外加木質纖維素分解菌對高原環境下堆肥體系的促進作用*

楊杰 魏素珍

（西藏農牧學院資源與環境學院，西藏 林芝 860000）

堆肥是有機質在微生物作用下的自然生物分解過程，通過堆肥可以將各類有機廢棄物如牲畜糞便、農田秸稈等轉化為土壤改良劑或有機肥料，不但可以減少有機廢棄物對環境造成的污染，還能促進畜牧業等農業生產的可持續發展［1］。木質纖維素是堆肥原料中的常見成分，其難降解性常常導致堆肥時間的延長以及產品品質的降低。向堆肥體系中接種外源木質纖維素降解微生物菌劑是提高堆肥腐熟度和品質的有效方法之一。比如，Yu 等人的研究［2］表明接種木質纖維素降解微生物對保存堆肥體系的氮素含量有積極作用。他們的研究顯示，與對照組相比木質纖維素降解菌接種處理降低了堆肥過程中腐熟階段amoA 基因的豐度和NH3的累積排放量。同時，木質纖維素降解菌接種處理還降低了參與反硝化過程的nirS、nirK 和nosZ 基因的豐度，這些基因與N2O 的排放密切相關。Chen 等人［3］的研究表明在堆肥冷卻期接種黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）可以進一步促進纖維素和木質素的降解，更有利于堆肥腐殖質的形成，促進腐殖質化過程。雖然微生物菌劑在堆肥處理中的應用已經十分普遍，但是，接種的微生物菌劑與環境因素以及土著微生物之間的相互作用會影響堆肥過程中的微生物群落結構，而微生物群落結構、演替規律以及微生物群落間的協同效應與堆肥效率和腐熟堆肥質量具有十分緊密的關系。因此，同一種菌劑在不同的環境、底物條件下，其應用效果可能存在較大的差異。

西藏地處我國西南邊陲，被稱為“人類最后一片凈土”，是我國內地及東南亞地區的重要江河源和生態源，被列為國家重要的“生態安全屏障”。然而隨著經濟的發展，固體廢棄物的產量也日益增加，其處理處置問題是急需解決的環境問題之一［4］。此外由于特殊的地理及氣侯環境，西藏地區的土壤非常貧瘠，因此在西藏地區利用各類有機廢棄物生產有機肥對于解決西藏地區的環境污染問題以及增加土壤肥力提高農牧業的產量都有非常重要的意義。這不僅可以避免部分地區因生活垃圾和牲畜糞便隨處放置導致的環境污染，也可以緩解現有垃圾填埋場的壓力。最重要的是，所獲得的有機肥對增強西藏地區的土壤肥力，減緩水土流失等具有非常重要的意義［5］。本文以牛糞和青稞秸桿為主要堆肥原料，研究外加木質纖維素菌劑對高原條件下堆肥的腐熟以及肥料品質的影響，本文的研究結果可為高原環境下的有機廢棄物堆肥處理提供借鑒以及數據支持。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料及菌劑

堆肥試驗在位于西藏林芝市的西藏農牧學院進行，該地海拔高度3000m，大氣壓力和氧含量約為平原地區的70%.以牛糞和青稞秸稈為原料，新鮮牛糞收集自附近一家養牛場，青稞秸稈采集自西藏農牧學院農場。將青稞秸稈在室外自然晾干，用粉碎機切成1cm～2cm 備用。本研究使用的木質纖維素降解菌由本實驗室在西藏地區分離純化獲得，共有6 株絲狀真菌。6 株菌株都有纖維素分解的能力，部分菌株同時具有纖維素、半纖維素和木質素的分解能力。各純化菌株經過在平板上活化后，將相同大小的菌絲塊同時接種入以風干青稞秸稈（80g）和新鮮牛糞（240g）為原料的滅菌培養基中，含水率約為60%，該培養基的成分配比與堆肥的成分基本一致。在25℃恒溫培養箱中培養9 天，期間為減少水分損失每天補充適量的無菌水，并輕搖燒杯以使基質混勻并增加氧含量。培養結束后的材料作為堆肥菌劑添加至堆肥體系中。堆肥原料及菌劑性質見表1。

表1 堆肥原料的理化性質

1.2 堆肥反應器

堆肥反應器由雙層泡沫塑料箱改造而成，長53cm、寬39cm、高40cm，有效體積約為60L。在反應器底部安裝長50cm、寬36cm、直徑為1.7 cm 的PVC通風管道。為增加保溫效果，堆肥反應器采用地埋式，反應器頂端與地面相平。堆肥裝置示意圖如圖1所示。

圖1 堆肥反應器示意圖

1.3 試驗設計

堆體由9kg 新鮮牛糞和3kg 青稞秸稈組成，初始C/N 約為25，含水率約為60%.試驗設計2 個處理，接種微生物菌劑的作為試驗組，接種比為2.66%（干重比），以添加等量的滅菌菌劑材料作為對照組。通風量設置為2m3/min，持續時間為2min，每天通風一次。為保證樣品的均勻性，根據堆肥階段的溫度，在0、3、9、15、24、34 天采樣前進行翻堆，并取樣置于-20℃下保存備用，試驗持續了34天。

1.4 分析方法

堆體和環境溫度采用溫度在線監測儀進行監測。樣品pH 和電導率測量前與蒸餾水按1:10(w/v)混合后置于搖床上震蕩30min再進行測量。將震蕩后獲得的溶液在1000rpm 下離心10min，上清液用0.45μm 的膜過濾后按照連華科技儀器使用說明書進行NH4+-N 和可溶性化學需氧量(SCOD)的測量。樣品的含水率采用105℃烘干至恒重的方法進行測定，將烘干至恒重的樣品在馬弗爐中灼燒2h 用于測定樣品的可揮發性固體物（VS）含量［6］。纖維素酶活性的測量采用DNS法進行［7］。樣品的發芽指數(GI)根據Wan 等人［4］的方法進行測定，所有的測定都進行三次重復，并計算平均結果。

1.5 數據分析

用Excel 2010 和Sigmaplot 14.0 對所獲得的數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 堆體溫度的變化

堆肥過程中堆體溫度變化如（圖2a）所示。由圖可知，堆肥開始后兩組的堆體溫度都快速增加，其中添加外源菌株的堆體升溫更加迅速，在第3 天達到峰值63.6℃，而對照組則在堆肥第12 天才達到峰值53.1℃。與對照相比，接種木質纖維分解菌使堆肥體系的最高溫度提高了10.5℃。在堆肥開始后的前8天，添加外源菌株的堆體溫度都明顯高于對照組，之后該組的溫度急劇降低，在第10天后堆體溫度維持在30℃左右并呈逐漸降低的趨勢，至堆肥結束后堆體溫度始終略高于環境溫度。與外加菌株組相比，對照組的升溫和降溫都相對較為緩慢，并且對照組大于50℃的天數明顯少于添加菌株組（圖2b），接菌處理使堆肥的高溫期延長了4d。值得注意的是，不論是接菌組還是對照組，在堆肥高溫期即堆肥開始后的前10天堆肥的溫度波動都較大，這可能是由于高溫期的堆體溫度與環境溫度差值較大并且環境溫度晝夜溫差較大導致的。

圖2 微生物菌劑對堆肥溫度的影響

堆肥過程中不同溫度階段堆體的日溫度變化如（圖3）所示，在堆肥前24小時內(圖3a)，堆體溫度迅速上升，接種組和對照組溫度分別上升至50.5℃和48.5℃，與對照相比，接種木質纖維素分解菌的堆體升溫更快，直接進入了高溫期。在堆肥第8 天(圖3b)，接種處理的溫度持續上升并保持在較高水平，最高溫度達到了68.5℃，而對照處理的溫度才上升至51.3℃。各處理的溫度峰值不同，說明各處理堆肥的降解情況和微生物群落活性存在差異。在堆肥第16 天后各處理均進入了冷卻階段(圖3c)，堆體溫度均低于50℃，其中接種組的溫度下降較為明顯，說明接種組的堆體分解效果較好。到堆肥第33天時（圖3d），兩種處理的堆體溫度接近于環境溫度，堆肥反應基本結束。以上結果表明，接種外源微生物菌劑可以快速啟動堆肥反應，有效提高堆肥過程中高溫期的峰值溫度，并加速堆肥的快速腐熟，進而縮短堆肥周期，降低堆肥能耗和成本。

圖3 堆肥至不同階段的日溫度變化

2.2 pH、含水率、電導率的變化

pH 是表征堆肥過程中微生物的活性和堆肥腐熟度的重要參數之一。堆肥過程中兩組堆體的pH 變化如(圖4a)所示。兩組堆體的pH 值在堆肥開始之后都迅速上升，接菌組和對照組分別在堆肥至第15天和第3 天達峰值8.4 和8.6，之后呈現出逐漸下降并平穩的趨勢。整個堆肥過程中對照組的pH 值在7.4～8.6 之間，而接種組的在7.4～8.4 之間，這一pH 范圍與大部分微生物的活性范圍相一致，有利于其代謝。在堆肥結束時，所有處理的pH 值都在8.0～8.5 范圍內，滿足堆肥腐熟的標準［9］。

在堆肥過程中，最佳的含水率可以保持微生物的活性，促進有機物分解，通常堆體初始含水率一般控制在60%左右。本研究中兩組堆體堆肥過程中含水率的變化趨勢較為相似，除了在第15～24 天有略微增加外，整個堆肥過程均呈降低趨勢。對照組和接種組的含水率由堆肥開始時的58.4%分別下降至結束時的50.2%和49.1%(圖4b)。含水率的增加主要是由于有機質的分解速率較高，水分蒸發凝結沒有及時排出所致［10］。隨后由于微生物的快速繁殖，新陳代謝過程中消耗部分水分，并且所產熱量使堆體溫度升高后又導致水分蒸發，最終導致堆肥的含水率呈下降的趨勢。

電導率(EC)是反映堆肥產品中可溶性鹽含量的有效指標之一，過高或過低的電導率值表明其作為肥料可能對植物的種子萌發或生長有毒性或抑制作用［11］。堆肥開始后各處理組的電導率均呈下降趨勢，至堆肥第3天接菌組和對照組分別由初始的2.34 mS·cm-1下降至2.1 mS·cm-1和2.32 mS·cm-1，之后隨著堆肥的進行各組的EC 值都呈逐漸增加的趨勢，而接菌組的EC 在第25 天之后則又出現下降的狀況(圖4c)。電導率的增加可能與堆肥過程中水分的蒸發而導致的電解質濃度增加有關，或者與堆肥過程中因微生物的代謝活性導致的可溶性鹽(如銨和磷酸鹽)的釋放有關［12］。堆肥34 天后，對照組和接種組的最終電導率分別為3.02和2.42 mS·cm-1，對照組顯著高于接種組，這可能是由于接菌組的微生物活性較高消耗較多的電解質所致。

圖4 微生物菌劑對堆肥過程中PH值、含水率、電導率的影響

2.3 VS、SCOD的變化

兩組堆肥揮發性固體VS 含量的變化整體呈下降趨勢(圖5a)，與前人的研究結果一致［4］。堆肥結束后，接種組和對照組揮發性固體的含量從初始的80.7%分別下降到65.9%和67.4%，分別減少了14.8%和13.3%.接種組腐熟堆肥揮發性固體的含量低于對照組，說明接種微生物增加了堆肥揮發性物質的釋放。

整個堆肥過程中對照組SOD 的含量波動較大，處于2300mg Kg-1～6834mgKg-1之間，而接種組SCOD 的含量呈先增加后降低的趨勢，最終從堆肥開始時的2974mgKg-1降至堆肥結束時的2720mgKg-1，堆肥結束時接種組SCOD 的含量顯著低于對照組(4778mgKg-1)(圖5b)。微生物在生長繁殖過程中可以消耗SCOD，同時微生物分泌的胞外酶也可將不溶性的物質分解成可溶性的小分子物質，比如可以將不溶性的纖維素轉變成可溶性的葡萄糖等，因此又會導致SCOD 的升高。堆肥體系中的SCOD 值便是這兩種方式疊加后的結果。本文的研究結果顯示，在堆肥過程中接菌組的SCOD 波動較小而對照組的波動較大表明接菌組的微生物活性相對較穩定而對照組的微生物活性相對較不穩定，說明在堆肥過程中接種特定的微生物菌劑對廢棄物中有機污染物的降解具有顯著的效果。

圖5 微生物菌劑對堆肥過程中揮發性固體有機物和可溶性化學需氧量的影響

2.4 氨氮、發芽指數

堆肥過程中NH4+-N 含量的變化主要受揮發、有機氮的氨化、微生物的固定化、硝化和反硝化過程的驅動。從圖6a可以看出，整個堆肥過程中接種組和對照組NH4+-N 含量的變化趨勢較為相似，在升溫階段和高溫期均快速增加，在第9 天達到峰值，分別為120.72mgKg-1和156.16 mgKg-1，NH4+-N 濃度的升高可能是由于溫度升高有利于有機氮化合物的礦化［13］。第9天后接種組-N 含量持續下降直到堆肥結束；而對照組在第24 天下降到最小值76.02 mg Kg-1，之后持續增加，直到堆肥結束。NH4+-N 含量下降可能是由于NH3在高pH 和高溫條件下的揮發和微生物自身生長繁殖的消耗以及硝化菌將NH4+-N 轉化為NO3--N 所致［14］。堆肥結束時，接種組中銨態氮含量(67.74mg kg-1)顯著低于對照組(102.14 mg kg-1)，接種組NH4+-N 含量減少的原因可能是接種木質纖維素分解菌加速了NH4+-N 向NO3--N 的轉化，同時減少了NH3生成的底物。綜上所述，堆肥過程中接種外源微生物菌劑在NH3減排、氮素固定等方面具有潛在的優勢。

發芽指數(GI)通常用于評估最終堆肥產品的腐熟度和植物毒性［15］。圖6b 為堆肥過程中GI 的變化。由圖可知，堆肥開始后的前3 天，對照組和接種組的發芽指數分別下降至75.7%和80.9%，之后兩組都呈逐漸增加的趨勢，堆肥結束時接種組和對照組的GI值分別為105.0%和102.6%，表明堆肥產品達到了充分腐熟和較低的植物毒性的標準。堆肥結束后接種組的發芽指數略高于對照組，表明接種微生物菌劑可以加速堆肥腐熟過程，降低植物毒性，提升腐熟堆肥品質。

圖6 微生物菌劑對堆肥過程中氨氮和發芽指數的影響

2.5 纖維素酶活性

堆肥原料中易降解的有機化合物能直接被堆肥微生物群落利用，而復雜的有機化合物，包括木質纖維素在被微生物分解利用之前，需要經過胞外酶的水解才能被微生物吸收利用［16］。纖維素酶催化纖維素水解成葡萄糖，其活性取決于混合物中纖維素分解微生物的類型、豐度和組成［17］。兩組的纖維素酶含量變化趨勢極為相似（圖7）。接種組和對照組的纖維素酶含量在堆肥第3 天下降到最小值，分別為0.1Ug-1和0.09Ug-1。在升溫期（第1 天）相對較低的纖維素酶活性可能是由于纖維素分解微生物生長較為緩慢。隨后，兩組的纖維素酶活性急劇增加，接種組在第9天達到最大值(0.23Ug-1)，而對照組在第15 天達到最大值(0.24Ug-1)。高溫期纖維素酶活性的增加會導致有機物質的進一步降解。兩組堆肥的纖維素酶活性在達到最大值之后均開始緩慢下降，直到堆肥結束。值得注意的是，在堆肥開始后的0～11 天，接種組的纖維素酶活性均高于對照組；從第11 天以后直到堆肥結束，對照組的纖維素酶活性高于接種組。馬等人［18］在污泥堆肥過程中添加腐熟堆肥時也發現了類似的現象，添加腐熟堆肥在升溫階段提高了纖維素酶含量，而在降溫階段降低了纖維素酶的含量。在升溫期（堆肥前24h）和高溫期，接種組的纖維素酶活性高于對照組，這可能是加速堆肥過程，強化纖維素降解，提高堆肥腐殖化程度的重要因素。

圖7 微生物菌劑對堆肥過程中纖維素酶活性的影響

3 結論

本文的研究結果表明接種木質纖維素分解菌可以快速啟動堆肥，延長堆肥的高溫期和增加峰值溫度，加速堆肥的腐熟，從而縮短堆肥周期，降低堆肥能耗和成本。與對照組相比，接種木質纖維素分解菌處理組高溫期延長了4 天，峰值溫度增加了10.5℃。此外，接種木質纖維素分解菌對堆肥體系的pH 值、電導率、含水率、可溶性化學需氧量、揮發性固體有機物、氨氮含量、發芽指數以及纖維素酶活性都有不同程度的影響。總體來看，接種處理提高了最終堆肥產品的腐殖化水平和腐熟度，可以在西藏地區進行推廣應用。