微生物在我國農業廢棄物資源化利用中的研究進展

楊浩瑜，秦潔，武曉燕，宋莉，趙斌

（中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

近些年來，由于我國高速發展現代農業、穩步提高農產品產量，從而產生的廢棄物也在隨之增加，并且伴有嚴重的生態環境問題，給農業可持續發展造成阻礙。在2021 年國家發展改革委發布的《“十四五”循環經濟發展規劃》中提出，到2025 年農作物秸稈綜合利用率保持在86 %以上[1]。2020 年，《第二次全國污染源普查公報》公布的數據顯示，相比農作物秸稈利用率，畜禽糞便的利用率仍然偏低，解決我國農業廢棄物處理的問題須臾不能放松。

1 我國農業廢棄物資源概況及環境生態效應

農業廢棄物是農業生產、農產品加工、畜禽養殖業和農村居民生活排放的廢棄物總稱。農業廢棄物也稱農業垃圾，按其成分主要包括植物纖維性廢棄物和畜禽糞便兩大類；按其來源則可分為：（1）植物源：農田和果園殘留物，如秸稈、殘株、雜草、落葉、果實外殼、藤蔓、樹枝和其他廢物等；（2）動物源：主要以畜禽糞便為主；（3）農副產品加工的衍生物：如水果及糧食作物殘渣、動物加工的廢料等；（4）人類生活廢棄物及糞尿[2]。

焚燒是目前大部分地區對未能資源化利用的廢棄物進行處理的主要形式。但是，焚燒不完全會產生有害的氣體和化合物等危害大氣環境[3]。如對廢棄物處理不及時，其自然腐敗過程中的浸出液可能會污染水資源；畜禽糞便未經處理大量堆放或直接排入環境，會污染地下水或造成水體富營養化[4]。高濃度的畜禽糞便未作科學處理直接用于施肥，會毒害作物，導致作物減產；畜禽養殖飼料中添加的重金屬元素也隨糞便排出進入到環境，污染土壤。

2 微生物在農業廢棄物資源化利用中的作用

農業廢棄物與煤碳、石油和天然氣并稱四大能源[5]，畜禽糞便和秸稈等廢棄物一直都是農業種植與生產的重要肥源，通過科學的方法對其進行資源化利用是大勢所趨。利用微生物技術，將植物源農業廢棄物和畜禽糞便等動物源農業廢棄物通過發酵工藝加工、發酵、堆肥，變成相應產品，達到資源化利用的目的。利用多種集成技術，深度開發農業植物纖維廢棄物，整合傳統農業結構調整為植物、動物、微生物三維資源整合的新型農業，是實現經濟效益、社會效益和生態效益最大化的有效途徑。

2.1 肥料化

堆肥發酵可以利用微生物減少農業廢棄物中的揮發性物質，同時高溫也可起到滅活病原菌、蟲卵等有害物質的作用。堆肥得到產品不僅可以調節土壤，還能供給植物生長所需的營養[6]。張雯琪等[7]將油茶低產林改造環節中產出的剩余物（主要由油茶枝丫、植株粉碎混合而成），通過尿素和Effective Microorganisms（EM 菌）對其堆肥發酵處理后制備有機肥，不僅減少了剩余物不恰當處理時對環境產生的負面影響，還找到了制備輕基質材料的新方法，可有效降低育苗成本。張晟國等[8]通過研制的復合菌劑對雞糞好氧堆肥過程中相關指標的監測和比較：結果使得堆肥過程升溫，腐熟程度增高，堆肥產物的纖維素酶活性增強、總養分流失和氮損失率顯著降低，達到了好氧堆肥高效降解轉化的目的。另有寧夏的57 家有機肥生產廠家通過添加微生物菌劑對農業廢棄物進行高溫堆肥發酵處理后生產有機肥，年產商品有機肥超過240 萬t。截至2017 年，寧夏有機肥施用面積達到14 萬hm2，形成了完整的農業循環鏈，有效提高了微生物處理效率、資源化利用水平及當地經濟效益[9]。

我國對堆肥發酵過程中接種微生物的研究起步較晚，目前市場上的菌劑產品均在一定程度上取得了良好的效果，在縮短發酵周期加快堆肥腐熟進程的同時，也控制了臭味，保存了更多養分[10-13]。由于農業廢棄物中的主要有機物組分是纖維素、木質素、碳水化合物和脂肪等，這些物質在堆肥發酵處理過程中的生物可降解性存在差異，其中碳水化合物和粗脂肪的降解相對容易，所以目前相關研究難點主要以堆肥發酵過程中纖維素和半纖維素的降解為主[14-15]。

2.2 燃料化

燃料化的主要途徑是沼氣發酵，指秸稈等農業廢棄物在厭氧環境中，經微生物分解代謝后形成以甲烷為主的混合氣體。一方面沼氣作為農村能源使用；另一方面沼氣發酵殘余物可作為有機肥料和飼料還田。利用畜禽糞便生產沼氣主要以畜禽養殖廢棄物作為原料，在微生物的主要作用下，經過腐熟、除臭、脫水等一些列的工藝處理，將畜禽養殖廢棄物轉變為沼氣、沼液、沼渣等產品，以供照明、供暖、汽車燃料、有機肥料等資源化利用。農業廢棄物沼氣發酵技術對于解決農村地區環境污染及能源供應具有重要意義[16]。

與堆肥發酵一樣，沼氣發酵的技術難點同樣是木質纖維素的降解問題。朱心宇等[17]利用玉米秸稈沼氣發酵，投加不同濃度的強化菌株厭氧苯甲酸降解菌，甲烷產量得到了12%～20%的增加；且玉米秸稈中的纖維素、半纖維素、木質素的去除率也相應提高了12%～46%。王晶晶等[18]采用高氨氮畜禽廢水作為氮源以馴化稻田土壤微生物，優化其降解稻稈的初始pH 值，為稻桿的高效能源化利用提供參考，其結果表明，馴化后的土壤微生物可有效提高稻稈的降解率及其厭氧發酵甲烷產量。Kong 等[19]從高溫堆肥樣品中成功篩選到一種可高效降解農業秸稈的厭氧菌群TC-5，經實驗驗證，稻秸和麥秸的降解率分別達到46.7%和54.5%，甲烷產量分別提高了22.2%和36.6%。另外廚余垃圾堆肥過程中添加適當玉米秸稈可有效改善物料的含水率和孔隙度，提高堆肥過程的通風、升溫效果，均衡堆肥產物的營養物質，進而提高堆肥產物質量[20]。

2.3 飼料化

通過微生物轉化農業廢棄物并制成蛋白飼料和青貯飼料等，可以實現生物質廢棄物的高值利用，有助于推動并實現碳達峰、碳中和。

菌體蛋白又稱單細胞蛋白（SCP）或微生物蛋白，主要是指通過單細胞微生物利用工農業廢棄物為營養基質，人工培養得到的菌體蛋白質。菌體蛋白中蛋白質含量高，氨基酸種類齊全，是蛋白飼料的主要來源。國內許多學者以果渣、麩皮等廢棄物為原料，釀酒酵母為菌種，進行發酵獲得菌體蛋白，為開發菌體蛋白飼料的生產原料提供理論依據[21～22]。由于果渣經微生物發酵后纖維素等大分子物質降解成小分子化合物，不僅提高了營養價值及利用率，還改善了畜禽的適口性，因此廣泛被當作飼料使用。有研究表明，在日糧中適當添加果渣發酵飼料，一方面可以代替抗生素用來改善仔豬健康，另一方面可以提高生豬平均日增重和高豬肉品質[23～24]。在家禽日糧中添加一定量的果渣發酵飼料，不但可以有效改善肉雞健康情況，降低血液中總膽紅素、血紅蛋白、尿酸等水平，還可以提高產蛋率和增加蛋重[25～26]。

秸稈、作物秧苗以及尾菜等農業廢棄物含有豐富的纖維素、半纖維素、糖類和蛋白質等營養成分，如果將其合理加工轉化為動物飼料，不僅可以變廢為寶解決我國部分地區牧草、飼料不足的問題，還能減少農業廢棄物的堆積問題。但是部分青貯原料木質素含量高，使得植物細胞壁中纖維素和半纖維素的降解效率大大降低，阻礙了植物細胞壁中的多糖被酶水解，其飼料利用率較低，所以乳酸菌和酵母菌等微生物的添加可以提高青貯品質[27]。在青貯過程中添加乳酸菌可降低青貯飼料pH 值，抑制其他有害菌體的生長，同時提高青貯飼料品質，提高木質纖維素的分解率，降低總氮和丁酸的生成[28-29]，且通過對體外模擬瘤胃發酵特性的相關研究表明，維持瘤胃正常發酵且有助于飼料養分的消化吸收[30]。

2.4 基料化

農林廢棄物經過適當的處理如發酵、堆腐、好氧-厭氧交替發酵、高溫惰化、熱解氣化等，即可成為基質材料、能源材料等一系列的可持續能源[31-33]。好氧堆肥過程中，微生物分解農業廢棄物中的有機物形成以腐殖酸為主的穩定物質，富含腐殖酸的堆肥產品可以有效提高土壤肥力，改良土壤性質，以及具有保水保肥的功能[34-35]。

栽培基料是食用菌生產的必備要素之一，它可以給菌體提供生長所需的水分和營養[36]。近幾年，出現一些新型栽培基料如廢棉、香蕉莖葉、菌糠、核桃殼、蘆葦、北方樹葉等[37-40]，均通過實驗驗證得到了喜人的結果，在提高了食用菌的生物學效率和產量的同時，也為當地資源合理利用、經濟可持續發展分享了寶貴經驗。湖北省十堰市的食用菌工廠化企業利用玉米稈、煙桿等幾種農業廢棄物替代木屑，建設標準化食用菌生產基地130 hm2，使得項目區農民增收3.2 億元[41]。福建省農業科學院農業生態研究所構建了農業廢棄物—菌渣栽培—菌渣堆肥—回田、柑橘套種竹蓀—菌渣回田、設施蔬菜套種食用菌的空間（碳）互補技術等農菌廢棄物多級循環農業模式，5 年時間內建立食用菌栽培核心區超5 萬m2；累計輻射推廣超600 萬m2；新建肥料生產線4 條，年產有機肥近7 萬t[42]。經濟、社會和生態效益顯著。

3 微生物在農業廢棄物資源化利用方面的問題及建議

微生物菌劑相關技術研究為農業廢棄物資源化利用提供了強有力技術支撐，是微生物領域研究的重要方向。近年來，盡管微生物在農業廢棄物資源化利用方面的發展迅速，但是在微生物實際應用方面仍然存在著問題，針對我國目前的情況提出以下建議。

3.1 高效功能性菌株的篩選。目前我國農業廢棄物資源化的利用的轉化率偏低，主要是因為在資源化的過程中堆肥和發酵速率過慢且反應不充分，因而篩選高效功能性菌株制成微生物菌劑尤為重要。應結合實踐實際需要，加強對降解纖維素、木質素、嗜熱耐高溫、解磷解鉀固氮等功能性微生物菌劑的篩選和研發。明確相應菌株的工作機理、復合菌劑的復配比例以及最適繁殖條件等，以便于增加農業廢棄物的利用效率，降低反應時間，提高產品品質。

3.2 微生物發展的多元結合。隨著生態農業領域發展，微生物發酵產品需求多元化，農業廢棄物資源化利用的發展也逐漸趨于多元性，比如可以構建高效微生物菌群，利用定向進化，縮短工程菌進化周期，可以迅速提升菌群功能多樣性。在生物技術、高分子材料、機械工程等眾多學科間有機結合，從以往的傳統模式升級為多種技術系統的集成，為我國現代農業的循環經濟發展帶來新的機遇。

3.3 微生物菌劑的成果轉化?？梢酝ㄟ^多元化微生物發酵培養來合成多元化的目標產品，以接近市場需求?？蒲性核捌笫聵I單位應結合當地農業特色，以加大宣傳發展農業和能源可持續發展產業的重要性為前提，提高科研人員以及農業人員對農業廢棄物資源化利用的認知，形成良好氛圍與習慣。與此同時，企業應當依托高校和科研院所的技術水平和團隊力量，加強產學研的合作，建設以市場為主要導向的技術創新平臺，實現具有自主知識產權的成果轉化，讓核心技術落地，實現經濟效益最大化。

微生物發酵工程是加快農業廢棄物資源化利用研究成果轉化為生產力，取得最佳效益的重要手段。加強微生物在農業廢棄物資源化利用方向的應用，構建和完善相關領域微生物種質資源的保護體系，對于推動農業微生物科技成果的轉移和轉化具有重要意義。