好氧堆肥微生物選育及應用研究進展

朱 鑫， 郜天兵， 楊太婷

河南熱聯科技有限公司，河南 鄭州 450000

據統計，中國每年產生的農作物秸稈約為10.4億噸，產生的禽畜糞便約為38億噸[1]，并且由于農業生產集約化和機械化，這一數字還在以每年5%～10%的速度不斷增長[2]。在農業生產、農產品加工、畜禽養殖以及農村居民生活過程中排放的廢棄物稱為農業廢棄物。這些農業廢棄物如果不經處理而隨意的丟棄或排放，會對環境造成不可估量的破壞，其中可能含有的大量病原菌會時刻威脅到人們的身體健康。好氧堆肥是指在有氧的條件下，通過土著或外源微生物的作用，將廢棄物中的有機質轉化為腐殖質，并釋放能量的過程。廢棄物中的有機質經過堆肥處理后，能產生大量易被植物所吸收的氮、磷、鉀等化合物，以及具有改善土壤肥力的腐殖質。此外，由于堆肥過程會將廢棄物中的有機質降解，再加上水分的喪失，經過堆肥化以后，廢棄物的體積和重量會有較大幅度的減少，增加了運輸和貯存的便利性。

影響好氧堆肥進程和效果的因素有很多，如C/N比[3]、含水率[4]、通氣量[5]、添加劑[6]等，堆肥添加劑通常分為調理劑和接種劑[7-8]。早在1936年的時候，纖維分解菌就被制成菌劑用作堆肥的接種劑[9]。國內外眾多學者的研究表明，在堆肥內有針對性地添加外源微生物，能夠強化堆肥的進程以縮短堆肥周期，并且某些外源微生物還具有降解堆肥材料中有毒有害物質的作用[10-13]。本文將按照不同功能的微生物作為分類依據，總結了近年來各種常用的好氧堆肥微生物及其效果的研究現狀，以期為好氧堆肥的菌種選育提供理論支持。

1 影響微生物菌劑效果的因素

好氧堆肥是以多種微生物為主導的復雜生理生化過程，因此添加的堆肥菌劑的效果與外界環境的呈現極高的相關性，一般認為，添加外源微生物的作用與含水率、通氣量、C/N、溫度和pH密切相關。

水是生物維持生命活動必不可缺的物質之一，引入的微生物菌劑會因堆肥中含水率的不同而受到不同程度的影響。當堆體的含水率低于20%時，添加的微生物菌劑可能完全無法生長及代謝[14]，在含水率低于30%的環境中，引入的外源菌劑在分解有機物時可能會受到抑制[15]，而當含水率過高時，堆體內氣體的流通效率會下降，從而導致氧氣濃度不足，進一步導致引入的外源微生物進行厭氧反應，從而降低堆肥的反應速度并產生大量的有毒有害物質和臭氣[16]。大量的研究表明堆肥最適宜的含水率為50%～70%[17-20]。

好氧堆肥是一個需氧的理化過程，通常在好氧堆肥中添加的外源微生物也是需氧微生物，氧含量的不同會導致引入的外源微生物產生截然不同的效果。當氧氣供應不足時，堆體內的微生物可能會進行厭氧發酵產生甲烷[21]，并導致有機物分解不完全，降低廢棄物的利用效率。但通氣量也不能太大，否則會帶走堆體內產生的大量熱量，使得堆體溫度不能升高進而無法殺死堆體內的病原微生物，并且過高的氧分壓會增加氨氣的排放[22]，使堆體內的養分流失。氧氣的供應形勢一般分為機械翻堆和強制通風，但無論采用哪種方式，其最終目的都是給堆體內的微生物提供最適合的環境，使其能力達到最大化。有研究表明，采用間歇式的通風方式更有利于堆體內水分的散失以及溫度和營養的保持[23]。

碳源和氮源是維持微生物正常生命活動所必需的元素，其中碳源為微生物合成細胞骨架提供元素并為微生物的生理活動提供能源，氮源則為蛋白質、核酸的合成提供物質基礎。有研究表明，微生物每消耗一份氮，需要大約25—30份碳，因此，堆肥中適宜的初始碳氮比為20～30[24-25]。過高的碳氮比會限制堆體內的微生物對有機質的降解，增長發酵周期；若碳氮比太低，會導致堆體中的N以NH3、NOX等形式散失，不僅會排放出對環境不利的氣體，并且會導致堆肥的肥效下降[24]。禽畜糞便的碳氮比較低，而作物秸稈的碳氮比比較高，因此通常將兩種材料按照一定的比例混合,以達到碳氮比平衡的目的。

溫度不僅是好氧堆肥進程最直觀的體現，還是影響堆肥中微生物活性及有機質降解的重要因素之一[26]。堆肥中的優勢微生物會隨著溫度的變化而變化，因此堆肥菌劑的篩選可以根據這一規律在不同溫度階段分離不同功能的微生物。在堆肥過程中，溫度是一個非常重要的工藝參數，溫度過低，不僅會使得有機質降解效率降低，而且會導致堆體中多余的水分無法排出，最重要的是在低溫條件下材料中的病原微生物無法被殺死，一般堆肥需要保持溫度在55 ℃以上持續5 d才能達到無害化的要求[27]；而當溫度過高時，可能會加速堆肥中碳氮源的散失，并且過高的溫度可能對細菌的孢子造成損傷，導致降溫期和腐熟期的微生物多樣性下降，降低堆肥的肥效，因此需要通過攪拌或者通風的方式帶走堆體中過多的熱量[28-29]，在好氧堆肥的高溫期，為了加速有機質的降解和腐殖質的形成，通常將溫度控制在50 ℃～60 ℃。

在堆肥過程中，pH會直接影響微生物的活性和生存能力，一般認為堆肥最適宜在偏堿性的環境中進行[30]。另外，pH會在整個堆肥過程中波動，但是由于堆體內復雜的環境對pH具有一定的緩沖能力，因此在堆肥的初始和過程中通常不需要再對pH進行調整，但是，如果產品對pH具有較高的要求，則可以加入碳酸鈣等堿性物質調節。

2 堆肥中的優勢微生物的選育及其對堆肥的影響

2.1 堆肥中的優勢微生物

好氧堆肥通常分為4個階段：升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期，各個階段中都有其獨特的優勢菌群，共同促進物料的分解和腐熟[31]。有研究表明，在堆肥過程中微生物的數量和種類的階段性變化與溫度一致，在升溫期和高溫期，堆肥中的可培養微生物均經歷了一個先增加后降低再增加的過程，并且在整個過程中，細菌和放線菌的數量均高于真菌的數量[32]。

堆肥所用的廢棄物種類繁多，根據不同原材料的特性，各種材料堆肥中添加的菌種也千差萬別，表1列舉了部分常見的堆肥材料中各時期的優勢微生物。

表1 不同的材料堆肥中各時期優勢微生物

總體來看，在堆肥升溫期主要以分解簡單有機物的微生物為主，這些微生物分解簡單有機物并釋放大量熱量推動堆肥進入高溫期，在高溫期則以能夠分解如纖維質和蛋白質等復雜化合物的微生物為主，待這些復雜化合物分解完畢后，熱量的產生不足以抵消堆體散發的熱量，溫度逐漸下降，這時，升溫期的微生物重新占據主導位置，成為優勢菌群。此外，目前的大多數研究表明[33-36]，在整個堆肥過程中，芽孢桿菌屬微生物占據了一個比較重要的地位，這可能得益于其耐高溫、快速復活和分泌酶能力強等特點。

2.2 常用堆肥菌種的選育

2.2.1纖維素降解菌的選育

堆肥材料中廣泛存在著一種致密的微晶纖維素，這些纖維素因其空間構象呈緊密的纖維束，水解酶無法充分接觸，因此比較難以被降解[37]。GUDER D G[38]使用CMC水解圈法和Whatsman濾紙降解實驗從羊瘤胃中分離出8株具有高效降解纖維素能力的菌株，細菌分類學研究顯示，其中有5株芽孢桿菌屬、2株桿菌屬和1株腸桿菌屬微生物。夏強[39]通過剛果紅染色實驗和FPA酶活測定篩選出具有纖維素降解能力的黑曲霉、綠色木霉和地衣芽孢桿菌，并發現將這三種微生物按照3∶3∶2的比例混合后，可以得到比任何單一種類的微生物更高的濾紙酶活。SU等[40]通過在分離培養基中添加藤黃微球菌的復蘇促進因子(Resuscitation-promoting factors，Rpf)來分離某些可存活但不可培養微生物以及增加細菌群落對纖維素的降解能力，結果顯示，Rpf的引入可以分離出一些具有纖維素酶活和濾紙酶活的獨特微生物，這些微生物在正常狀態下是不可培養的，并且經過Rpf處理后的富集微生物，其纖維素酶活性得到顯著增強。纖維質類廢棄物由于其難處理、體積大的特點，將其用于堆肥是一個前景比較大的再利用途徑，相較于單一微生物，混合菌劑對不同底物都具有降解能力且降解效率更加優秀，因此，堆肥用混合微生物菌劑的選育仍然是制約好氧堆肥發展的因素之一。

2.2.2固氮微生物的選育

2.2.3抗生素降解菌的選育

除纖維素降解菌和固氮菌株以外，由于禽畜養殖業中長期使用抗生素作為飼料添加劑，雖然這一措施能有效促進禽畜的生長，但也導致大量的耐藥性基因成為人類生活潛在的威脅[49-50]。在堆肥中，禽畜糞便內的抗生素可被微生物降解， MITCHELL S M等[51]的研究表明在高溫堆肥的過程中可有效降解糞便中含有的抗生素類化合物。LIAO X B等[52]經過富集馴化得到一組混合微生物，將其投入到含有100 μg/L磺胺類抗生素的環境中，一周內的降解率可達50%以上，并且經過四周的培養后，磺胺類抗生素的降解率為78.3%，進一步對降解過程的微生物進行分析發現，厚壁菌門和擬桿菌門是主導降解亞磺酰胺的關鍵微生物。HARRABI M等[53]將從杜羅河河口收集的沉積物接種至含有抗生素的培養基中，經過一個月的培養后發現，培養基中的抗生素被降解了95%以上。

2.2.4其他菌種的選育

除纖維素降解微生物、固氮微生物和抗生素降解菌外，堆肥中P和K的含量也是衡量堆肥質量的重要因素。李慶榮等[54]利用選擇培養基從蠶沙堆肥中篩選出10株溶磷解鉀微生物，鑒定結果表明這些微生物均屬于芽孢桿菌屬，其中一株巨大芽孢桿菌能夠釋放磷酸鈣中的磷，而另外9株菌均能夠將鉀長石的鉀轉化為可溶性鉀鹽。蔣寶貴[55]從土壤中分離得到9株解磷細菌和5株解鉀細菌，其中一株解磷細菌經培養后的培養液中可溶性磷的含量比對照組增加了95.8%，而另外一株解鉀細菌經培養后其培養液中速效鉀的含量比對照組增加了161%。此外，堆肥材料(如禽畜羽毛、糞便等)中可能含有大量的蛋白質，為提高這些材料的腐熟速度和綜合利用率，可以將蛋白酶產生菌接種至堆肥內。郭曉軍等[56]利用平板擴散法和Folin-酚試劑比色法從豬糞中分離出一株耐熱的蛋白酶產生菌，其蛋白酶活為45.67 U/mL，經鑒定后表明該菌為甲基營養型芽孢桿菌，該菌可在50 ℃的環境下生長，能夠作為堆肥接種劑的良好菌種。

綜合國內外對好氧堆肥微生物選育的研究表明，纖維素降解菌是加速堆肥腐熟、提高堆肥質量、促進堆肥中難降解物質降解的關鍵，而硝化細菌、反硝化細菌及自生固氮菌則是主導堆肥過程中氮素循環的關鍵菌株。此外，含有抗生素的堆肥材料還需要添加一些能夠降解抗生素的微生物，而對于含有蛋白質較多的材料，最好能夠加入一些產蛋白酶的微生物，這樣才能夠使得其中的有機質更加完全地降解。相較于使用單一菌株，將一些功能不同的微生物組合成復合菌劑投加到好氧堆肥中成為廣大學者關注的熱點。

3 堆肥微生物的應用

堆肥過程的實質就是各種微生物活動、代謝的結果，但是不同的原材料中占據主導的微生物各不相同[11]，因此，研究者大多從堆肥過程或原料中篩選獨特的微生物并應用于堆肥內[57]。將微生物接種至堆肥內強化堆肥的應用極其廣泛，表2列舉了一批常見的微生物接種強化堆肥案例。

表2 常見的微生物接種強化堆肥案例

此外，對于微生物復合菌劑而言，由于各個階段中堆肥內部的生理生化反應大不相同，因此在不同的階段添加不同功能的微生物比在堆肥初始接種所有的微生物效果更好。XI等[71]根據有機質的降解和溫度情況分三階段接種堆肥菌劑，在溫度上升階段(第0 d)接種硝化細菌和除臭菌，其目的是減少氨揮發和硫化氫的氣味；第二階段是高溫期(第18 d，在此階段的中后期，當溫度下降至小于55 ℃時通過接種纖維素降解菌來加速剩余纖維質材料的降解；當堆體溫度低于40 ℃時為第三階段(第24 d)，通過接種木質素降解菌系來加速腐殖質的形成，提高堆肥的穩定性。結果表明，與初始接種菌劑相比，多階段接種菌劑延長了堆肥高溫期的時間，并且在堆肥過程中避免了接種微生物與土著微生物之間的競爭關系，有效提高了細菌和真菌的群落多樣性，這表明多階段接種技術對于堆肥的過程具有明顯的促進作用。

綜合國內外對于微生物菌劑的應用來看，在堆肥內添加微生物菌劑的主要原因是堆肥材料中含有某些難以被自然繁殖的微生物徹底降解的物質，通過添加外源微生物這種方式，擴大堆體內優勢菌群的數量或者提高堆體內的微生物多樣性，促進難降解物質的分解，提高堆肥效率。此外，添加一些功能菌群(如硝化細菌、解磷固氮菌等)能夠顯著提升堆肥的質量，使得成品堆肥具有改善土壤品質的作用。

4 總結與展望

添加微生物菌劑可以加速堆肥底物的降解，縮短堆肥所需的時間以及增加堆肥的肥效，并將原料所含的有毒有害物質降解轉化為有機質。另外，將功能各異的多種微生物制作成微生物復合菌劑加入堆肥內，其有機質降解速率、總氮含量、腐殖酸水平等各項關鍵指標均能得到不同程度的提高。因此，堆肥微生物復合菌劑將是后續研究重點，并具有極其廣闊的應用前景。