微生物接種應用于好氧堆肥的研究進展

曹文勝+曹軍+王陽+劉永德

摘要：簡述了好氧堆肥的原理，從接種菌劑種類、接種方式和接種量方面綜述了微生物菌劑在好氧堆肥方面的研究情況和對堆肥效果的影響，并指出了好氧堆肥過程中接種微生物菌劑的重點研究方向。

關鍵詞：好氧堆肥；微生物菌劑；接種；研究進展

中圖分類號：X172

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0018-03

1 引言

傳統堆肥法是微生物在一定的溫度、濕度和pH值條件下，對有機質進行生物降解，同時滿足自身繁殖生長，形成一種類似腐殖質土壤的過程。由于堆肥初期微生物量較少，需要適宜的條件和一定的時間才能大量繁殖生長。因此傳統堆肥法往往具有發酵周期長，效率低下，營養成分含量少，肥效低，發酵時期產生惡臭氣體等問題[1，2]。而進行人為接種有效微生物菌劑，能夠增加微生物個體和改善微生物群落結構，加速堆體中有機質的分解，提高堆肥效率和肥效。因此，人為接種微生物菌劑對堆肥過程有著重要意義。

2 好氧堆肥

好氧堆肥是微生物在有氧條件下對有機質進行快速降解的過程，微生物將易降解的有機質直接吸收和分解合成自身細胞物質，另一部分有機質在微生物的作用下降解為無機物，在這個過程中，有機質除了滿足微生物自身繁殖生長之外，同時也被分解為CO2、H2S、NH3等簡單無機物排放到環境中。好氧堆肥可以分為3個階段：升溫期、高溫期和降溫期。升溫期階段，嗜溫菌開始適應堆體的環境條件，不斷轉化易降解有機質，并吸收營養物質供自身生長繁殖，放出熱量使堆體升溫。當堆體溫度達到50℃時，堆肥開始進入高溫期，在此階段嗜熱菌開始代替嗜溫菌成為堆體的優勢菌。嗜熱菌加速轉化易降解有機質，同時堆體的蟲卵，病害微生物等被高溫殺死。隨著高溫的持續，易降解的有機質和化合物大部分被微生物轉化，營養物質不能滿足微生物的生長，微生物的代謝活動逐漸減弱，溫度降低進入降溫期，嗜溫菌成為堆體內優勢菌，并最終將有機質轉化為腐殖質[3]。

3 接種菌劑對堆肥效果的影響

目前應用的接種劑主要為微生物菌劑、商業添加劑、有效自然材料[4]。微生物菌劑分為單一和復合微生物菌劑。不同微生物菌劑的接種能夠影響堆體內各種參數變化和微生物群落結構的改變。通過接種微生物菌劑可以不同程度的加快堆肥腐熟的進程和提高堆肥效果。徐智等[5]研究表明接種復合微生物菌劑VT的處理在堆肥升溫和保持高溫效果比較明顯，耗氧速率最高，C/N下降速度快，GI值上升速度明顯加快。其中接種復合微生物菌劑VT的效果較單一微生物菌劑巨大芽孢桿菌堆肥效果較好。接種微生物菌劑有利于堆肥升溫期脫氫酶和纖維素酶活性增加，促進堆肥的氧化還原反應和纖維素的分解， 加快微生物轉化能力和代謝活動，且接種復合微生物VT的效果最明顯。

谷思玉等[6]研究表明接種包含纖維素分解菌、木質素分解菌、霉菌等耐高溫微生物菌劑進行堆肥，可加速堆肥升溫，提高堆料最高溫度值，延長高溫階段持續時間。明顯增加堆肥各階段堆料中微生物群落的數量，提高堆肥中前期的耗氧速率及CO2釋放率，進而提高堆肥效率。堆肥過程中纖維素酶、蔗糖酶均在堆肥的第48h達到峰值，在堆肥的24～192 h，接種微生物處理CM纖維素酶、蔗糖酶活性明顯高于CK處理。李秀艷等[7]研究表明，接種高溫菌劑的堆肥與對照組相比，具有升溫速度快、發酵溫度高、有機物去除率高的特點，可以使堆肥的一次發酵階段在高溫條件下高效進行，同時接種堆肥在 80℃高溫環境中保持了旺盛的微生物種群數量和代謝活性，增強了微生物生態系統的功能，接種堆肥的物料腐熟度更大，腐殖質含量更高。席北斗等[8]研究表明接種單一菌種的堆肥效果并不理想，而接種添加康氏木霉、白腐菌、變色栓菌、EM菌、固氮菌、解磷菌、解鉀菌復合菌劑能夠使微生物之間形成一種協同關系，構建一個更加復雜和穩定的微生物生態系統，能夠把難降解有機質分解為小分子物質，可以將堆體難利用的鉀、磷等元素轉化為微生物可以利用的營養物質。

4 接種方式對堆肥效果的影響

由于堆肥過程和物料成分的復雜性，微生物接種時機是影響堆肥效果的關鍵因素。堆體中的土著微生物產生的代謝物質會抑制接種微生物的生長繁殖，接種微生物菌劑與土著微生物之間存在激烈的競爭。合適選擇微生物菌劑的接種時期能夠降低兩者之間的競爭，增強微生物的活性，提高堆肥效率。鄢海印等[9]通過抗生素標記、選擇性培養基方法在堆肥前期、后期以及前后期分兩次接種復合菌劑進行好氧堆肥，研究表明堆肥后期和分前后兩次接種復合菌劑明顯增加堆肥枯草芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌功能菌數量，增強微生物總體活性和微生物群落多樣性，增強了堆肥水溶性磷和有效磷含量以及堆肥對青枯病菌拮抗性能。黨秋玲等[10]利用 PCR-DGGE 方法并結合聚類分析和 Shannon-Weaver 指數變化以生活垃圾為原料進行好氧堆肥，采用多階段的方式強化接種功能微生物菌劑，來研究堆肥過程中多階段強化接種對細菌群落多樣性和結構的影響。研究表明，多階段接種堆肥能有效提高半纖維素、纖維素和木質素的降解率，能使接種菌劑更好地定植于堆體之中，有效避免接種菌劑和土著菌劑之間的競爭性抑制作用，提高堆肥腐熟階段的細菌群落多樣性，加快微生物群落演替，加快堆肥的穩定化進程。姚波等[11]研究表明，堆肥起始接種、高溫期接種、高溫后接種和后腐熟接種，堆肥結束后其特征峰強度明顯，紅移現象也比較顯著。堆肥起始和高溫后接種處理其特征峰強度增強較其他處理明顯。接種菌劑的堆體由于微生物菌劑的代謝作用，DOM的組成復雜化趨勢相對明顯，在高溫后和堆肥起始接種微生物復合菌劑堆體與其他接種方式相比可明顯增加DOM有機成分的腐殖化進程，加快堆肥的進程。

5 接種量對堆肥效果的影響

接種量不僅能夠影響堆肥的腐熟程度，而且關系著實際應用的經濟成本。接種量是按接種菌劑占堆體質量的百分比添加。一般是從0.05%到5%[12]，最高可達10%[13]。羅先群等[14]研究表明8%的接種量能明顯縮短城市生活垃圾堆肥周期，增強微生物的代謝能力，而且避免了產生惡臭氣體等問題。勞坤德等[15]研究表明接種微生物秸稈腐熟劑能夠使堆肥周期縮短，有效降低堆肥含水率，提高有機質的降解速率，使堆肥中半纖維素、纖維素、木質素降解率分別提高1.03%、1. 16%和1. 47%，氮磷鉀養分含量平均提高0.48%。3%的接種量的堆肥效果最顯著，發芽率超過90%，高于其余3組。席北斗等[16]對生活垃圾和污泥混合堆肥進行2 %、3 %、5 %的高效復合微生物接種。研究表明對照組、接種2%、處理3% 和處理5% 堆肥系統垃圾腐熟時間分別為30 d、24 d、18 d和12 d。接種5%的堆肥周期最短，微生物活性最高，使堆肥周期30d縮短到12d。陳活虎[17]通過蔬菜廢物堆體添加不同比例腐熟堆肥接種。研究表明當接種率為5%、3%、1%時，增加接種量有利于提高有機物降解率，有機物降解率分別53.3%、50.0%、43.7%，堆肥接種對堆肥過程中微生物演化規律影響明顯，但接種率達到一定水平后，接種對生物相的影響會隨堆肥過程而逐步消失。

6 結論和建議

隨著社會的發展和人類對生活環境要求的提高，固體廢棄物的循環利用已成為人類迫切需要解決的重大問題。在堆肥過程中，接種菌劑能夠提高堆肥效率，促進微生物代謝活動，一定程度上去除有害物質，形成肥效較高的腐殖質[18-20]。但仍有許多問題需要解決。

（1）目前對堆肥研究較多的是接種對堆肥參數的影響，很少有對堆體中微生物代謝活動和群體結構的研究，堆肥過程中變化主要由堆體中微生物來完成。微生物的群落演替和新陳代謝直接影響堆肥過程的進行。微生物的代謝活動和能量釋放吸收是以后研究的重點。

（2）復合微生物菌劑是由2種以上的菌種構成，這些菌種的比例配比需要最優化才能更有效的促進堆肥過程。接種菌劑的不同菌種配比亟待研究。

（3）現有接種菌劑與土著微生物會形成競爭關系，抑制微生物代謝活動，影響堆肥效果。開發更好的接種菌劑使其與土著微生物形成協同關系，構成穩定的微生物結構，提高有機質降解率也是一關鍵問題。

（4）堆肥過程中，微生物會進行代謝作用產生氨氣，造成堆體氮素損失，肥效不高。篩選出高效的固氮菌來固定氮素也是值得關注。

參考文獻：

[1]Makaly Biey E ， H M ortier ， W Verstraete . Nitrogen transfer from grey municipal solid wasteto high quality compost [J]. Bioresource Technology ， 2000（73）：47～52 .

[2]Bernheisel J F . What ' s the status of municipal solid waste composting [J]. Resource Recycling ， 1999 ， 14（ 10） ： 64～74

[3]凌 云， 路 葵， 徐亞同. 禽畜糞便好氧堆肥研究進展[J]. 上海化工， 2003（6）：7～10.

[4]席北斗， 孟 偉， 黃國和，等. 生活垃圾堆肥接種技術[J]. 環境科學， 2003， 24（1）：157～160.

[5]徐 智， 張隴利， 張發寶，等. 堆肥反應器中2種微生物接種劑的堆肥效果研究[J]. 環境科學， 2009， 30（11）：3409～3413.

[6]谷思玉， 谷邵臣， 趙昕宇. 微生物接種對生活垃圾堆肥生化特性的影響[J]. 東北農業大學學報， 2012， 43（2）：78～82.

[7]李秀艷， 吳星五， 高廷耀，等. 接種高溫菌劑的生活垃圾好氧堆肥處理[J]. 同濟大學學報——自然科學版， 2004， 32（3）：367～371.

[8]席北斗， 劉鴻亮， 孟 偉，等. 垃圾堆肥高效復合微生物菌劑的制備[J]. 環境科學研究， 2003， 16（2）：58～60.

[9]鄢海印， 劉可星， 毛敬麟，等. 接種方式對堆肥過程中功能菌定殖的影響[J]. 農業環境科學學報， 2012， 31（10）：2039～2045.

[10]黨秋玲， 李鳴曉， 席北斗，等. 堆肥過程多階段強化接種對細菌群落多樣性的影響[J]. 環境科學， 2011， 32（9）：2689～2695.

[11]姚 波， 席北斗， 魏自民，等. 不同接種方式對生活垃圾堆肥水溶性有機物熒光特性影響[J]. 光譜學與光譜分析， 2011， 31（3）：714～718.

[12]Tuomelam， Vikmanm， Hatakkaa， et al. Biodegradation of lignin in a compost environment a review[J]. Bioresource Technology， 2000， 72（2）： 169～183.

[13]石春芝， 蒲一濤， 鄭宗坤， 等. 垃圾堆肥接種固氮菌對堆肥含氮量的影響[J]. 應用與環境生物學報， 2002， 8（4）： 419～421.

[14]羅先群， 桑士兵， 謝旭繯，等. 利用生物技術處理城市生活垃圾的研究[J]. 遼寧城鄉環境科技， 1999， 19（4）： 20～24.

[15]勞坤德， 張隴利， 李永斌，等. 不同接種量的微生物秸稈腐熟劑對蔬菜副產物堆肥效果的影響[J]. 環境工程學報， 2015， 9（6）：2979～2985.

[16]席北斗， 劉鴻亮， 孟偉，等. 高效復合微生物菌群在垃圾堆肥中的應用[J]. 環境科學， 2001， 22（5）：122～125.

[17]陳活虎， 何品晶， 呂凡，等. 腐熟堆肥接種對蔬菜廢物中高溫好氧降解過程的影響[J]. 環境化學， 2006， 25（4）：444～448.

[18]Jeanine I. Boulter ， Jack T . T revors and Greg J. Boland. M icrobial studies of compost： bacterial identification， and their potential for tu rfgrass pathogen suppression[ J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology ， 2002， 18： 661～671.

[19]Boulter J I， Boland G J， Trevors J T. Evaluation of composts for suppression of dollar spot （ Sclerotinia homoeocarpa） of turfgrass[ J] . Plant Disease， 2002（86）： 405～410.

[20]M A Elorrieta， F S uá rez-Estrella， M J Ló pez， et al . Survival of phytopathogenic bacteria during waste composting[ J] . Agriculture， Ecosystems and Environment， 2003（96）： 141～146.