微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的應用綜述

孫譜 孫婉薷 石占成

摘要：將越來越多的廢棄物進行堆肥化處理是資源化利用廢棄物的重要方式。將微生物菌劑接種于木本廢棄物堆肥中，可以加快堆肥進程、提高堆肥品質，具有較好的應用前景。從木本廢棄物堆肥化處理技術的原理著手，闡述了微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的作用機制，綜述了微生物菌劑和微生物菌肥在木本廢棄物堆肥中的功能與應用，從堆肥腐熟度和安全性角度總結了對微生物菌劑進行質量評價的方法，并對微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的應用前景作出展望，旨在為木本廢棄物在相關領域的研究提供一定的參考。

關鍵詞：堆肥;微生物菌劑;廢棄物;木本

中圖分類號： X705;S182 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）15-0057-07

木本廢棄物包括林木生產過程中脫落和修剪產生的枝條、樹葉等，其中的林木既有經濟林，也有生態林，還包括城市園林。堆肥化處理是以木本廢棄物為原料，通過添加適當的輔料，在微生物作用下，經過一定時間的好氧發酵，使原本廢棄的木本枝葉經過腐熟，最終得到堆肥產品，進而實現廢棄物的無害化、減量化、資源化利用的過程。傳統的堆肥腐熟過程主要是一個由自然微生物參與的生理生化過程，時間長且效果不佳，而通過添加外源微生物即微生物菌劑可以加速該過程并提高堆肥的品質[1]。

微生物菌劑在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、環境污染的修復和污染嚴重工業的清潔生產等環境保護的各個方面發揮著極為重要的作用[2]。在堆肥中，微生物菌劑可以通過加速和改善堆肥進程實現提高堆肥效率、改善產品品質的效果，進而推動木本廢棄物堆肥化等經濟環保的處理方式的規?；l展。

1 木本廢棄物堆肥化技術

隨著國民經濟的快速發展，人們的生活水平持續提升，對優美生活環境的向往加深，經濟林、生態林及城市園林綠化面積大幅增長，木本廢棄物的數量也日益增加，在建設環境友好型、資源節約型社會時，如何將其進行科學處理與利用已經成為研究熱點。過去，對這類廢棄物的處理方式是作為燃料燃燒或填埋廢棄，其經濟利用價值很低，造成一定的資源浪費和環境污染。目前，木本廢棄物的生態處理方式主要包括堆肥化處理技術、有機覆蓋物技術、生物質能源處理技術等[3]。堆肥化處理具有成本低、循環利用率高和能有效改良土壤等優點，已經成為當前最有效、最經濟的可循環再利用技術之一。

1.1 好氧高溫堆肥

木本廢棄物堆肥處理的最主要方式就是好氧高溫發酵。好氧堆肥的原理是通過好氧微生物在有氧條件下快速將木本廢棄物中的有機質分解，其中一部分簡單的有機質被微生物直接吸收利用，另一部分復雜的有機質在微生物的作用下被降解為無機物，最終轉化為腐殖質[4]。

好氧高溫堆肥是一個復雜的生化過程，分為升溫、高溫、降溫和腐熟4個階段。在初始期，物料開始堆積，嗜溫菌等微生物開始分解、吸收、轉化活動，放出熱量，從而使堆體溫度在72 h內迅速升至65 ℃左右，此過程即為升溫階段。隨后嗜熱菌成為優勢菌種，不斷地進行有機質降解和自我生長繁殖，因此高溫階段可以持續較長一段時間，在此過程中可以殺死堆體中的雜草種子、蟲卵和病害微生物等，此過程為高溫階段。隨著高溫的持續，有機質被大量分解轉化，滿足不了微生物生長的需要，微生物活性降低，溫度逐漸下降而進入降溫期。嗜溫菌增殖再次成為優勢菌，將難以降解的木質素、纖維素和半纖維素等轉化為腐殖質，堆體溫度降至環境溫度。在整個好氧高溫堆肥的過程中，堆肥溫度隨著微生物對可利用有機質的礦化和代謝而變化，因此溫度的變化反映了微生物的整體活性[5]。

1.2 堆肥條件的控制

影響堆肥過程的因素可以分為兩大類：堆肥組合配方因素，如碳氮比（C/N）、pH值、粒徑等;工藝管理因素，如O2濃度、含水量和溫度等。相關研究發現，堆肥初始的C/N為25～30較為適宜[6]。C/N 過高會使微生物有過多可降解的底物，使堆肥進程緩慢;而C/N較低會生成過量的無機氮并通過NH3揮發或自然流失。在實踐中可以根據廢棄物中的碳、氮含量添加適量氮肥、禽畜糞便、膨脹劑等來調節C/N。微生物活動最適宜的酸堿環境是中性或偏堿性，即pH值為6～8的環境。事實上，pH值不是堆肥的關鍵因素，因為大多數材料的pH值都在這個范圍內。但是pH值對于控制氮損失非常重要，當堆體的pH值>8時，NH3的揮發量會迅速增加[7]。顆粒大小（粒徑）和分布對于平衡微生物生長的表面積和保持足夠的孔隙度是至關重要的[5]，堆肥物料的粒徑應盡量控制在60 mm以下，并且在一般情況下，粒徑越小，顆粒的接觸面積越大，越有利于堆肥分解，但是太小的粒子會減小孔隙率，并且還要考慮機械設備與經濟成本。堆體的水分含量會直接影響堆肥的速度，一般在堆肥初期堆體的水分含量應控制在50%～60%，水分含量過低會抑制微生物的生命活動，水分含量過高則會影響氧氣的流動，當含氧量低于5%時，堆肥會轉成厭氧發酵，造成養分流失，延緩降解的速度。含氧量過低所造成的影響與水分含量過低類似，可以通過人工翻堆和機器鼓風等方式通風供養，使空氣氧含量保持在5%～15%，含氧量過高時，會使堆體冷卻，殘存大量病原菌和蟲卵[8]。在堆肥過程中溫度的變化過程為升溫—高溫—降溫，需要人為控制高溫階段的溫度不高于80 ℃，因為當溫度過高時，微生物難以耐受且極易引發火災。由此可見，堆肥效率及堆肥品質都受各種因素的影響，目前關于堆肥反應器的較多研究工作，為堆肥發酵提供了更加適宜的環境和更加高效便利的方法。

1.3 減少氮素損失

在好氧高溫堆肥過程中，微生物不斷發生代謝活動，經過氨化作用、氨同化作用、硝化作用及反硝化作用的氮素循環而排放出大量NH3，加上滲濾液中水溶性氨的流失，對環境產生了嚴重污染[9]。與其他類型廢棄物不同的是，木本廢棄物中的有機氮含量很低，微生物在氮供應不足的條件下生長受到抑制，會保留大部分固定化有機氮而減少NH3的揮發，從而排放CH4、N2O等氣體，對于全球變暖構成很大威脅。

根據木本廢棄物堆肥中氮的轉化途徑，將含氮量較高（如食物殘渣、畜禽糞便等）和含氮量較低（如樹木枝葉、秸稈等）的廢棄物混合以調節堆體的C/N和容重，可以減少由含氮量過低引起反硝化作用而產生的有害氣體量。有研究發現，在木本廢棄物中添加畜禽糞便，特別是雞糞，能夠促進NH+4-N向NO-3-N以及總有機碳（TOC）向腐殖質的轉化，減少N2O、CH4的排放，同時可以提高產品的成熟度和安全性[10]。此外有研究發現，添加生物炭或生物炭混合蒙脫土作為生物底物可以有效減少堆肥過程中的氮素損失[11-12]。

2 微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的作用機制與應用2.1 木本廢棄物堆肥中微生物的菌系分布

木本廢棄物好氧高溫堆肥過程中參與的微生物群落是一個數量龐大的群體，目前已經鑒定出了較多類別。由表1可以看出，目前已經鑒定的微生物菌系有細菌、真菌和放線菌3個。

2.1.1 細菌 在整個堆肥過程中，細菌的生物量始終占據主導地位，細菌的菌體小且具有較大的比表面積，可以快速吸收利用可溶性底物，同時可以參與木質素纖維素的降解[13]。有研究發現，好氧堆肥中常見的細菌門主要包括厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobia）等[14-15]。在堆肥的升溫至高溫階段，厚壁菌門的嗜熱細菌最為豐富，芽孢桿菌屬（Bacillus）、地桿菌屬（Geobacter）是其中的主要種群，其次是擬桿菌門、變形菌門。還有研究發現，桿菌類細菌是升溫和腐熟階段的優勢菌[15-16]。也有研究者指出，并沒有觀察到桿菌的優勢，他們認為在桿菌菌體與其他細菌的相互競爭中被其他細菌擊敗[17-18]。隨著堆體溫度降低并進入腐熟階段，參與堆肥的細菌以擬桿菌門為主，同時還有變形菌門、酸桿菌門，其中酸桿菌門的高豐度被認為是堆肥成熟的標志[19]。

2.1.2 真菌 真菌能夠分解木本廢棄物中大量難降解的木質素、纖維素和半纖維素，是堆肥過程中微生物群落的重要組成部分，其中白腐真菌是目前研究得出的木質素降解能力較強的菌種。在堆肥初期，主要的真菌屬為毛霉菌屬（Mucor）、黑孢屬（Nigrospora）、雙足囊菌屬（Dipodascus）和曲霉屬（Asperigillus）;隨著堆肥的進行，這些真菌的豐度均顯著降低[17]。在嗜熱期，堆體溫度很高，由于在高溫條件下有一定耐受能力的真菌才能高效降解木質纖維素，因此在該條件下，子囊菌門真菌占比較高，這類高溫真菌在木本廢棄物的堆肥進程中具有十分重要的作用。

2.1.3 放線菌 有研究發現，放線菌可以分泌多種抗生素，能夠抑制和殺死堆肥中的病原微生物、分解活性纖維素、降低木本廢棄物堆肥中的植物毒性，對于最終堆肥產品質量的提高起到至關重要的作用[20]。在堆肥的高溫階段，嗜熱放線菌會進行較強的生命活動，常見的有鏈霉菌（Streptomyces）、諾卡氏菌（Nocardia）、高溫放線菌屬（Thermoactinomyces）、小單孢子菌屬（Micromonospora）等[11]。嗜熱性放線菌相較于嗜熱真菌要更加耐熱，可以持續活動至堆肥的降溫階段，能夠將木質纖維素降解并最終轉化為腐殖質。

2.2 木本廢棄物堆肥中微生物的功能與作用

在木本廢棄物堆肥的整個過程中，大部分微生物參與的主要生命活動是氮素循環和木質纖維素降解，這2個進程對堆肥效率和質量的影響至關重要。此外，還有少量微生物對堆肥有促進和調節等其他功能。

2.2.1 參與氮素循環 木本廢棄物中的有機氮含量雖然較低，但有機氮是堆肥過程中氮的主要形態，并且有機氮的存在形式多樣，如蛋白質、多肽、氨基酸、核酸、氨基糖等[21]。微生物在受到氮限制的情況下，仍保留了大部分固定的有機氮，導致低氮礦化，因此微生物必須迅速反應才能吸收可利用的營養物質[22]。在堆肥過程中的氮素損失會造成環境污染和肥效降低，而氮的餾分可以隨著氮的損失不斷轉化，因此，關于堆肥氮循環的研究大多集中在氮礦化和氮固定（NH+4、NO-3和NO-2）的去向上[23]。

堆肥過程中的氮轉化是一個非常復雜的微生物活動過程，氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌分別參與有機氮的礦化作用、硝化作用及反硝化作用，同時，固氮菌可對無機氮進行生物固定。在嗜熱階段，高水分含量和O2的大量消耗會形成厭氧的微環境，自養菌和異養菌之間相互競爭，有氧氨氧化細菌（AOB）的活性被抑制[24]。NH+4通過同化作用被固氮微生物如固氮菌屬（Azotobacter）、根瘤菌屬（Rhizobium）等固定，而異養硝化菌如糞污桿菌和P. stutzeri可能介導硝化作用并產生亞硝酸鹽。硝化細菌如亞硝酸菌屬（Nitrosomonas）、硝酸菌屬（Nitrobacter）等將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽等植物可以吸收利用的氮肥[25]。隨著堆肥進入成熟期，耗氧量降低，形成了一個低含水率富氧的環境，固氮酶基因（NifH）群落被抑制，氨單加氧酶基因（amoA）在良好的微環境下被激活，與亞硝化單胞菌（Nitrosomonas sp.）進行氨氧化作用，與此同時，在反硝化菌的作用下，反硝化作用持續發生，成熟期的絕對氮含量顯著下降[26]。

2.2.2 降解木質纖維素 木本廢棄物是植物自然凋落和人為修理產生的枝干、落葉、草屑及其他綠化廢棄物等，其中含有大量半纖維素、纖維素和木質素，它們的結構緊密且不易分解，極大地影響了木本廢棄物堆肥腐熟的效率和質量。

木質纖維素的生物降解以一個兼容的多酶體系為基礎。木質素是一種交聯酚醛樹脂，具有剛性，且不易腐爛，在堆肥過程中木質素的降解主要依賴于木質素分解酶，這也是木質素降解微生物時分泌的一種胞外酶[27]。白腐真菌通過獨特的細胞外氧化酶系統和細胞內酶系統分泌3種典型的木質素分解酶[木質素過氧化物酶（Lip）、錳過氧化物酶（Mnp）和銅基漆酶（Lac）]將木質素有效降解[28]。因此，可以在堆肥中添加額外的復合酶，以提高堆肥中酚類化合物和羧酸的利用率，促進木質素分解。此外還有報道指出，鏈霉菌屬放線菌對木質素具有較好的降解作用[29]。纖維素、半纖維素的早期降解是由于初始混合物中含有大量可降解的有機化合物，從而刺激了微生物生物量的增加和酶的合成。纖維素由復雜的酶蛋白混合物組成，微生物產生的一系列酶（如纖維素酶和木聚糖酶）可以降解纖維素和半纖維素[30]。此外，接種放線菌也可以提高難降解纖維素、半纖維素在堆肥過程中的降解效率，并且可以通過接種放線菌和添加尿素作為氮源來調控有機廢棄物堆肥過程中木質纖維降解的關鍵酶活性，從而提高堆肥木質纖維的降解效率。

2.2.3 其他功能 堆肥中的微生物除了參與堆肥外，還有一些其他功能。例如，促生菌可以促使植物產生激素、調節和促進植物的生長活動，生防菌不僅能夠促進植物生長、增加作物產量，還能提高植物的抗病能力、增強植物的抗逆性[25]。這些微生物功能的發掘為以后將堆肥應用于植物生長營造了良好的生存條件和生活環境。施用微生物菌肥代替化肥是一種可循環再利用的耕作模式，不但經濟高效，而且可以節約資源、保護環境。

2.3 微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的應用

在研究微生物在木本廢棄物堆肥中的作用機制時，微生物菌劑可以根據特定降解功能從微生物群落中分離出來，微生物菌肥可以通過培養土壤、牛糞和稻草等混合物得到開發[31]。從堆肥微生物群落中分離研制的菌劑，大部分是為了有針對性地加快堆肥進程，提高堆肥的效率和質量，而自主開發的微生物菌肥大多是由堆肥過程中常見的功能微生物和基質混合制備而成的，可以有效改良土壤，從而為植物生長提供良好的環境。

2.3.1 復合多功能菌劑 微生物群落的生命活動貫穿木本廢棄物堆肥的整個過程，但是僅憑堆肥原始菌群的作用，木本廢棄物堆肥會耗費幾個月甚至幾年的時間。目前，關于木本廢棄物堆肥的研究主要集中于如何高效地生產高質量的堆肥，從而推動木本廢棄物堆肥的產業化、規模化發展。其中的關鍵問題主要是高效纖維素、木質素降解菌的篩選。大量研究結果表明，將堆肥過程中檢測并分離到的多種高效降解菌制成微生物菌劑后添加于堆肥中，可以極大地提高堆肥效率;而在復合高效微生物的混合作用下，堆肥效率比單一菌種作用下的更高，分解得更加徹底[32-33]。有很多學者還研究了使復合微生物菌劑效果更好的方法。例如，吳穎等通過調整菌種配比來降低各菌株間的拮抗作用，使復合菌劑效果更佳[34]。此外，低溫菌劑的篩選與制備解決了北方冬季低溫環境下普通微生物難以存活的問題。另外，可以根據功能需求制備其他菌劑，以調節木本廢棄物堆肥的C/N、pH值和溫度等條件，從而創造有利于腐熟的最佳條件，提高堆肥品質。

2.3.2 微生物菌肥 微生物菌肥將功能微生物與合適的基質結合起來，已被證明能有效地抑制土壤疾病傳播，促進植物生長，可以作為土壤改良劑代替普通基肥[35]。堆肥后形成的腐殖質主要帶負電荷，有利于提高土壤膠體吸附陽離子的能力;同時，腐殖質還帶有少量正電荷，因此也能提升土壤膠體吸附陰離子的能力，進而有效減少養分的損失;此外，腐殖質能改善土壤的理化性質，促進團粒結構的形成，改善土壤的通氣性和透水性[1]。微生物菌劑可以影響底土，通過改變土壤團聚體和有機碳組分的穩定性來遷移水分，增加微生物生物量，提高土壤肥力。曹恩暉等通過番茄盆栽試驗證明，施用復合微生物菌劑對土壤環境產生的綜合效應普遍優于施用普通化肥和單一功能菌，顯著優于空白處理[36]。聶文翰等通過多組對比試驗發現，施用復合微生物菌劑處理秸稈堆肥在提高堆肥效率的同時可有效改善土壤微生物群落結構，提升微生物的多樣性指數[37]。多樣性高的土壤對病原菌具有較強的抑制作用，施用微生物菌肥既可以提高植物的抗病能力，又可以提高土壤微生物活性、改善微生物結構和功能，從而實現土壤微生物的生態平衡，是一條有效的生態調控防病途徑[38]。由此可見，微生物菌肥的應用對土壤的改良和生物的疾病防治等具有良好的效果。

3 微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的質量評價

微生物菌劑的質量主要通過堆肥時間和腐熟度得以體現，但是微生物菌劑作用于堆肥是微生物之間以及微生物與堆肥中原有微生物互相作用的動態演變過程，僅憑時間和肉眼觀察的腐熟狀態來評價微生物菌劑的質量是不準確的和不科學的。因此，需要檢測具體的參數指標來反映堆肥的腐熟情況，同時輔以堆肥安全性的檢測。

3.1 堆肥的腐熟度

3.1.1 指標監測 堆肥過程中溫度、碳氮比、電導率（EC）、發芽指數（GI）、NH+4-N和有機酸含量等指標的變化，可以反映堆肥過程和最終腐熟產品的質量[39]。堆肥過程中的溫度變化可以反映功能微生物的活性和堆肥的進程，溫度高時，微生物活躍;溫度低時，微生物活性低。堆肥中的堆料通常會經歷升溫—高溫—降溫3個階段。根據不同階段微生物的群落動態，通過監測堆肥系統中溫度的變化，可以準確地將微生物菌劑應用于特定階段的堆肥，并可控制相應過程中的溫度變化和堆肥進程。C/N是反映堆肥腐熟度的評價指標之一，通過監測堆肥過程中C/N的變化，可以判斷木本廢棄物的腐熟程度。木本廢棄物堆肥中含有可溶性物質（如硝酸鹽和磷酸鹽等），當堆肥中的物質含鹽量較高時，會導致EC提高，是堆肥腐熟的體現[40]。GI與植物毒性相關，被認為是決定堆肥成熟度的一個非常敏感的參數。在堆肥后期，GI超過80%才能達到成熟要求。NH+4-N、有機酸含量同樣影響堆肥植物的毒性，可以代替種子發芽系數對堆肥腐熟度進行快速評價。

3.1.2 波譜分析檢測 波譜分析檢測是從物質結構層面分析評價堆肥的過程和腐熟程度，如紅外光譜法、高光譜法和核磁共振法等。Wang等將近紅外光譜（NIR）與偏最小二乘法（PLS）分析相結合，建立了一種能夠快速、準確評價商品有機肥品質的新技術——NIR-PLS[41]。該技術可以準確預測總有機質含量、水溶性有機氮含量、pH值和GI，但其對水分、總氮含量、電導率和水溶性有機碳含量的測定結果不準確，盡管對指標的評價不夠全面，但是該技術仍可作為一種快速、有效評價商品有機肥質量的工具。

3.2 堆肥的安全性

微生物菌劑質量評價不能局限于描述堆肥的主要理化性狀和體現腐熟度的常規參數，還要考慮到GI和病原菌反映的堆肥安全性以及施用微生物菌肥對土壤重金屬等污染的改善作用。GI能提供堆肥植物毒性的信息，可能與植物存在有毒化合物有關，這類化合物通常存在于不穩定的堆肥中?？梢?，對堆肥生物穩定性和安全性的評估也是一種必要選擇，可以充分整合堆肥特性，使其在土壤中得以安全使用[42]。

4 微生物菌劑在木本廢棄物堆肥中的應用前景

隨著經濟的發展，人類面臨的環境問題越來越嚴峻，生態問題日益成為人們關注的重要問題。生態經濟林的提出在強調生態效益的同時，更注重其經濟效益，是實施以生態建設為主的林業發展戰略的歷史選擇[43]，而將生態經濟林產生的木本廢棄物進行堆肥化處理具有高效循環利用的優點，符合城市未來的發展趨勢，也符合國家發展循環經濟和節約型社會的要求，完全可以取代過去焚燒、填埋等浪費且不生態的處理方式。木本廢棄物堆肥產品可大量運用于城市綠地、工廠化花卉和苗木生產等，這些相關產業都是未來建設生態城市所必需的，市場前景十分廣闊。將木本有機廢棄物堆肥應用于植物綠化保養，可以減少化學肥料的使用，減少對地下水和土壤的污染，降低溫室效應和熱島效應，具有較好的經濟效益和生態效益。

木本廢棄物不同于禽畜糞肥等其他廢棄物，木本廢棄物中含有的木質纖維難以降解，導致堆肥耗時長、堆肥產品質量參差不齊，從而限制了木本廢物堆肥規?；?、產業化發展。微生物菌劑的使用是目前提高堆肥效率和品質的有效方法，同時，菌肥還具有改良土壤和生物防治的附加價值。不斷深入推動微生物菌劑在廢棄物堆肥中的研究和應用，有利于城市、社會的可持續發展，從而為人類創造更大的經濟效益和社會效益。

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