添加外源菌劑對病死豬堆肥中油脂含量和氮素損失的影響

劉標　尹紅梅　劉慧知

摘要：為了解添加外源菌劑對病死豬堆肥過程中油脂含量和氮素損失的影響，以病死豬尸體、鋸木屑為堆肥基質，分別設置了不加外源菌劑（CK）、添加自主研制的菌劑1（T1）、添加市售菌劑2（T2）3個處理，進行為期30 d的堆肥發酵試驗，研究堆肥過程中堆肥的基本理化性質、各種氮素形態、油脂含量和種子發芽指數（GI）等參數變化。結果表明，外源菌劑添加對堆肥溫度無顯著影響，各堆體的高溫持續時間均能滿足堆肥無害化的要求;堆肥結束時，添加菌劑的T1和T2組的有機質含量、硝態氮含量顯著高于對照組（CK）;添加菌劑1能夠降低堆肥的pH值和油脂含量，增加堆肥的銨態氮、全氮含量;堆肥結束時，菌劑1添加組（T1）的GI達到127.3%，顯著高于CK、T2組。由枯草芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌、木霉菌組合而成的微生物菌劑能顯著降低堆肥的油脂含量，較少氮素損失，促進了病死豬堆肥的腐熟，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：微生物菌劑;病死豬堆肥;油脂含量;氮素含量

中圖分類號： S141.4? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0240-04

我國是生豬養殖和消費大國，據統計2017年我國生豬存欄4.33億頭、出欄6.88億頭。隨著國家對生豬養殖行業環保要求的持續提高，生豬養殖規模化程度越來越高，高密度的養殖模式使動物染疫和死亡的概率大大增加，據調查，每年因各類疾病引起生豬的死亡數占養殖總數的8%～12%[1]。病死豬如果處理不當，將對生態環境造成嚴重威脅[2-3]。利用堆肥法處理死畜禽成為近年來國內外的研究熱點[4-9]，堆肥法相對于焚燒、掩埋、化制等方法，成本低、對環境污染小，且堆肥產品可以制成有機肥，實現畜禽死體的資源化處理，應用前景廣闊。

目前，市場上沒有針對畜禽死體堆肥專用的菌劑，而利用堆體中的土著微生物或添加畜禽糞便堆肥菌劑會導致堆肥效率低下和堆肥產品質量不佳[10]。相比畜禽糞便堆肥，病死豬堆肥過程中存在2個突出問題：（1）氮素損失和惡臭更嚴重，不僅造成空氣污染，而且降低了肥料中的氮素養分含量[1];（2）堆肥中的油脂含量可高達20.3%，對植物具有一定的毒性，嚴重影響堆肥產品的質量[11-12]。目前，研制專門針對畜禽死體堆肥的微生物菌劑成為研究工作者的關注重點[13]。因此，本研究采用模擬堆肥試驗，研究了前期實驗室篩選出的高產脂肪酶菌株和除臭保氮菌株在病死豬堆肥過程中的保氮效果和降油脂效果，旨為病死豬堆肥菌劑的研發提供科學依據，推進堆肥法在畜禽死體無害化處理方面的推廣。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

試驗在湖南永安原生生物科技股份有限公司進行，堆肥原料主要是病死豬和鋸木屑。試驗前將病死豬和鋸木屑按 3 ∶ 1 比例（鮮質量比）投入LT-2000型無害化高速處理設備運行48 h后放料，主要目的是對病死豬及輔料進行物理性粉碎和混勻，物料的基本理化性質見表1。

1.2 堆肥菌劑

枯草芽孢桿菌KF-1為實驗室分離篩選獲得的具有降解油脂效果的菌株，納豆芽孢桿菌J-2為實驗室分離獲得的具有除臭效果的菌株，木霉菌Y-5為具有快速降解纖維素功能的菌株。先制備各菌株的種子液，然后接種至發酵培養基中30 ℃培養48 h，低溫保存發酵液（活菌數均約為3.0×109 CFU/mL）。菌劑1為菌株KF-1、J-2、Y-5等體積混勻后制成的發酵液，菌劑2為商業復合有機肥發酵劑（購自江蘇綠科生物技術有限公司，活菌數約為3.0×109 CFU/g），具有促進畜禽糞便腐熟的功能。

1.3 試驗方案

堆肥基質為“1.1”節中經過粉碎與混勻后的物料，各堆體總質量約為300 kg，堆肥開始時調節各堆體的C/N約為25，含水量為55%～60%。本試驗共設3個處理：（1）對照（CK）：300 kg堆肥基質，不添加外源菌劑;（2）試驗組T1：300 kg 堆肥基質，加入6 L菌劑1;（3）試驗組T2：300 kg堆肥基質，加入6 kg商業化菌劑2。將菌劑與堆肥基質充分混勻后堆制成長、寬、高約為1.5 m×1.5 m×1.0 m的堆體，每個處理重復3堆。本次試驗于2017年6—7月在室內大棚進行，持續時間共30 d。每天上午10：30用水銀溫度計測定距堆體表面20 cm左右深度的溫度和同一時刻的環境溫度，分別在堆肥的7、14、21、28 d進行機械翻堆。

1.4 測定項目及方法

分別在堆肥0、3、6、9、12、15、20、25、30 d的堆體前后左右及中心位置點進行5點混合取樣，各堆體每次取樣量約為500 g，樣品風干后用于各指標的測定。pH、有機質、全氮（TN）含量按照有機肥標準《NY 525—2012》中的方法測定，水溶性銨態氮和硝態氮含量分別采用靛酚藍比色法和紫外分光光度法測定[14]。

分別測定各堆體初始時間、15、20、25、30 d樣品的油脂含量和種子發芽指數（GI）。油脂含量的測定采用索氏提取法測定。種子發芽指數測定方法：取10 g各樣品加入100 mL蒸餾水浸泡，振蕩1 h后濾紙過濾。吸取6 mL濾液，加入到鋪有濾紙的培養皿（直徑為9 cm）中，每個培養皿均勻點播20粒飽滿蘿卜種子，30 ℃暗培養48 h，測定發芽率和根長，同時以蒸餾水為空白對照[1]。計算公式：GI=（處理的種子發芽率×處理種子根長）/（對照的種子發芽率×對照種子根長）×100%。

1.5 數據分析

試驗數據采用Excel 2003進行處理及作圖，利用SPSS 18.0統計分析軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 堆肥溫度變化

堆體溫度變化是微生物活動的結果，是反映堆肥發酵是否正常進行的最直觀和最重要的指標。由圖1可知，在發酵過程中，各處理的溫度變化均呈現出“先升高后降低，然后保持穩定”的趨勢。CK、T1、T2處理分別在堆肥4、3、3 d達到高溫期（>50 ℃），各堆體高溫維持時間分別為12、14、13 d。根據高溫堆肥的無害化要求（GB 7959—2012），堆溫在 50 ℃ 以上持續10 d可完全殺滅病原細菌及蟲卵，本研究所有處理均達到無害化要求。T1、T2處理與CK處理在達到高溫期的時間及高溫維持時間方面無顯著性差異，說明本試驗添加的外源菌劑對堆肥溫度無顯著的促進作用。

2.2 堆肥pH值變化

由圖2可見，各處理的pH值均呈先升后降趨勢，這與溫度的變化趨勢類似。堆肥起始時，各堆體的pH值基本相同，隨著堆肥的進行，由于微生物的氨化作用，導致堆體中有機氮分解，產生大量氨氮，使得pH值上升。CK、T1、T2處理pH值最大值分別出現在12、9、6 d，分別為7.72、7.81、7.88。此后，各堆體隨著氨化作用減弱、硝化作用增強，pH值下降。堆肥結束時，CK、T1、T2組pH值分別為7.23、6.65、7.06，T1處理的pH值顯著低于CK、T2處理（P<0.05）。

2.3 堆肥中有機質含量的變化

由圖3可知，各堆體中的有機質含量前期不斷降低，后期趨于穩定。堆肥結束時，堆體CK、T1、T2處理的有機質含量分別為52.4%、62.1%、59.5%，與初始相比分別下降了172、8.0、9.8百分點，添加了外源菌劑的有機質下降幅度小于對照處理組。

2.4 堆肥中銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）和全氮含量的變化

堆肥中的銨態氮含量與堆肥過程中的臭度呈正相關關系，銨態氮轉化為氨氣揮發是氮素損失的主要來源。銨態氮含量的變化，由圖4可知，各處理的銨態氮含量均表現為先升后降的趨勢。堆肥前期，由于具有氨化作用微生物的活動，堆肥中含氮有機物大量轉化NH4+-N，銨態氮含量大量增加。CK、T1、T2處理的峰值分別在15、15、12 d時出現，最大值分別為2 018.6、2 634.7、2 597.6 mg/kg。此后，伴隨著堆肥過程中氨氣揮發損失及硝化作用的增強，各堆體的銨態氮含量迅速下降。堆肥結束時，各處理組銨態氮含量分別降低至613.2、996.4、779.6 mg/kg，與初始量相比，降低幅度分別為46.4%、14.0%、30.7%，T1處理的銨態氮含量顯著高于對照組和T2處理（P<0.05），說明病死豬堆肥中添加菌劑1可以顯著增加堆肥中銨態氮的含量。

由圖5可知，各處理的NO3--N含量變化總體呈增加的趨勢，但在堆肥降溫期增加速率最快。堆肥結束時，CK、T1、T2處理的NO3--N含量分別為1 033.6、1 241.6、1 216.4 mg/kg，比堆肥初期分別增加了117%、172%、183%，T1、T2處理的硝態氮含量顯著高于CK處理（P<0.05）。

全氮含量是判斷有機肥效果的一個重要指標，由圖6可知，各處理的全氮含量變化趨勢相同，均呈下降趨勢。堆肥結束時，CK、T1、T2處理的全氮含量分別為15.3、18.9、15.5 g/kg，比堆肥初期分別降低了40.2%、25.9%、40.2%。T1處理的全氮含量顯著高于對照和T2處理（P<0.05），這說明添加菌劑1，可以降低氮素損失，具有保氮效果。

2.5 堆肥油脂含量的變化

由圖7可知，堆肥的前25 d，各組的油脂含量均呈不斷降低的趨勢;25～30 d，各堆體中的油脂含量無明顯變化。堆肥結束時，T2處理的樣品由于油脂含量高，堆肥呈深褐色，而T1處理的樣品油脂含量低，顏色較T2淺（圖8）。CK、T1、T2樣品的油脂含量分別為 14.84%、7.52%、15.95%，各組的油脂降解率分別為 39.2%、70.9%、37.1%，T1的油脂含量顯著低于CK、T2的油脂含量（P<0.05）。堆肥中的油脂含量與堆肥的植物毒性密切相關，油脂含量高，會降低肥料的品質。結果表明，添加菌劑1有利于降低堆肥中的油脂含量。

2.6 外源菌劑對種子發芽指數（GI）的影響

種子發芽指數是判斷堆肥產品是否腐熟的主要指標之一，同時也能反映堆肥產品的植物毒性。一般認為，當GI>80%時，說明堆肥產品對植物基本無毒性，達到完全腐熟[15]。表2可知，堆肥開始時，蘿卜種子的萌發受到抑制，隨著堆肥的進行，各組的GI逐漸增大，25 d時，T1處理的GI值達到128.9%，而CK、T2處理的GI仍小于80%。堆肥結束時，T1處理的GI達到127.3%，顯著大于CK、T2的GI（P<0.05）。

3 討論

目前，微生物菌劑在畜禽糞便、農作物秸稈等堆肥中得到廣泛的應用，大量研究表明，外源菌劑的添加對于堆肥的升溫、腐熟均有促進作用。但以畜禽死體為原料的堆肥，由于原料中的氮素含量和油脂含量高，在堆肥過程中易產生臭味重、氮素損失量多、肥料的腐熟度低、對植物具有毒性等問題[4]。針對畜禽死體原料的性質，篩選特定的微生物菌劑，是促進畜禽死體堆肥腐熟、減少臭氣排放的重要途徑之一。

本試驗中對照組（CK）、添加自主研發的菌劑組（T1）和商品菌劑組（T2）在堆體最高溫度、 高溫維持天數方面無顯著性差異，均符合高溫堆肥的無害化要求（GB 7959—2012）。堆肥結束時，T1處理的pH值顯著低于CK、T2處理，推測原因可能是菌劑1中的微生物在代謝過程中產生了大量的酸性物質，較低的pH值可抑制銨態氮轉化為氨氣，有利于堆肥中氮素的保持[16]。

堆肥中氮的主要形態包括有機氮、硝態氮、銨態氮和氨氣等，不同形態的氮素發生的轉化與微生物的活動密切相關。本試驗中，各處理組的銨態氮含量表現為先升高后降低的趨勢、硝態氮含量表現為逐漸增加的趨勢，而全氮含量表現為逐漸降低的趨勢，這與林小鳳等報道的雞糞堆肥[17]、徐路魏等報道的蔬菜廢棄物堆肥[18]、肖禮等報道的豬糞堆肥[19]等研究中的變化趨勢一致。造成這一趨勢的原因可能是前期堆體中氨化細菌大量繁殖，有機氮大部分轉化為銨態氮，銨態氮含量大量上升，由于氨氣的釋放量與銨態氮含量呈正相關關系，導致氨氣大量揮發，全氮含量快速降低。堆肥后期，隨著堆肥溫度降低，硝化細菌大量繁殖，硝化作用增強，銨態氮轉化為硝態氮，因此銨態氮含量大幅減少，而硝態氮含量大量上升。堆肥后期，由于氨氣的釋放及反硝化作用（硝態氮被還原成氮氣），因此堆肥的全氮含量繼續降低。堆肥結束時，添加菌劑1的T1處理組的銨態氮、硝態氮和全氮含量均顯著高于CK組、T2組，說明自主研發的菌劑可以減少堆肥氮素的損失，對提高肥料的品質具有較好效果。

與以豬糞[19]、雞糞[20]為原料的堆肥相比，本研究中各處理組在相同時間的種子發芽指數均較低，綜合分析堆肥過程中有機質的含量及油脂的含量變化，推測造成種子發芽指數偏低的原因可能是堆體中的油脂含量高，抑制了蘿卜種子的萌發。與市場上購買的商品菌劑相比，本試驗中添加的自主研制的菌劑，能使堆肥中的油脂含量大幅降低，對于促進堆肥的腐熟具有顯著效果。

本試驗結果顯示，在病死豬堆肥中添加以枯草芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌、木霉菌組合而成的微生物菌劑，可以顯著降低堆體中的油脂含量，減少堆肥氮素的損失，促進堆肥的腐熟，在病死豬堆肥中具有廣闊的應用前景。

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