發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程的影響

張玉鳳，田慎重，岳壽松，宋效宗，張培蘋，邊文范，董亮，高建國，王恒濤

（1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所／農業農村部廢棄物基質化利用重點實驗室／山東省植物營養與肥料重點實驗室／山東省新型肥料與精準施用技術創新中心，山東 濟南 250100；2.山東省農業科學院農作物種質資源研究所，山東 濟南 250100；3.煙臺市農業技術推廣中心，山東 煙臺 264001；4.山東中新農業發展有限公司，山東 臨沭 276700）

規模化、集約化養殖導致畜禽糞便大量積累，短期難以有效處理，進而帶來的污染問題成了制約畜禽養殖業可持續發展的重要因素。據統計，一個年出欄10萬羽雞的養殖場，年產雞糞約達3600 t［1］。由于雞飼料養分含量高，而雞的消化能力弱，40%～70%的營養物被排出體外，因此雞糞含有豐富的營養物質［2］。在微生物作用下，雞糞分解會產生有害氣體，易對人和動物造成危害。而且為促進雞的生長發育、增強抗病能力，通常在飼料中添加含有Cu、Zn、As等重金屬元素的添加劑。研究發現，雞糞含有大量重金屬元素［3，4］，施入農田后造成土壤重金屬累積和農產品超標［5－7］，對人體健康構成潛在危害。

目前，堆肥是畜禽糞污無害化處理的重要手段之一。腐熟的堆肥產品不僅能夠培肥土壤，還可以部分替代化肥［8］。由于雞糞的C／N約為10，低于好氧發酵最適C／N為25～30的條件，為了加快堆肥發酵速度，需要添加C／N比高的有機物料。有機物料盡量選用周邊易得原料，因此各地的發酵物料各異，相應的發酵參數需要調節。本研究選用菌渣、糠醛渣和糖渣為發酵輔料，主要原因是菌渣中含有蛋白質、氨基酸、菌體蛋白、酶等可以再利用的成分［9］；糠醛渣和糖渣C／N比較高，而且具有改善鹽堿土壤的功能［10，11］。大量研究表明，接種外源微生物是加速高溫好氧堆肥進程的另一有效途徑。因為堆肥是在微生物的作用下使糞便腐殖化的過程，堆肥過程中各種變化都與微生物的活動密切相關［12，13］。Zhao等［14］發現接種放線菌可加速雞糞堆肥中木質纖維素降解，促進堆肥腐熟。

由于發酵物料不同，需要針對發酵物料的種類篩選出適宜菌種，以保證發酵效果。針對上述問題，本課題組研制出兩種菌劑，通過設置接種菌劑和不接種菌劑處理，以發酵過程溫度、種子發芽指數等為考核指標，評價兩種菌劑的發酵效果，以期篩選出雞糞為主料，糠醛渣、糖渣和菌渣為輔料的發酵菌劑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）雞糞：蛋雞糞便。（2）糖渣：制糖工業的副產品。（3）糠醛渣：玉米芯、玉米稈、稻殼等農副產品中的聚戊糖成分水解生產糠醛產生的廢棄物。（4）菌渣：栽培草菇的下腳料。（5）微生物發酵菌劑：共2種，其中菌劑1為定向篩選的高效降解纖維素及木質素的曲霉菌和酵母菌混合菌種，其摻入比例為0.05%（W／W），菌劑2為暹羅芽孢桿菌（Bacillus siamensis，有效活菌數≥0.50億／g）。試驗材料基本理化性質見表1。

表1 堆肥材料的基本理化性質

1.2 試驗設計及方法

試驗設置3個處理，即T1：雞糞＋輔料；T2：雞糞＋輔料＋菌劑1；T3：雞糞＋輔料＋菌劑2。重復3次。輔料為菌渣、糠醛渣、糖渣混合物，各物料干重比為雞糞∶糠醛渣∶菌渣∶糖渣＝1.4∶1.2∶1.7∶1.0。混合物料初期碳氮比約為25∶1，含水量為60%，pH值7.2。

試驗于2018年4月20日至6月6日進行。采用槽式發酵工藝，將雞糞與糖渣、菌渣、糠醛渣、發酵菌劑等物料充分混合，然后運至發酵槽中，堆成高約1.2 m、寬2.0 m、長3.0 m的堆體進行發酵。

1.3 測定項目及方法

從發酵第1 d開始，于每天上午9∶30—10∶30測定堆體中間位置上中下部溫度、含水量、氧氣含量等指標。當含水量低于30%時開始補充水分至50%；氧氣含量低于5%時要翻堆；溫度達到60℃以上時也要立即翻堆。同時記錄周圍環境溫度，以便有效控制堆肥進程和產品質量。

分別于發酵第1、5、12、21、37、47天采用5點法在堆體不同部位取樣，取樣量為500 g左右，混勻后測其pH值、有機碳、氮、磷、鉀含量［15］及總腐植酸［16］、發芽指數［17］，測第47天樣品的糞大腸菌［18］、蛔蟲卵［19］、重金屬［15］和抗生素［20］。抗生素由山東省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所檢測。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數據處理和單因素方差分析（P＜0.05）、LSD法多重比較。

2 結果與分析

2.1 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中溫度變化的影響

由圖1看出，雞糞好氧發酵過程中T2、T3處理的溫度基本高于T1。T1、T2、T3處理達到50℃的時間分別為第5、2、2天，且維持50℃以上高溫時間分別為42、45、45 d，均超過10 d，達到GB／T 7959—2012［21］糞便無害化衛生要求；高于55℃的時間維持25 d以上，符合NY／T 3442—2019［22］的標準。初步表明，添加發酵菌劑能使高溫期提前3 d，發酵溫度高于不接種菌劑處理。兩種菌劑在對溫度的影響方面基本無差異。

圖1 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中溫度變化的影響

2.2 雞糞發酵過程中堆肥浸出液對小麥種子發芽指數的影響

由圖2看出，4個發酵時期堆肥浸提物的小麥發芽指數均表現為T2處理顯著高于T1和T3；37 d和47 d時，T3也顯著高于T1。從發芽指數變化趨勢看，隨著發酵時間延長，發芽指數逐漸提高，37 d時T2和T3處理分別達到73.35%和63.91%；47 d時T1、T2和T3處理分別達到58.34%、87.36%和80.14%。表明接種菌劑促進雞糞發酵，37 d時可以達到基本無害程度，47 d時菌劑1處理達到完全無毒［23］。不接種菌劑的T1處理47 d時才達到基本無毒害程度。說明接種菌劑能使發酵時間縮短10 d，菌劑1的效果優于菌劑2。

圖2 雞糞發酵過程中堆肥浸出液對小麥種子發芽指數的影響

2.3 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中pH值變化的影響

由圖3看出，不同處理間相比，在發酵1～12、47 d時T2處理pH值均高于T1、T3，T3處理在5～21 d期間的pH值則低于T1、T2。1～21 d期間，不同處理間差異較大。T2、T3處理pH值變幅大于T1。與第1天相比，之后3個處理的pH值均降低，12～47 d的pH值在6.8～7.1之間。pH值的變化主要是由氨氮產生、揮發和蛋白類有機物質的降解導致的，其變化主要發生在發酵前期即1～21 d。

圖3 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中pH值變化的影響

2.4 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中氮磷鉀含量及其總量變化的影響

試驗結果表明，不同處理間氮磷鉀養分含量差異不顯著。由圖4A看出，3個處理的氮含量1～21 d逐漸增加，之后趨于平穩。由圖4B看出，T1處理的P2O5含量5～21 d逐漸增加，其余時段變幅較小；T2處理1～12 d逐漸增加，之后趨于平穩；T3處理隨著時間推進逐漸增加，但是增幅較小。從圖4C看出，3個處理的K2O含量基本呈現1～37 d逐漸上升，37～47 d趨于平穩。說明本試驗條件下，發酵過程中氮、鉀含量變化主要在1～37 d間。

圖4 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中氮磷鉀含量及其總量變化的影響

從氮磷鉀總量看，3個處理基本呈現1～37 d逐漸上升，37～47 d趨于平穩態勢，且處理間差異不明顯。與第1天相比，之后3個處理的氮磷鉀總量均升高，增幅為5.4%～23.0%。發酵12 d后氮磷鉀總量在4.3%以上。

2.5 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中有機碳含量變化的影響

由圖5看出，3個處理間相比，5～12 d間T2的有機碳含量顯著低于T1和T3。從變化幅度看，T2最大，其次是T3，T1最小。從有機碳變化趨勢看，3個處理1～12 d基本呈現逐漸下降趨勢，21～47 d變化平穩，有機碳含量均在27%以上。與第1天相比，之后3個處理的有機碳均降低，降幅為9.8%～21.4%。有機碳含量反映了微生物分解有機物料中半纖維素、纖維素的能力，但它又是微生物本身所依賴的碳源與能源。所以本試驗發酵條件下，有機物質變化主要在1～12 d間，接種菌劑1有利于有機物質的分解和轉化。

圖5 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中 有機碳含量變化的影響

2.6 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中總腐植酸含量變化的影響

由圖6看出，雞糞發酵1～5 d其總腐植酸含量3個處理間差異不顯著，12～47 d均為T2最高，T3次之，T1最低。從變化趨勢看，3個處理無明顯規律，變化均較大。與第1天相比，T1處理第5天升至最高，其余時間呈波浪式下降，降幅為2.2%～13.6%；T2處理12、37、47 d均升高，增幅分別為10.7%、10.7%、14.9%；T3處理除發酵21 d略降外其它時間均升高，增幅為7.2%～17.1%。說明接種菌劑顯著增加發酵物料的總腐植酸含量，且菌劑1的效果優于菌劑2。

圖6 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中 總腐植酸含量變化的影響

2.7 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中C／N變化的影響

圖7顯示，T2處理的C／N值5～12 d顯著低于T1和T3，其余時間三者間差異不顯著。整個發酵過程中C／N值基本呈現先下降后趨于平穩的趨勢，其中，菌劑1發酵12 d后C／N值穩定在約16，而菌劑2和不接種處理自21 d始穩定在約16。表明好氧發酵過程是C／N值逐漸降低的過程，21 d后C／N值基本穩定，即發酵基本結束，菌劑1的變化幅度最大。

圖7 發酵菌劑對雞糞好氧發酵過程中C／N變化的影響

2.8 發酵菌劑對雞糞堆肥中糞大腸菌、蛔蟲卵和抗生素的影響

測定結果（表2）表明，所有處理的糞大腸菌群數≤3個／g，蛔蟲卵死亡率為100%，符合NY 525—2012［15］和NY 884—2012［24］中的要求，即糞大腸菌群數≤100個／g，蛔蟲卵死亡率≥95%。所有處理均未檢出土霉素、四環素、金霉素、強力霉素。表明本試驗雞糞發酵47 d后的堆肥可以安全施用。

表2 發酵菌劑對雞糞堆肥中糞大腸菌、蛔蟲卵和抗生素的影響

2.9 發酵菌劑對雞糞堆肥中重金屬含量的影響

由表3看出，所有處理的重金屬含量均符合NY 525—2012和NY 884—2012中的要求，即砷≤15 mg／kg、汞≤2 mg／kg、鉛≤50 mg／kg、鎘≤3 mg／kg、鉻≤150 mg／kg。不同處理間比較，T2處理的砷、汞、鉛、鎘、鉻含量較T1均降低，其中鉛含量差異達到顯著水平；T3處理的砷、鎘含量較T1、T2均顯著降低，汞、鉛、鉻含量升高，但是不同處理間差異不顯著。

表3 發酵菌劑對雞糞堆肥中重金屬含量的影響 （mg／kg）

3 討論

3.1 雞糞發酵產物的安全性

雞糞發酵產物的安全性是人們最關注的問題。好氧發酵的目的是減少或去除糞便中的病原體、抗生素、重金屬等有害物質，控制蚊蠅滋生、防止惡臭擴散，加快大分子有機物質的分解，使其達到農用標準。評價的主要指標有溫度、種子發芽指數、C／N值、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數、抗生素、重金屬等，其中溫度變化是反映好氧堆肥發酵是否正常最直接、最敏感的指標。李國學等［25］研究表明，當堆體溫度高于55℃并維持在3 d以上，堆體中的病菌可被殺死。Vinneras等［26］研究表明大多數病原體在高于45℃下會被迅速殺死。本研究中接種菌劑處理堆溫50℃以上的時間持續45 d，達到了GB／T 7959—2012中規定標準（50℃的時間持續10 d以上）；高于55℃的時間維持在25 d以上，符合NY／T 3442—2019中要求（55℃以上維持時間不少于7 d）。本研究中接種菌劑處理達到50℃的時間比不接種處理提前3 d。與已有研究結果一致，接種復合菌劑加快了堆體升溫，腐熟時間縮短，最終加速堆體腐熟［27］。

種子發芽試驗是評價堆肥腐熟度的最終和最具說服力的方法。一般情況下，GI大于50%可認為堆肥對種子基本無毒害，GI大于85%可認為完全無毒，堆肥完全腐熟［23］。NY／T 3442—2019的質量要求GI大于70%。本試驗中雞糞＋輔料處理47 d時GI達到58.3%，可認為堆肥對種子基本無毒害；接種菌劑1處理37 d時GI達到73.35%，47 d時達到87.36%，完全無毒性；接種菌劑2處理47 d時GI達到80.14%，說明接種菌劑能使發酵時間縮短10 d。

堆肥化過程是C／N值逐漸下降并趨于穩定的過程［28，29］，腐熟堆肥的C／N值一般為15左右［30］。竹江良等［31］研究表明加入外源微生物菌劑有利于促進C／N值降低，加速豬糞堆肥腐熟進程。C／N值逐漸下降的原因主要是微生物消耗大量碳水化合物，總碳含量呈下降趨勢，總氮含量相對增加。本試驗發酵過程中有機碳也呈現逐漸下降、氮含量逐漸增加的趨勢，堆肥C／N值逐漸下降，1～12 d時接種菌劑1處理的C／N值低于不接種處理，雞糞發酵到21 d時3個處理的C／N值基本穩定在16，兩個菌種間無顯著差異。

本研究結果表明，所有處理的糞大腸菌群落數≤3個／g，蛔蟲卵死亡率為100%，砷、汞、鉛、鎘、鉻含量也符合NY 525—2012、NY 884—2012和NY／T 3442—2019中的標準；所有處理均未檢出土霉素、四環素、金霉素、強力霉素。

綜合溫度、發芽指數、C／N值、糞大腸菌群數、蛔蟲卵和砷、汞、鉛、鎘、鉻及抗生素等指標，本研究中雞糞發酵產物達到了NY／T 3442—2019和GB／T 7959—2012中規定的各項標準，發酵產物均在安全范圍內，實現了無害化。從堆肥無害化角度看，添加菌劑加快有害物質的去除速度，菌劑1的效果優于菌劑2，堆肥有效時間為37 d以上。

3.2 雞糞發酵產物的可利用性

通過好氧發酵實現畜禽糞便無害化的前提下，盡量降低有效養分損失，提高堆肥質量。有機肥在堆制過程中，由于有機物降解、水分散失、揮發性物質損失等，使得堆體變小，干物質降低，體現出一定程度的“相對濃縮效應”［32］。堆肥過程中全氮含量主要受兩個因素的共同影響，一是NH＋4－N在高溫條件下轉化為NH3造成的含量減少，二是有機質分解引起的含量增加［30］。胡雨彤等［33］研究表明，豬糞堆肥0～6 d全氮含量下降，說明以NH＋4－N的揮發為主，后期全氮含量穩步升高，則由濃縮效應引起。但是本研究中總氮含量1～21 d逐漸增加，37～47 d趨于平穩。說明1～21 d有機質分解產生的氮高于NH＋4－N揮發為NH3造成的含量減少。劉超等［34］研究表明，在高溫堆肥結束時，全磷、全鉀含量比堆肥初始有所增加，原因是堆肥過程中磷素和鉀素不會揮發損失，而堆體的總干物質下降所致。本研究中發酵5～47 d的P2O5和K2O含量均高于第1天，與劉超等［34］的研究結果一致。

王曉娟等［35］研究顯示添加菌劑具有促進有機碳分解的作用。適宜菌劑用量具有減少氮素損失，使腐熟提早完成的作用［36］。在堆肥過程中可溶性有機物逐漸被微生物降解，堆肥結束后，有機質質量分數較堆肥前下降40%～50%［37］。張雪辰等［38］研究表明，在整個堆肥過程中，隨著腐解進行有機碳呈下降趨勢，添加發酵啟動劑可以促進有機質的礦化分解。本研究發酵過程中有機碳含量較第1天降低9.8%～21.4%，添加發酵菌劑1的效果較明顯。

腐殖質是堆肥過程中形成的大分子有機化合物，其主要成分為胡敏酸和富里酸［39，40］，其含有大量官能團，農學效應顯著，可以為作物提供營養，改善土壤理化性質［41］，是發酵產品品質的重要評價標準。欒潤宇等［32］研究表明，雞糞和稻草秸稈堆肥后腐殖質含量升高，這是由于物料不斷分解而生成的。李吉進等［42］認為好氧發酵是一個有機質降解、腐殖質增加且逐漸趨于穩定化的過程，發酵后碳素腐殖化特征明顯。肖禮等［43］發現豬糞秸稈混合堆肥中接種白腐真菌、氨化和硝化菌劑對堆肥腐熟影響不大，但可有效促進有機碳降解。本研究中接種菌劑顯著增加發酵物料的總腐植酸含量，提高了有機質的有效性，且菌劑1的效果優于菌劑2。

發酵產物的用途主要是直接施用到田間或制作商品有機肥或生物有機肥。本研究中發酵12 d以后氮磷鉀總量在4.3%以上，與NY 525—2012標準中規定的氮磷鉀總量≥5%接近。雖然發酵過程中pH值均低于第1 d，但是12～47 d的pH值在6.8～7.1之間，符合NY 525—2012、NY 884—2012標準中規定（pH值5.5～8.5）。3個處理的有機碳含量乘以氧化系數1.5和換算系數1.724后均達到70%以上，符合商品有機肥NY 525—2012和生物有機肥NY 884—2012中有機質含量的標準。所以發酵產物可以作為制作商品有機肥和生物有機肥的原料。

4 結論

4.1 從溫度、發芽指數、C／N值、糞大腸菌群數、蛔蟲卵和砷、汞、鉛、鎘、鉻及抗生素等指標考慮，本研究中雞糞發酵產物達到了NY／T 3442—2019和GB／T 7959—2012中規定的各項標準，所以發酵產物均在安全范圍內，實現了無害化。

4.2 本研究中雞糞發酵12 d后氮磷鉀總量在4.3%以上；12～47 d的pH值在6.8～7.1之間；有機碳含量乘以氧化系數1.5和換算系數1.724后均達到70%以上，符合商品有機肥NY 525—2012和生物有機肥NY 884—2012中對pH值和有機質含量標準的要求。所以發酵產物可以作為制作商品有機肥和生物有機肥的原料。

4.3 綜合各項指標，接種兩種發酵菌劑能提高雞糞發酵速度，發酵時間縮短10 d，菌劑1的發酵效果優于菌劑2。

4.4 最優的發酵工藝是：各物料的干重比例為雞糞∶糠醛渣∶菌渣∶糖渣＝1.4∶1.2∶1.7∶1.0。混合物料初期碳氮比約為25∶1，含水量為60%，pH值7.2。摻入0.05%（W／W）菌劑1。堆肥有效時間控制在37 d以上。