-1條件下振蕩培養(yǎng)過(guò)夜(12 h),測(cè)定菌株D600值。

(3)菌株15 ℃生長(zhǎng)曲線。采用Bioscreen C 生長(zhǎng)曲線儀測(cè)定菌株在15 ℃條件下生長(zhǎng)曲線。首先,將4株菌分別培養(yǎng)至D600為1情形下,吸取100 μL菌懸液于2 mL無(wú)菌離心管中,按3 000 r·min-1離心5 min后用無(wú)菌水清洗菌體2次,然后用LB液體培養(yǎng)基定容至2 mL。吸取200 μL菌液至孔板中,每個(gè)菌株10個(gè)孔,將孔板置于生長(zhǎng)曲線儀中進(jìn)行生長(zhǎng)曲線測(cè)定。

1.3 菌株產(chǎn)蛋白酶特性測(cè)定

蛋白酶活性指在一定溫度和pH條件下,每分鐘水解酪蛋白生產(chǎn)1 mg酪氨酸所需酶的量,將其定義為1個(gè)酶活單位(U)。蛋白酶活性測(cè)定采用福林酚法[12]。

發(fā)酵時(shí)間對(duì)菌株產(chǎn)蛋白酶的影響。將菌株在LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)至D600為1情形下,然后按照體積分?jǐn)?shù)為1%的接種量將菌懸液接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中,在25 ℃、170 r·min-1條件下培養(yǎng)48 h,每隔6 h取1次樣品,測(cè)定蛋白酶活性。

溫度對(duì)菌株產(chǎn)蛋白酶活性的影響。將菌株分別按照體積分?jǐn)?shù)為1%的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中,設(shè)置系列溫度梯度為5～40 ℃(每5 ℃為1個(gè)梯度)按170 r·min-1培養(yǎng)24 h,然后于40 ℃條件下測(cè)定蛋白酶活性。

菌株產(chǎn)蛋白酶的最適反應(yīng)溫度。將粗酶液與酪蛋白混合后置于不同溫度(5～30 ℃區(qū)間,以每5 ℃ 為1個(gè)梯度)條件下反應(yīng)10 min;然后于相應(yīng)的反應(yīng)溫度條件下測(cè)定蛋白酶活性。

1.4 堆肥起爆復(fù)合菌劑的制備

根據(jù)候選菌株的性狀評(píng)價(jià)情況,選取邊緣假單胞菌MP-1、硬結(jié)節(jié)桿菌AS-3和水稻節(jié)桿菌AO-4按照2∶1∶1混合復(fù)配復(fù)合菌液(IM復(fù)合菌劑),接種前確保有效活菌數(shù)≥109cfu·mL-1。

1.5 起爆復(fù)合菌劑利用堆肥原料浸提液的生長(zhǎng)試驗(yàn)

供試雞糞堆肥原料由浙江原起生態(tài)科技有限公司提供,茶粕堆肥原料由湖南益陽(yáng)某有機(jī)肥廠提供,中藥渣堆肥原料由姜堰禾喜生物科技有限公司提供。將800 g物料與20 L水混合,浸泡12 h,先用紗布過(guò)濾固體物質(zhì),再采用貝德曼離心機(jī)按 10 000 r·min-1離心10 min,取濾液進(jìn)行抽濾,最后,用0.22 μm孔徑水系無(wú)菌濾膜過(guò)濾3次,直至濾液涂布無(wú)菌。用無(wú)菌水將各菌液中菌落數(shù)調(diào)節(jié)一致,均為106cfu·mL-1,按照體積分?jǐn)?shù)為1%接種量將其接種于50 mL浸提液中,于15 ℃、170 r·min-1條件下發(fā)酵24 h。試驗(yàn)設(shè)置雞糞浸提液處理(JF)、中藥渣浸提液處理(ZYZ)和茶粕浸提液處理(CP),分別設(shè)置不接菌處理為對(duì)照,計(jì)數(shù)菌株生長(zhǎng)量,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.6 堆肥低溫起爆復(fù)合菌劑的冬季雞糞堆肥試驗(yàn)

堆肥試驗(yàn)時(shí)間為2021年12月至2022年1月,在浙江原起生態(tài)科技有限公司建德有機(jī)肥生產(chǎn)基地進(jìn)行。以雞糞木屑混合物進(jìn)行堆肥(表1),將堆肥原料起始質(zhì)量含水率調(diào)至65%,C/N比值為(35～40)∶1,溫度為冬季自然氣溫,堆體長(zhǎng)×寬×高為9 m×5 m×1.3 m。試驗(yàn)設(shè)置接種堆肥低溫起爆復(fù)合菌劑(IM)和對(duì)照(control,接種市售常規(guī)堆肥菌劑)2個(gè)處理。復(fù)合菌劑先用秸稈粉末吸附,再按照3.5‰質(zhì)量比分層鋪勻接種。

表1 堆肥原料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of compost raw materials

1.7 低溫堆肥理化性質(zhì)的測(cè)定

1.7.1堆體溫度測(cè)定及樣品采集

在每天9:00和14:00,采用金屬溫度計(jì)測(cè)定堆體上(10～20 cm)、中(50～60 cm)和下層(90～100 cm)溫度,每層隨機(jī)測(cè)定5個(gè)點(diǎn),同時(shí)記錄當(dāng)天兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)環(huán)境溫度,取平均溫度作為堆體溫度。采用上、中、下多高度剖面等量取樣法,將樣品混合均勻,用四分法最終保留1.5 kg。一部分樣品自然風(fēng)干,參照NY 525—2022《有機(jī)肥料》粉碎過(guò)篩[13];一部分保存在4 ℃冰箱中用于后續(xù)分析。

1.7.2含水率和pH的測(cè)定

采用105 ℃烘干法測(cè)定新鮮樣品含水率。按照m(新鮮樣品)∶V(去離子水)=1∶10比例混合后,將混合物放置在水平搖床上振蕩2 h,靜置20 min,用pH計(jì)測(cè)定pH。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次,取平均值。

1.7.3全碳(TC)、全氮(TN)含量和碳氮比的測(cè)定

對(duì)于風(fēng)干、粉碎后過(guò)15 mm孔徑篩的堆肥樣品,準(zhǔn)確稱取10～11 mg,裝入石英干燒管內(nèi),采用碳、氮元素自動(dòng)分析儀(Vario EL,Germany)測(cè)定全氮和全碳含量。試驗(yàn)所測(cè)碳氮比由全碳、全氮含量測(cè)定結(jié)果計(jì)算得出。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次后取平均值。

1.7.4全磷(TP)和全鉀(TK)含量的測(cè)定

將樣品進(jìn)行風(fēng)干、粉碎處理并過(guò)0.85 mm孔徑篩后,使用濃H2SO4-H2O2消煮,采用Agilent710 ICP-OES電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測(cè)定全磷含量(n1,%)和全鉀含量(n2,%)。n1=0.5X1×100/M,n2=0.5X2×100/M,其中,M為樣品質(zhì)量,g;X1和X2為對(duì)應(yīng)儀器測(cè)得數(shù)值。

1.7.5銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的測(cè)定

按照m(新鮮樣品)∶V(去離子水)=1∶10比例混勻后,于搖床振蕩24 h后,離心取上清液過(guò)0.45 μm孔徑水系濾膜,用連續(xù)流動(dòng)分析儀Auto Analyzer 3測(cè)定,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次,取平均值。

1.7.6種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的測(cè)定

按照m(新鮮樣品)∶V(去離子水)=1∶10比例混合,將混合物裝入50 mL離心管中,于搖床中振蕩2 h,離心,取3 mL過(guò)濾液加入鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中,濾紙潤(rùn)濕充分,在濾紙上放置20粒白菜種子,設(shè)置清水處理為空白對(duì)照。將培養(yǎng)皿在25 ℃條件下恒溫培養(yǎng)48 h,測(cè)定種子根長(zhǎng)并計(jì)算萌發(fā)率,每個(gè)樣品設(shè)置5個(gè)重復(fù),取平均值。Ig=(Rs×ls)/(Rc×lc)×100%,其中,Ig為發(fā)芽指數(shù);Rs為樣品發(fā)芽率;ls為樣品根長(zhǎng);Rc為對(duì)照發(fā)芽率;lc為對(duì)照根長(zhǎng)。

1.8 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,采用GraphPad Prism 8繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 候選菌株生長(zhǎng)特征

菌株分解堆肥原料中易分解有機(jī)物釋放熱量是堆體熱量的主要來(lái)源,低溫條件下生長(zhǎng)旺盛的微生物更易產(chǎn)生熱量促進(jìn)低溫條件下堆肥起爆過(guò)程。溫度適應(yīng)性測(cè)定結(jié)果(圖1)顯示,MP-1和AS-3最適溫度均為30 ℃,BC-2和AO-4最適溫度均為25 ℃。菌株在15 ℃時(shí)的生長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖1,菌株MP-1和AO-4生長(zhǎng)趨勢(shì)較為相似,在0～15 h時(shí),菌株數(shù)量呈指數(shù)生長(zhǎng),之后繼續(xù)生長(zhǎng)達(dá)到平臺(tái)期后逐漸趨于穩(wěn)定;菌株BC-2和AS-3生長(zhǎng)趨勢(shì)相似,均在0～20 h內(nèi)呈指數(shù)增長(zhǎng)后逐漸趨于穩(wěn)定。由圖1可知,4個(gè)菌株在pH為5.0～9.0之間時(shí)都具有較高活性,最適pH為6.5～7.5;鹽濃度在0.5%～1.5%之間時(shí)菌株均可較好生長(zhǎng),當(dāng)鹽濃度繼續(xù)升高超過(guò)2.5%時(shí)菌株生長(zhǎng)受到抑制。

圖1 菌株生長(zhǎng)曲線及環(huán)境條件對(duì)菌株生長(zhǎng)的影響Fig.1 Strain growth curve and the influence of environmental conditions on strain growth

2.2 候選菌株產(chǎn)蛋白酶特性

蛋白酶產(chǎn)生能力在一定程度上反映了菌株對(duì)堆肥原料中易利用物質(zhì)的分解能力。由圖2可知,在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi),候選菌株蛋白酶活性均呈先上升后下降,菌株MP-1、BC-2和AO-4的變化趨勢(shì)相似,在24 h時(shí)產(chǎn)酶達(dá)到峰值,分別為82.1、43.7和80.3 U·mL-1;菌株AS-3在發(fā)酵培養(yǎng)12 h時(shí)酶活性達(dá)到最高(64.3 U·mL-1)。菌株MP-1、BC-2、AS-3和AO-4產(chǎn)蛋白酶的最適溫度分別為25、35、30和25 ℃(圖3)。4個(gè)株菌所產(chǎn)蛋白酶在不同溫度下的催化活性見(jiàn)圖4,菌株MP-1、AS-3和AO-4所產(chǎn)蛋白酶在10 ℃時(shí)相對(duì)酶活性可達(dá)50%以上,在所設(shè)定溫度范圍內(nèi),酶活性最適溫度均在20～30 ℃之間;在40 ℃時(shí)酶活性下降。菌株BC-2在20 ℃以下酶活性相對(duì)較弱,20～30 ℃之間快速上升,40 ℃時(shí)達(dá)到峰值。

圖2 菌株產(chǎn)蛋白酶的時(shí)間曲線Fig.2 Time course of the protease production of strain

圖3 菌株產(chǎn)蛋白酶的最適溫度Fig.3 Optimum temperature for the production of protease

同一組柱子上方英文小寫字母不同表示同一菌株酶活性在不同溫度之間差異顯著(P<0.05)。圖4 不同菌株產(chǎn)蛋白酶的最適反應(yīng)溫度Fig.4 Optimum temperature for production of proteases with different strains

2.3 菌劑的復(fù)配及其對(duì)堆肥浸提液的利用

根據(jù)以上測(cè)定結(jié)果,菌株MP-1、AS-3和AO-4在低溫環(huán)境下均具有較好長(zhǎng)勢(shì),適合大多數(shù)堆肥初始材料的pH環(huán)境;這3個(gè)菌株均可在低溫下分泌蛋白酶,且在低溫下具有較強(qiáng)催化活性。其中,MP-1低溫繁殖能力最強(qiáng)。根據(jù)MARGESIN等[14]和陳秀蘭等[15]對(duì)低溫蛋白酶的定義,上述蛋白酶屬于低溫蛋白酶,而菌株BC-2產(chǎn)蛋白酶活性相對(duì)較弱。因此,選取菌株MP-1、AS-3和AO-4進(jìn)行復(fù)配,將各菌液活菌株數(shù)調(diào)節(jié)至106cfu·mL-1;分別設(shè)置MP-1、AS-3和AO-4菌液體積比為2∶1∶1和 1∶1 ∶1進(jìn)行混合培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)前者生長(zhǎng)(菌液更渾濁)比后者更快,因此,后續(xù)試驗(yàn)將MP-1、AS-3和AO-4菌液按體積比為2∶1∶1進(jìn)行復(fù)配。

菌株在不同浸提液中的生長(zhǎng)情況,反映了菌劑利用堆肥物料中可溶性有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖的能力。如圖5所示,在中藥渣、雞糞浸提液中,菌株MP-1、AS-3和AO-4都具有較好的生長(zhǎng)能力,其中,中藥渣浸提液中3者活菌數(shù)分別達(dá)到7.34×109、6.40×109和4.72×109cfu·mL-1;在雞糞浸提液中3者活菌數(shù)分別達(dá)到9.73×109、6.81×109和7.22×109cfu·mL-1;在茶粕堆肥浸提液中3個(gè)菌株長(zhǎng)勢(shì)均較差,菌株MP-1、AS-3和AO-4數(shù)量分別為2.6×106、3.0×106和9×105cfu·mL-1。

圖5 單菌及復(fù)合菌劑在不同堆肥浸提液中的生長(zhǎng)情況Fig.5 Growth of individual strain and bacterial consortia in different compost extracts

復(fù)合菌劑IM在中藥渣、雞糞和茶粕浸提液中低溫發(fā)酵24 h后活菌數(shù)分別達(dá)到1.04×1010、1.41×1010和3.6×106cfu·mL-1,在雞糞浸提液中繁殖能力最強(qiáng),茶粕浸提液中最弱,但均強(qiáng)于單菌,這可能是因?yàn)榫攴置诖x產(chǎn)物產(chǎn)生協(xié)同作用。

2.4 低溫起爆菌劑對(duì)冬季堆肥的影響效果評(píng)價(jià)

如圖6所示,在整個(gè)堆肥過(guò)程中,環(huán)境溫度維持在3～12 ℃。在堆肥初始,2個(gè)堆體溫度為(8±1.5) ℃;在起爆階段,IM處理平均升溫速度為19.4 ℃·d-1(0～3 d),對(duì)照組平均升溫速度為15.84 ℃·d-1(0～3 d);IM處理第2天達(dá)到高溫期(57.3 ℃),在高溫期維持17 d,對(duì)照組第5天達(dá)到高溫期(58.2 ℃),維持13 d。

圖6 堆肥過(guò)程中的溫度變化Fig.6 Variations of temperature during the composting

堆肥過(guò)程中堆體含水率和pH變化見(jiàn)圖7,2個(gè)堆體初始含水率在67%～71%之間,堆肥過(guò)程中含水率呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),最終,IM和對(duì)照處理含水率分別達(dá)到24.3%和30.2%,符合NY 525—2022的標(biāo)準(zhǔn)[13]。堆體初始pH均在7.8～8.1范圍內(nèi),堆肥過(guò)程中均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),至堆肥35 d時(shí),IM組和對(duì)照組pH分別達(dá)到8.0和8.2,略高于初始值。在堆肥初期(0～10 d)IM的pH呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì),pH值達(dá)到最高值(9.2)。

采用t檢驗(yàn)比較IM與對(duì)照之間的差異顯著性,“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01。圖7 堆肥過(guò)程中含水率和pH變化Fig.7 Variations of water content and pH during composting

堆肥過(guò)程中IM處理和對(duì)照全氮含量都呈現(xiàn)先下降再上升趨勢(shì)。在堆肥初始,IM和對(duì)照組w(全氮)分別為14.95和14.98 g·kg-1,至堆肥結(jié)束時(shí)分別達(dá)到19.3和20.6 g·kg-1。IM和對(duì)照組C/N都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在堆肥35 d時(shí),IM和對(duì)照組分別達(dá)到14.2和16.5。其中,IM下降幅度更大,與初期相比下降17.2,對(duì)照組則下降15.3(圖8)。

采用t檢驗(yàn)比較IM與對(duì)照之間的差異顯著性,“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01,“***”表示P<0.001。圖8 堆肥過(guò)程中全氮(TN)含量和碳氮比(C/N)變化Fig.8 Variations of total nitrogen (TN) content and C/N during composting

堆肥過(guò)程中TP和TK的釋放與穩(wěn)定直接影響堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。如圖9所示,隨著堆肥時(shí)間的增加,IM和對(duì)照TP和TK含量都呈上升趨勢(shì);IM和對(duì)照組初始TP含量分別為1.65%和1.64%,至堆肥35 d時(shí)上升至3.97%和3.70%;IM和對(duì)照組TK含量分別由初始的3.51%、3.63%上升到7.78%、7.04%。

采用t檢驗(yàn)比較IM與對(duì)照之間的差異顯著性,“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01。圖9 堆肥過(guò)程中全鉀(TK)和全磷(TP)含量變化Fig.9 Variations of total potassium (TK) and total phosphorus (TP) content in each treatment during composting

IM處理和對(duì)照堆體中銨態(tài)氮含量均呈先上升后下降趨勢(shì)(圖10)。在堆肥初始IM處理和對(duì)照銨態(tài)氮含量在40.1～53.2 mg·L-1之間,IM處理在堆肥10 d時(shí)達(dá)到峰值(118.3 mg·L-1),對(duì)照在15 d時(shí)達(dá)到峰值(112.1 mg·L-1);堆肥35 d時(shí),IM和對(duì)照銨態(tài)氮含量較初始值分別下降79.1%和69.7%。硝態(tài)氮含量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中,堆肥初期上升速率更快,到后期逐漸變緩;堆肥初始2個(gè)堆體硝態(tài)氮含量在0.58～0.68 mg·L-1之間,堆肥結(jié)束時(shí)IM和對(duì)照硝態(tài)氮含量分別達(dá)到5.3和5.7 mg·L-1。

采用t檢驗(yàn)比較IM與對(duì)照之間的差異顯著性,“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01,“***”表示P<0.001。圖10 堆肥過(guò)程中銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量變化Fig.10 Variations of ammonium nitrogen (NH4+-N) and nitrate nitrogen (NO3--N) during composting

2.5 低溫起爆菌劑對(duì)冬季工廠堆肥發(fā)芽指數(shù)的影響

腐熟度是判斷堆肥質(zhì)量的重要指標(biāo),為了評(píng)價(jià)低溫起爆菌劑IM對(duì)冬季堆肥腐熟度的作用效果,利用種子發(fā)芽率對(duì)處理和對(duì)照堆肥腐熟度進(jìn)行評(píng)價(jià)。堆肥過(guò)程中2個(gè)堆體發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),堆肥35 d時(shí)IM和對(duì)照發(fā)芽指數(shù)分別為93.3%和83.1%(圖11),均已達(dá)到有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12];堆肥后期,處理組種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于對(duì)照(P<0.05)。這說(shuō)明低溫起爆菌劑IM能有效提高冬季堆肥效率和腐熟度。

采用t檢驗(yàn)比較IM與對(duì)照之間的差異顯著性,“*”表示P<0.05,“**”表示P<0.01。圖11 種子萌發(fā)指數(shù)變化Fig.11 Variations of seed germination index (GI)

3 討論

針對(duì)我國(guó)冬季堆肥起爆困難、腐熟周期長(zhǎng)和堆肥技術(shù)推廣受限這一實(shí)際問(wèn)題,筆者對(duì)從極地環(huán)境中分離的4株適冷微生物生長(zhǎng)特性進(jìn)行測(cè)定并復(fù)配了低溫堆肥起爆菌劑。菌株在不同浸提液中的生長(zhǎng)情況,反映了菌株利用堆肥物料中可溶性有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖的能力,3個(gè)菌株在雞糞、中藥渣堆肥物料浸提液中長(zhǎng)勢(shì)較好,說(shuō)明3株起爆菌可利用堆肥物料中的可溶性有機(jī)物來(lái)滿足自身生長(zhǎng)需要。IM復(fù)合發(fā)酵液在浸提液中的生長(zhǎng)速度顯著高于單菌,可能是因?yàn)閱我晃⑸镫y以適應(yīng)復(fù)雜多樣的堆肥環(huán)境并充分降解物料中的養(yǎng)分物質(zhì)。何宙陽(yáng)等[16]研究表明,將芽孢桿菌、嗜熱絲孢菌和嗜熱芽孢桿菌B5復(fù)配成復(fù)合菌劑,與單菌降解雞糞、豬糞以及產(chǎn)酶能力相比,復(fù)合菌劑能力顯著增強(qiáng),筆者研究結(jié)果與之一致。筆者研究中不同堆肥原料的對(duì)比結(jié)果表明,IM復(fù)合發(fā)酵液中的菌株在雞糞中生長(zhǎng)能力最強(qiáng),可能是由于雞糞中含有豐富的氨基酸、蛋白質(zhì)和淀粉等易分解物質(zhì)[17],易被微生物吸收利用。

堆肥中試試驗(yàn)中,IM處理升溫速度顯著快于對(duì)照,提前3 d進(jìn)入高溫期,說(shuō)明適低溫微生物可以有效增強(qiáng)有機(jī)物料的降解,促進(jìn)堆體起爆升溫。此外,接種菌劑可以高效分解廢棄物中植物毒性物質(zhì),加快堆肥的無(wú)害化進(jìn)程,堆肥結(jié)束時(shí)IM和對(duì)照GI值分別達(dá)到93.3%和83.1%。IM處理和對(duì)照TP和TK相對(duì)含量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì),這是因?yàn)槎逊蔬^(guò)程中微生物分解有機(jī)物的活動(dòng)相對(duì)提高了P和K含量[18]。IM處理和對(duì)照銨態(tài)氮含量都呈先上升后下降趨勢(shì),硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì);其原因可能是前期堆肥物料中氨基酸、蛋白質(zhì)等小分子物質(zhì)易被分解釋放大量銨態(tài)氮,從而使得堆體中銨態(tài)氮含量上升快速;在堆肥降溫腐熟階段,由于微生物的硝化作用,使得銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)換,使銨態(tài)氮含量逐漸減少[19],此與黃炎[20]研究結(jié)果相似。IM處理和對(duì)照TN含量都呈先下降再上升趨勢(shì),接種IM菌劑的處理組C/N下降更快,可能是由于堆肥初期接種IM菌劑快速消耗物料中的碳水化合物使得C/N上升[21],到堆肥后期微生物開(kāi)始利用木質(zhì)素、纖維素等轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì),微生物活動(dòng)減弱,C/N逐漸趨于穩(wěn)定,此與竹江良等[22]研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

(1)邊緣假單胞菌MP-1、硬結(jié)節(jié)桿菌AS-3和水稻節(jié)桿菌AO-4在低溫條件下具有良好的生長(zhǎng)、產(chǎn)酶能力。復(fù)合菌劑在低溫條件下可利用堆肥物料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速生長(zhǎng)繁殖。

(2)IM低溫堆肥起爆菌劑可有效促進(jìn)冬季低溫環(huán)境下雞糞堆肥快速起爆,延長(zhǎng)高溫期,加快堆肥進(jìn)程,提高有機(jī)肥的無(wú)害化效果。