微生物菌劑對堆肥發酵影響的研究進展

勾長龍等

摘要：堆肥處理是目前實現畜禽糞便無害化處理及資源化利用的重要手段之一，通過接種高效微生物菌劑克服了傳統堆肥處理方法諸多不足。對微生物菌劑在堆肥中的應用情況，微生物菌劑對堆肥各項指標、堆肥品質、重金屬的影響以及在堆肥中的應用前景進行了綜述，以期為養殖業廢棄物的無害化處理及資源化利用相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：微生物菌劑；好氧堆肥；糞便

中圖分類號：S141.3；S144.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1244-04

隨著現代農業產業結構的不斷調整以及規模化畜禽養殖業的迅猛發展，如何進行畜禽糞便等廢棄物的無害化處理及資源化利用成為亟待解決的問題。目前，中國對畜禽糞便的加工處理方法主要有化學法、物理法和生物法。生物處理法又分為好氧生物處理法和厭氧生物處理法。在眾多的畜禽糞便處理方式中，由于好氧堆肥處理方法成本低、無害化程度高、處理能力大、處理后的產品方便運輸且適于農田施用，適合現代農業持續發展而備受關注。傳統堆肥方法利用原料中土著微生物降解有機物質，由于堆肥初期有益微生物數量相對較少，需要一定時間才能大量繁殖，存在發酵周期長、效率低等缺點。同時在堆肥過程中存在氮素損失現象，有惡臭氣味，并且糞便中殘留的重金屬及抗生素等有害物質還存在環境污染的可能。沈根祥等[1]的研究表明，利用篩選的微生物可以加速堆肥基質的發酵，有效提高堆肥的溫度，加快腐熟進程。陳華癸[2]指出，在堆肥過程中通過人為接種分解有機物能力強的微生物菌劑，可提高初期堆料中有效微生物總數，加速堆肥材料的腐熟，形成的高溫條件有利于殺滅糞便中的病原體、蟲卵和雜草種子等。近年來一些學者對畜禽糞便堆肥的工藝條件、影響因素、使用不同微生物接種菌劑等方面進行了深入研究[3]，但對糞便堆肥快速發酵及其機制的研究還遠遠不夠。因此如何充分利用微生物間的協同作用，快速分解糞便中的有機物，實現糞便處理的資源化利用具有十分重要的意義。

1 微生物菌劑在堆肥中的應用

復合微生物菌劑是將兩種或兩種以上的微生物以一定的比例混合培養，充分發揮微生物群成員之間的聯合協同作用，以獲取能達到最佳應用效果的一種微生物制劑。微生物菌劑來源主要有利用天然微生物優化處理的微生物菌劑和人工構建的高效菌種兩種。

1.1 微生物菌劑在國內外應用的概況

國內外對于堆肥接種微生物菌劑的研究已取得較大進展。20世紀40年代，美國通過在堆肥的原料中接種細菌使堆肥時間縮短1～3 d；20世紀70年代，日本研制出EM菌劑， 10～15 d就可以把垃圾腐熟，加快了堆肥降解的效率。近年來有許多學者致力于研究堆肥中不同作用的微生物，并進行了優質高效菌種的篩選和接種。張隴利等[4]在污泥堆肥試驗中加入VT復合微生物菌劑，結果表明添加菌劑的堆體升溫速率和溫度最高值明顯高于對照組，并且促進了有機質分解和加快了水分散失。秦莉等[5]通過在堆肥中添加具有降解纖維素和金霉素功能的外源復合菌劑，來研究接種外源菌對堆肥的降解效率及抗生素類藥物降解效果的影響。結果表明，添加的外源菌劑對纖維素降解有明顯的促進作用，接種復合菌劑堆體中的金霉素降解率也顯著高于對照組。寧志剛等[6]通過在豬糞的堆肥中添加固氮菌、溶磷菌、解鉀菌三者同比例混合的復合微生物菌劑，研究其對豬糞堆肥的作用效果，結果表明復合菌劑接種量為1.5%、2.0%時，豬糞氣味基本去除，作用效果明顯。Vargas-Gare等[7]在堆肥試驗中添加芽孢桿菌作為堆肥接種菌種，結果表明不同的堆肥原料對接種微生物堆肥的效果有不同的影響。目前利用新型微生物菌劑處理畜禽糞便已成為廢棄物資源化領域的研究熱點。

1.2 低溫菌劑的應用

在冬季尤其是北方冬季低溫狀態下，堆肥發酵過程難以啟動，而市場上的發酵劑均是常溫或高溫發酵劑，15 ℃以上才能應用，因此微生物菌劑在北方的推廣受到了較大限制，而低溫菌劑的出現很好地彌補了這一缺陷。籍寶霞等[8]把低溫發酵劑添加到雞糞的堆肥中，結果表明在日平均氣溫4.9～7.1 ℃情況下，使用低溫發酵劑48～72 h即可啟動廢棄物發酵。采用好氧發酵方法，10 d內發酵溫度可達70℃，發酵時間維持48 h以上。路偉明等[9]從凍土中篩選出低溫纖維素分解菌并進行纖維素降解率測定，一菌株最高降解率達49.1%，并且該菌株可在20～30 ℃時較好地生長，在一定時間內能夠維持堆體溫度，易于啟動自然存在于牛糞里的中溫生物。由此可知在低溫下使用低溫菌對堆肥發酵的影響較大。

2 微生物菌劑對有氧發酵指標的影響

2.1 對溫度的影響

溫度的變化是反映堆體內微生物活性變化的一個重要指標，能很好地呈現堆肥過程所達到的狀態。EPA（美國環境保護署）制定的相關標準[10]指出，堆體溫度在50 ℃以上保持5～7 d，能夠殺滅堆料中的致病微生物，是保證堆肥的衛生指標合格和堆體腐熟的重要條件。李玉紅等[11]的試驗結果表明，在堆肥初期添加微生物菌劑促進了堆體快速升溫，較對照組提前1～4 d到達高溫階段（>50 ℃），添加菌劑能起到快速升溫的作用，有效促進有機物料的腐熟進程。耿冬梅等[12]的試驗表明，向堆料中接種微生物菌劑，能增加堆層中微生物總數，微生物通過協同作用，使堆層中的高溫微生物迅速繁殖，提前實現堆肥的高溫期。黃懿梅等[13]的研究結果表明，在堆肥中添加一定量的微生物菌劑，雖然對堆肥溫度升高的作用不明顯，但能加快堆肥發酵速度，縮短堆肥時間。由此可知，添加微生物菌劑對堆肥溫度具有明顯的促進作用，加速堆肥進程。

2.2 對水分的影響

水分是影響堆肥效果的一個重要參數[14]。在堆肥過程中，水分是微生物生長所必需的條件， 50%～65%的含水率最有利于微生物的分解。堆肥中的水分含量以一種熱量的調節劑影響著堆肥微生物的活動[15]。施寵等[16]研究表明，接種微生物制劑的堆體水分下降速度最快。張金金等[17]通過人工接種Mix F-3菌劑對豬糞前期性質的變化進行研究，其中人工接種Mix F-3菌劑堆肥、添加滅活菌劑堆肥和自然堆肥含水率分別下降36.75%、33.54%和40.63%。由此可知，添加微生物菌劑可使堆肥中微生物活性增強，促進了微生物的新陳代謝，從而導致堆肥溫度升高，加速水分蒸發。

2.3 對pH的影響

pH的變化是反映堆肥過程中微生物活性的另一個重要指標。一般認為，最佳pH為8.0左右，此范圍內可顯著提高初期的反應速度，縮短堆肥達到高溫所需時間，堆肥可獲得最大效率，亦可避免由堆肥反應時間過長所造成的臭味問題[18]。施寵等[16]的研究表明，添加菌劑的試驗組pH一直處于較低水平，堆肥結束時堆體穩定在pH 8.0～8.1，符合腐熟堆肥pH 8.0～9.0的標準。王曉娟[19]通過對添加微生物菌劑的牛糞堆肥中各項指標的測定表明pH變化幅度較小，各處理組間差距不明顯。由此說明接種微生物菌劑對pH的影響不大，但對堆肥中的pH具有調節和穩定作用，有利于堆肥中的微生物生長。

2.4 對碳氮比的影響

碳氮比（C/N）是影響堆肥效果的重要因素，碳是堆肥生化反應的能量來源，氮是控制生物合成的主要因素，也是反應速度的控制因素，堆肥過程的理想C/N比為20～35∶1[20]。劉克鋒等[21]向豬糞的堆肥中添加不同的微生物，所有接菌處理的C/N比在第20天即降至20以下，并有7個處理的C/N比降至16以下，表明接菌對促進豬糞堆肥腐熟效果明顯。由此可知，添加菌劑可以顯著加快有機質的分解。

3 微生物菌劑對堆肥品質的影響

3.1 對氮含量的影響

在堆肥過程中，有機氮主要分布于微生物群落和腐殖質庫中。在堆肥前期，堆肥微生物礦化分解有機氮，產生氨氣，堆體產生的生物熱量使氨氣大量揮發，造成氮素損失的同時還產生了大量的惡臭氣味。Martins等[22]的研究表明，糞便堆肥中NH3的損失高達79%。如何控制氮素的損失、提高堆肥的養分價值是研究的關鍵。Tiwari[23]分別比較添加纖維分解真菌、固氮菌及溶磷菌對堆肥總氮和C/N比的影響，結果表明，與對照相比，添加纖維分解真菌使不同底物堆肥含氮量提高8.3%～57.1%；添加固氮菌使不同底物堆肥含氮量提高10.3%～59.5%。李國學等[24]在雞糞的堆肥中添加EM和FM菌劑，結果表明，兩種外源菌明顯促進了水溶性氨態氮的轉化和水溶性有機氮的形成，對氮素保存有較好的效果。由此可知，添加微生物制劑可以調控堆制過程中的碳氮代謝，減少氮類物質以氣態揮發控制臭味的產生，同時可提高堆肥產品總氮含量。

3.2 對磷、鉀含量的影響

在牛糞堆肥各種處理中，牛糞中的P、K不可能通過揮發等形式損失，因此全磷、全鉀含量最終不會有太大變化。堆肥過程中含磷化合物在微生物制劑作用下可以發生礦化，產生一部分可溶性磷，加之微生物分解代謝、有機態磷分解和堆體濃縮，使速效磷含量呈略增趨勢。黃懿梅等[13]的研究表明，發酵劑可以提高堆體高溫期發酵溫度，堆體被濃縮，而鉀在堆肥過程中損失較少，全鉀含量明顯增加。趙明梅等[25]分別將產于上海、山東、沈陽的3種菌劑加入到鮮牛糞中，結果表明，3種菌劑原始堆料和腐熟堆料的P、K含量相差很小。由此說明，添加微生物菌劑對于P、K保持是有益的。

4 微生物菌劑對堆肥中重金屬的影響

近年來人們對污泥、牛糞等固體廢棄物堆肥過程中的重金屬污染狀況比較關注。糞便中含有Cu、Zn等重金屬元素，毒性較大，長期大量施用會使土壤和作物存在潛在的污染風險[26]。據谷杰等[27]的研究報道，當土壤中有效態Cu和Zn分別達到100～200 mg/kg和100 mg/kg時會造成土壤Cu、Zn污染。黃國鋒等[28]研究了豬糞堆肥過程中重金屬含量和形態的變化，發現堆肥處理能降低豬糞中重金屬的有效性。重金屬的生物毒性不僅與其總量有關，更大程度上由其形態分布所決定。劉浩榮等[29]采用Tessier法對重金屬形態進行分級，得到了普遍認可與應用。解開治等[30]的研究表明，堆肥添加腐熟促進劑可極顯著降低堆肥中有效態Cu的含量。因此，在堆肥中添加腐熟促進劑可以降低重金屬有效態的濃度，減輕Cu對土壤的污染。由此說明，常用的微生物菌劑一般具有較強吸附性，通過對重金屬進行有效吸附，可以降低其生物有效性。

5 微生物菌劑在堆肥中的應用前景

添加微生物菌劑可以加快堆肥過程，將糞便中有毒、有害物質轉化為有機肥成分，這樣既能提高糞便利用率，又能減輕環境污染，為實現畜禽廢棄物的無害化處理和資源化利用提供了很好的條件。但由于微生物菌劑價格相對昂貴，從而增加了堆肥的成本，尚不能得到廣泛的應用。因此價格低廉、高效的微生物菌劑對于廢棄物處理具有很好的市場應用前景。另外，由于中國北方地區受地域溫度等因素的影響，冬季低溫狀態下動物糞便的處理成為一個難題，嚴重影響了畜牧業的發展。而低溫微生物菌劑罕有報道，因此在低溫下進行堆肥發酵以及低溫微生物菌劑的研發具有很大的發展潛力。

參考文獻：

[1] 沈根祥，袁大偉，凌霞芬，等. Hsp菌劑在牛糞堆肥中的試驗應用[J].農業環境保護，1999， 18（2）：62-64.

[2] 陳華癸.微生物學[M].北京：農業出版社，1979.

[3] 龐金華，程平宏，余廷園.高溫堆肥的水氣矛盾[J].農業環境保護，1999，18（2）：73-75.

[4] 張隴利，劉 青，徐 智，等.復合微生物菌劑對污泥堆肥的作用效果研究[J].環境工程學報，2008，2（2）：266-269.

[5] 秦 莉，高茹英，李國學，等.外源復合菌系對堆肥纖維素和金霉素降解效果的研究[J].農業環境科學學報，2009，28（4）：820-823.

[6] 寧志剛，王 維，劉 暢.復合微生物菌劑在豬糞堆肥中的試驗研究[J].安徽農業通報，2010，16（1）：59-62.

[7] VARGAS-GARE M D C，REZ-ESTRELLA F F S ，PEMJOSE L，et al. Influence of microbialinoeulation and co-composting material on the evolution of humic-like substanees during composting of horticultural wastes[J]. Process Biochemistry，2006，41：1438-1443.

[8] 籍寶霞，張麗萍，程輝彩，等.低溫發酵劑在雞糞冬季處理中的作用[J].江蘇農業科學，2009（6）：418-420.

[9] 路偉明，李淑芹，曹知平，等.一株低溫牛糞降解真菌的篩選及生長條件的確定[J].東北農業大學學報，2008，39（11）：36-38.

[10] ANGELA L C，TUNER C，WILLIAMS A G，et al.The respirationof composting pig manure[J]. Compost Science & Utilization，2004，12（2）：119-130.

[11] 李玉紅，王 巖，李清飛.外源微生物對牛糞高溫堆肥的影響[J].農業環境科學學報，2006，25（B09）：609-612.

[12] 耿冬梅，宣世偉.高溫好氧菌群用于接種垃圾堆肥的實驗研究[J].上海環境科學，2003，22（10）：699-701.

[13] 黃懿梅，曲 東.兩種外源微生物對雞糞高溫堆肥的影響[J].農業環境保護，2002，21（3）：208-210.

[14] LIANG C ，DAS K C ，MCCLENDON R W. The influence of temperature and moisture content sregimes on the aerobic microbial activity of a bio solids composting blend [J].Bioresource Technology，2003，86：131-137.

[15] 李玉紅，李清飛，王 巖.翻堆次數對牛糞高溫堆肥的影響[J].河南農業科學，2006（7）：70-72.

[16] 施 寵，謝晶晶，鄭春霞，等.不同腐熟劑對牛糞好氧堆肥的影響[J]. 新疆農業科學，2010，47（2）：410-414.

[17] 張金金，劉愛民，陳金鳳，等.不同菌劑處理下豬糞和牛糞堆肥前期性質變化[J].資源開發與市場，2010，26（6）：481-484.

[18] 曾光明，黃國和，袁興中，等.堆體環境生物與控制[M].北京：科學出版社，2006.

[19] 王曉娟.畜禽糞便高溫堆肥促腐熟菌劑的應用及肥效研究[D].河北保定：河北農業大學，2011.11-15.

[20] INBAR Y， CHEN Y，HADAR Y，et al. New approaches to compost maturity[J].Bio Cycle，1990，31（12）：64-68.

[21] 劉克鋒，劉悅秋，雷增譜，等.不同微生物處理對豬糞堆肥質量的影響[J].農業環境科學學報，2003，22（3）：311-314.

[22] MARTINS O， DEWES T. Loss of nitrogenous compounds during composting of animal wastes[J]. Biores Technol，1992， 42：103-111.

[23] TIWARI V N. Composting of dairy farm wastes and evaluation of its manorial value[J]. Proc National Academy of Science，India，1989，59：109-114.

[24] 李國學，李玉春，李彥富.固體廢物堆肥化及堆肥添加劑研究進展[J].農業環境科學學報，2003，22（2）：252-256.

[25] 趙明梅，牛明芬，何隨成，等.不同微生物菌劑對牛糞堆肥發酵影響的研究[J].農業環境科學學報，2007，26（增刊）：587-590. [26] 黃治平，徐 斌，張克強，等.連續四年施用規模化豬場豬糞溫室土壤重金屬積累研究[J].農業工程學報，2007，23（11）：239-244.

[27] 谷 杰，高 華，李鳴雷，等.養殖業廢棄物對環境的污染及肥料化資源利用[J].西北農業學報， 2004，13（1）：132-135.

[28] 黃國鋒，張振鈿，鐘流舉，等.重金屬在豬糞堆肥過程中的化學變化[J].中國環境科學，2004，24（1）：94-99.

[29] 劉浩榮，宋海星，榮湘民，等.鈍化劑對好氧高溫堆肥處理豬糞重金屬含量及形態的影響[J].生態與農村環境學報，2008， 24（3）：74-80.

[30] 解開治，徐培智，張仁陟，等.一種腐熟促進劑配合微生物腐熟劑對鮮牛糞堆肥的效應研究[J]. 農業環境科學學報，2007， 26（3）：1142-1146.