食用菌菌糠堆肥化發酵特性及腐熟進程

徐瑞蔓 李 茜 孫 宇 陳 迪 趙洪顏 袁旭峰 樸仁哲*

(1.延邊大學 農學院，吉林 延吉 133002；2.中國農業大學 農學院，北京 100193)

食用菌是我國的五大種植產業之一[1-2]。每年食用菌的栽培量都非常大，但食用菌栽培后菌糠的利用率僅為33%左右[3-4]。食用菌的栽培區域廣泛，各地栽培原料不同。東北地區的菌糠主要以農作物秸稈為原料，由于東北地區氣溫低，菌糠量大，無法靠天然快速分解，菌糠被隨意堆放造成環境污染，資源被浪費。目前堆肥處理是處理廢棄菌糠最經濟有效的方法。

菌糠有機肥能夠改良土壤使作物增產并且改善作物品質[5-6]。雷琬瑩等[7]研究發現按m(黑木耳菌糠)∶m(牛糞)按7∶3的比例堆制有機肥，腐熟后有機肥中氮素與P2O5的含量均有所增加，大大提高了種子發芽指數。可以通過施用菌糠有機肥進行改良鹽堿土壤，施用木耳菌糠與雞糞混合堆制后的有機肥可以顯著提高鹽堿地中蒜苗的生長水平[8]。堆肥過程中產生豐富的微生物菌系和生物酶，對許多化學成分都有降解作用[9-10],還可以脫色污水[11]。菌糠中含有大量蛋白質、粗纖維、粗脂肪和許多活性物質[12]，可以為作物生長提供營養源，通過制成有機肥還可以改善貧瘠的土壤。食用菌菌糠中含有大量難以降解的木質纖維素，主要包括纖維素、半纖維素與木質素,該三者之間差異較大，但緊密結合，各自對應的降解酶也不同，因此，單一的微生物并不能將菌糠分解。Zang等[13]研究發現在牛糞-水稻稻草堆肥時添加纖維素分解菌DN-1來調控β-葡萄糖酶的活性，可以顯著提高牛糞-水稻稻草堆肥中纖維素的分解效率。此外，王偉東等[14]將微生物復合菌WSC-6接種到稻稈上，3 d時稻稈的分解效率就達到了81.3%，說明添加外源微生物菌劑可以加速木質纖維素的分解。

雖然已有對木質纖維素分解菌復合系在木質纖維素類廢棄物堆肥化過程中應用的大量研究，但在食用菌菌糠堆肥化利用方面的研究尚少。食用菌菌糠是木質纖維素含量較高的廢棄物，提高食用菌菌糠的分解效率十分必要。因此，本研究擬將食用菌菌糠與豬糞混合堆制，以未添加木質纖維分解菌的堆肥為對照，探討外源木質纖維分解菌復合系對食用菌菌糠堆肥的影響，比較添加外源微生物分解菌復合系的與否對菌糠堆肥中纖維素、半纖維素及木質素降解效率的影響，以期為添加微生物分解菌復合系來加速菌糠堆肥進程，提高堆肥品質提供參照依據。

1 材料與方法

1.1 堆制材料及堆制方法

試驗地點為延邊大學實踐基地，試驗材料為食用菌菌糠和新鮮豬糞，原料的理化指標見表1。首先按m(食用菌菌糠)∶m(豬糞)=3∶1的比例混合，再用氮源添加劑調整碳氮比為25左右。待氮源添加劑被充分吸收，將試驗材料混拌均勻，分成體積相同的2個堆體，堆體的體積為5 m3，高度為1.3 m。其中一個堆體添加木質纖維素分解菌并攪拌均勻為試驗組，未添加的堆體為對照。木質纖維素分解菌(MC1)由中國農業大學崔宗均課題組提供，詳見參考文獻[15]。2019年10月21日準備完成后在延邊大學溫室進行自然發酵。自然發酵過程采用人工翻堆的方式：當堆體溫度上升到50 ℃開始翻堆，每隔2 d翻堆一次；溫度下降到35 ℃以后每5 d翻堆一次。試驗共堆制66 d，將開始堆制的第一天作為第0 d，每隔2 d取一次樣，分別在距堆體頂部30、80和100 cm深處，各層采用對角線五點取樣法取樣后混合均勻，測定樣品中纖維素、半纖維素和木質素的含量，其余樣品風干磨碎后過70目篩，作為測定理化指標的待測樣品。

表1 原料的理化指標Table 1 Physical and chemical indicators of raw materials

1.2 發酵參數的測定

采用多路溫度記錄儀記錄堆體的溫度及室溫。

pH和EC的測定參照程斐等[16]的方法，待測樣品按照V(水)∶m(樣品)=5∶1浸提。取風干樣品 10 g，加入蒸餾水50 mL，劇烈震蕩5 min，靜止30 min 以后過濾得到澄清液，pH使用SX-620 pH計進行測定讀取數值，電導率使用DDSJ-308A電導率儀進行測定讀取數值。

堆肥的理化指標測定主要參照鮑士旦[17]編著的《土壤農化分析》。

將風干的樣品過1 mm的篩子，通過ANKOM200纖維素分析儀進行中性洗滌和酸洗，測定樣品中半纖維素的含量，然后用72%的濃硫酸洗滌，并在馬弗爐中灰化，測定樣品中的纖維素、半纖維素和木質素的含量，計算公式如下：

半纖維素含量=
[(m2-m3)-(C0-C1)]/m1×100%
纖維素含量=
[(m3-m4)-(C0-C2)]/m1×100%
木質素含量=
[(m4+m5-m6)-(C0+C3-C4)]/m1×100%

式中：m1為待測樣品質量，g；m2為中性溶液洗滌后待測樣品與濾袋的總質量，g；m3為酸性溶液洗滌后待測樣品與濾袋的總質量，g；m4為硫酸洗滌后待測樣品與濾袋的總質量，g；m5為空坩堝的質量，g；m6為馬弗爐灰化后的坩堝質量，g；C0為空白濾袋的質量，g；C1為酸性溶液洗滌后空白濾袋的質量，g；C2為硫酸溶液洗滌后空白濾袋的質量，g；C3為空白濾袋的坩堝質量，g；C4為空白濾袋灰化后的坩堝質量，g。

稱量10 g樣品，加入50 mL蒸餾水，搖床震蕩30 min，離心10 min獲得清液。將濾紙放入無菌的9 cm培養皿中，20粒蘿卜種子均勻地放入培養皿中加入5 mL提取液，以蒸餾水為對照，在25 ℃恒溫培養室培養48 h，測定發芽率和根長，發芽指數GI(%)=(處理平均發芽率×處理平均根長)/(對照平均發芽率×對照平均根長)×100。

1.3 數據分析方法

采用Excel 2010與SPSS 17對原始數據進行數據處理和方差分析。

2 結果與分析

2.1 MC1處理對堆肥溫度的影響

添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體的溫度見圖1。與對照堆體相比，添加木質纖維素分解菌復合系的堆體溫度上升的速率更快；在第3天添加木質纖維素分解菌復合系的堆體就已經進入了高溫分解期(>50 ℃)并且一直持續到堆制的第45天，在第21天溫度達到最高63 ℃，添加木質纖維素分解菌復合系延長了堆肥嗜熱階段，有利于底物的有效生物轉化，徹底殺死病原體和昆蟲卵。對照堆體在第6天才進入高溫分解期，第54天開始進入降溫階段，而添加木質纖維素分解菌復合系的堆體從第45天溫度就開始下降，進入降溫期。相比于對照堆體，說明添加木質纖維素分解菌復合系使堆體中的物質更快被分解，從而縮短了堆肥的腐熟化進程。2個堆體的高溫期持續時間都超過了10 d，符合GB 7959—2012《糞便無害化衛生標準》中對堆肥的衛生要求[18]。

圖1 添加及未添加木質纖維素分解菌處理在堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Temperature changes in lignocellulose-degrading bacteria added and not added treatments during composting

2.2 MC1處理對堆肥理化指標的影響

2.2.1MC1處理對堆肥過程中pH與電導率的影響

添加木質纖維素分解菌堆體及未添加對照堆體pH的變化見圖2。由圖2可以看出，不同處理的pH都呈先上升然后平穩的趨勢，整個堆肥過程中的酸堿度都處于7.4～7.9，呈微堿性，有助于堆肥過程中微生物的生長和代謝活動。在堆肥初期，被分解的蛋白質生成大量NH3使堆肥的pH升高。隨著NH3的揮發和有機物的降解產生有機酸，添加木質纖維素分解菌復合系的堆體在第45～54天時pH開始下降。在堆肥結束時，添加木質纖維素分解菌復合系的堆體的pH為7.81，對照堆體為7.85，均符合腐熟堆肥一般呈弱堿性的標準[19]。

圖中數值為樣品3次重復的平均值，不同字母表示同一處理在不同時間P<0.05水平差異顯著，下圖同。The values in the figure are the average of 3 replicates of the sample, and different letters indicate has significant differences within the same treatment at different time points (P<0.05). The same below.圖2 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中pH的變化Fig.2 Changes in pH during composting after lignocellulose degrading bacteria

圖3為添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體電導率的變化。可見：2個堆體電導率的變化趨勢相同，在堆肥初期有所上升然后下降逐漸趨于穩定；隨著發酵的進行2個堆體中的有機物質被分解，生成大量有機酸和礦質鹽，使堆體的EC值增加；隨著溫度升高，堆肥含水量下降，2個堆體EC值的增長速率減緩并穩定在較高水平；在發酵后期，由于容易分解的有機物減少、產生的CO2、NH3揮發，導致堆肥的EC值含量下降。堆肥結束后添加木質纖維素分解菌復合系的堆體及對照堆體的電導率分別為1 077 和901 μS/cm，皆低于4 000 μS/cm，符合土地安全應用的標準[20]。

圖3 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中電導率的變化Fig.3 Changes of conductivity during composting after lignocellulose degrading bacteria

2.2.2MC1處理對堆肥過程中有機質及碳氮比的影響

添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體有機質含量的變化見圖4。可見：2個堆體有機質含量的變化趨勢基本相同，在堆肥初期有機碳被快速分解成大量的水溶性有機碳使有機質含量增加。從第6天開始，有機質的含量總體上呈下降趨勢，相比于堆肥初期有機質含量最高的時期到堆肥結束時，添加木質纖維素分解菌復合系的堆體和對照堆體有機質的含量分別下降了238.47和180.38 g/kg，添加木質纖維素分解菌復合系堆體的分解效率是對照堆體的1.32倍。

圖4 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中有機質含量的變化Fig.4 Changes of organic matter content during composting after lignocellulose degrading bacteria

碳素和氮素是控制微生物生長的重要元素，所以堆肥的C/N比是影響堆肥發酵進程的重要指標[21]。添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體的C/N比見圖5。可知：2個堆體C/N比的變化趨于一致，在初期有些升高，達到了微生物生長適宜的C/N比，而后呈下降的趨勢。C/N在堆肥后期呈下降趨勢的主要原因是碳的分解效率低于氨的轉換效率，堆肥結束時，添加木質纖維素分解菌復合系堆體的C/N比為18.47；對照堆體的C/N比為16.92，均低于20，2個堆體都達到了腐熟標準[22]。

圖5 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中C/N的變化Fig.5 Changes of C/N during composting after lignocellulose degrading bacteria

2.2.3MC1處理對全氮、銨態氮、硝態氮含量的影響

表2為添加木質纖維素分解菌堆體和未添加對照堆體全氮含量的變化。可知2個堆體全氮的含量呈先上升后下降最后穩定在11 g/kg的水平。前期全氮含量的增加是由于堆肥中大量有機物被分解釋放出NH3使總氮含量增加。由于氨化和礦化作用使2個堆肥中銨態氮的含量在第0—21天都處于增加的狀態(圖6)。在第9天時添加木質纖維素分解菌復合系的堆體全氮含量達到堆肥中期的最低值10.920 g/kg，此時它的銨態氮含量達到了整個堆肥過程的最大值，說明此時氨化作用占發酵過程的主導，由于產生了大量的NH3而造成了揮發損失[23]，而第9天時添加木質纖維素分解菌復合系的堆體硝態氮含量也處于較低值(圖7)從而導致添加木質纖維素分解菌復合系堆體的全氮含量在第9天急劇下降。對照堆體堆肥中期全氮含量的最低值產生在第21天，這也說明了添加木質纖維素分解菌復合系加快了堆肥的發酵進程。在堆肥結束后添加木質纖維素分解菌復合系堆體的總氮含量為11.880 g/kg；對照堆體為11.496 g/kg，比初始時總氮的含量有所上升[24]，這與楊國義等[25]的研究結果一致。

表2 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中全氮含量的變化Table 2 Changes of total nitrogen content during composting after lignocellulose degrading bacteria

添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體銨態氮含量的變化見圖6。可見添加木質纖維素分解菌復合系的堆體與對照堆體銨態氮含量的變化都呈先上升后下降逐漸趨于穩定的趨勢：堆肥前期，由于氨化作用導致堆肥中銨態氮含量的增加；添加木質纖維素分解菌復合系的堆體在第9天時銨態氮含量達到最大值402.16 mg/kg，隨著不斷的翻堆硝化作用成為主導作用，銨態氮的含量開始減少；對照堆體在第21天才達到最大值442.43 mg/kg；在第21天之后銨態氮的含量才開始減少。銨態氮含量的減少被認為是堆肥腐熟的一種標志，因此添加木質纖維素分解菌復合系的堆體比對照堆體更快達到腐熟。

圖6 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中銨態氮含量的變化Fig.6 Changes of ammonium nitrogen content during composting after lignocellulose degrading bacteria

添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體硝態氮含量的變化見圖7。可見在硝態氮含量方面，2個處理的變化趨勢相同，由于氨化作用前期表現為下降的趨勢，后期由于硝化細菌的作用，硝態氮的含量不斷增加，堆肥結束時添加木質纖維素分解菌復合系的堆體與對照堆體硝態氮的含量達152.48 mg/kg、128.59 mg/kg。

圖7 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中硝態氮含量的變化Fig.7 Changes of nitrate nitrogen content during composting after adding lignocellulose degrading bacteria

2.2.4MC1處理對堆肥過程中全磷、全鉀含量的影響

添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體全磷、全鉀的含量見表3和4。可見堆制結束時2個堆體全磷與全鉀的含量均與堆制前存在顯著性差異：當堆肥結束時，添加木質纖維素分解菌復合系的堆體及對照堆體的全磷含量為4.951±0.027 g/kg和4.098±0.019 g/kg，比最初堆制時增加了2.417 g/kg和1.595 g/kg；添加木質纖維素分解菌復合系的堆體在堆肥結束時全鉀的含量為15.600±0.040 g/kg，比堆制最初時增加了9.080 g/kg；對照堆體為13.333±0.114 g/kg，增加了7.823 g/kg。添加木質纖維素分解菌復合系堆體全磷及全鉀增加的含量均高于對照堆體，是由于添加微生物復合菌系之后提高了堆體的代謝能力。

表3 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中全磷含量的變化Table 3 Changes of total phosphorus content during composting after lignocellulose degrading bacteria

表4 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中全鉀含量的變化Table 4 Changes of total potassium content during composting after lignocellulose degrading bacteria

2.2.5MC1處理對堆肥過程中纖維素、半纖維素及木質素含量的影響

圖8和9分別為添加木質纖維素分解菌后纖維素和半纖維素含量的變化。可見隨著堆肥進程的不斷推進，纖維素和半纖維素的含量也在不斷減少：堆制結束時，添加木質纖維素分解菌復合系堆體的纖維素含量為15.93%，對照堆體為17.48%，分別比堆制前減少了17.33%和16.03%，添加木質纖維素分解菌復合系堆體纖維素的降解率為對照堆體的1.08倍；添加木質纖維素分解菌復合系堆體的半纖維素含量為3.81%，對照堆體為6.37%，分別比堆制前減少了7.26%和4.64%，添加木質纖維素分解菌復合系的堆體對于半纖維素的降解率是對照堆體的1.56倍。因此，添加木質纖維素分解菌可以使微生物菌系中的微生物在堆肥中快速定殖，從而提高堆肥中纖維素及半纖維素的降解速度。

圖8 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中纖維素含量的變化Fig.8 Changes of cellulose content during composting after lignocellulose degrading bacteria

圖9 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中半纖維素含量的變化Fig.9 Changes of hemicellulose content during composting after lignocellulose degrading bacteria

木質素由于復雜的結構、分子量大及其不溶性而很難被分解[26]。添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體在堆肥過程中木質素含量的變化見圖10。可見：堆肥中的木質素分解效率很緩慢，添加木質纖維素分解菌復合系堆體的木質素經過發酵從41.83%減少到29.81%，減少了12.02%；對照堆體的木質素經過發酵從41.73%減少到33.40%，僅減少了8.33%。

圖10 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中木質素含量的變化Fig.10 Changes of lignin content during composting after lignocellulose degrading bacteria

2.3 MC1處理對堆肥過程中蘿卜發芽指數的影響

添加木質纖維素分解菌堆體和對照堆體的發芽指數見圖11。可見2個堆體的GI都呈先短暫上升然后下降最后上升的趨勢：起始時由于有機物分解的少所以產生的有毒物質少，但是隨著堆肥進程的推進，分解出的有毒物質對蘿卜種子產生了毒害作用，并且在第6—21天時對照堆體的GI高于添加木質纖維素分解菌復合系的堆體。原因時由于添加微生物復合菌系加快了堆體中有機物的分解，產生了更多的有毒物質，這與孫旭等[27]的研究結果一致。在堆肥結束時，添加木質纖維素分解菌復合系堆體的GI為91%，對照堆體的GI為81%，各個處理的發芽指數都超過了80%，說明堆肥已經腐熟，對植物安全[28]。

圖11 添加木質纖維素分解菌處理堆肥過程中發芽指數的變化Fig.11 Changes of germination index during composting after lignocellulose degrading bacteria

3 討 論

堆肥處理可以合理利用菌糠資源，腐熟后的有機肥施入地里，可有效增加土壤的有機質含量，從而提高地力。但由于菌糠堆肥普遍存在發酵時間慢的問題，通過添加外源菌劑來提高堆肥的腐熟進程，可進一步提高菌糠的利用率。

本研究發現，后期2個堆體的有機質含量都有所上升，可能是堆肥中的固氮菌進行了固氮作用，從而使有機質的含量增加[29]。添加木質纖維素分解菌復合系處理的堆體中，在堆制的第6天堆肥中全磷的含量增加，可能是由于堆體的原料被不斷分解，造成添加微生物復合系堆體的相對體積變的更小，造成全磷含量的增加。并且添加木質纖維素分解菌復合系的堆體比對照堆體分解的量更多、速度更快，所以添加木質纖維素分解菌復合系堆體全磷的含量比對照堆體全磷的含量高。堆制結束后2個堆體的全磷及全鉀的含量都有所增加，與李昌寧等[30]的研究結果一致。

纖維素、半纖維素和木質素是食用菌菌糠中的主要物質，其相互結合后很難被一種微生物快速降解[31]，該試驗中對照堆體中木質素的降解率僅為8.33%，而接種的外源木質纖維素分解菌在堆肥中快速定殖，增加了微生物的種類，在高溫階段微生物群體之間共同協作，降低產物之間的反饋抑制作用提高菌糠堆肥中木質纖維素的降解率。添加木質纖維素分解菌復合系的堆體比對照堆體的分解率更大，說明在高溫期微生物的分解能力最大，這與許從峰等[32]研究結果一致。

在正常條件下，堆肥需要經過很長時間的發酵才能腐熟，可通過向堆肥中添加外源微生物菌劑來縮短堆肥發酵的周期。鄭世仲等[33]向廢棄茶渣堆肥中添加以白地霉和嗜熱芽孢桿菌為主要菌種的微生物菌劑，加快茶渣快速分解使發酵周期縮短了33 d。MC1復合菌中的地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)就屬于嗜熱芽孢桿菌[34]，隨著堆肥中有機物的逐漸降解和堆體溫度的升高，地衣芽孢桿菌的數量逐漸增加。此時，由于堆肥中有機碳的減少，堆體中總磷的含量增加，便促進了假單胞菌的生長，所以北城假單胞菌(Pseudomonasboreopoles)在堆肥的高溫階段活性增強，這與吳正松等[35]的研究結果一致。說明在堆肥腐熟過程中地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)會促進北城假單胞菌(P.boreopoles)的生長，從而在高溫期提高堆肥中有機物的降解。此外，芽孢桿菌屬的細菌還可以產生生物表面劑來促進木質纖維素的降解，所以芽孢桿菌屬也是腐熟期的主要菌株[36]。李杰等[37]將復合菌劑添加到牛糞-秸稈堆肥中，可以使牛糞-秸稈堆肥提前20 d達到腐熟。由于菌糠堆肥中木質纖維素的含量遠高于茶渣及畜禽糞便堆肥，更加難以降解，所以本試驗中添加木質纖維素分解菌復合系的堆體比對照堆體提前了10 d達到腐熟。

4 結 論

1)添加木質纖維素復合菌系與對照相比較，進入高溫期較快，且持續時間縮短8 d；

2)通過C/N、pH、有機質含量、發芽指數等指標綜合評價，添加木質纖維復合菌系食用菌菌糠腐熟時間為56 d，而對照為66 d，堆肥腐熟進程縮短10 d；

3)堆肥中添加木質纖維素分解菌復合系可以有效降解半纖維素、纖維素和木質素。分解率分別為7.26%、17.33%和12.02%，分別為對照堆體的1.56、1.08和1.44倍；

4)添加木質纖維復合菌系與對照相比較，有利于全磷含量的有效化。