菌劑對堆肥的作用及其應(yīng)用
摘要：好氧高溫堆肥是一種受微生物控制的有機物降解和轉(zhuǎn)化的過程。在堆肥過程的不同階段對有機物降解起關(guān)鍵作用的微生物種群不同。接種菌劑可以使堆肥物料快速達到高溫、控制堆肥過程中臭氣的產(chǎn)生，縮短堆肥腐熟進程；可以有效殺滅病原體和降解有機污染物，提高堆肥質(zhì)量。堆肥產(chǎn)品含有生物活性的微生物，作物增產(chǎn)效果顯著。文章總結(jié)了接種菌劑在堆肥過程中的作用和應(yīng)用效果，提出接種菌劑的研究首先應(yīng)利用傳統(tǒng)微生物研究法和先進的分子生態(tài)學(xué)技術(shù)摸清堆肥過程中微生物活動規(guī)律，逐步篩選出所需功能性菌群，在堆肥應(yīng)用時要確定菌劑的最佳接種時間和接種量。
關(guān)鍵詞：菌劑；堆肥；降解
高溫好氧堆肥工藝是固體廢棄物資源化處理常用的技術(shù)，由于堆肥化是一種生物學(xué)工藝過程，一般情況下，在工藝過程中所要控制的各種參數(shù)就是那些對微生物有影響的因素，因為它們決定微生物活動的程度，進而影響堆肥的速度與質(zhì)量[1, 2]。傳統(tǒng)堆肥法一般都是采用增加營養(yǎng)和改善環(huán)境條件的方法，利用堆制原料中的土著微生物來降解有機污染物，但傳統(tǒng)堆肥法存在發(fā)酵時間長、產(chǎn)生臭味且肥效低等問題[3]。高溫堆肥方法是集無害化處理和資源再生利用于一體的生物學(xué)處理方法，具有較強的物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力及易被人為控制等優(yōu)點[4]。其過程從初始堆肥的原料階段，先后經(jīng)歷升溫階段、高溫階段、降溫階段、熟化穩(wěn)定階段，最后達到腐熟。在堆肥過程的不同階段對有機物的降解起關(guān)鍵作用的微生物種群不同。國內(nèi)外許多學(xué)者試圖在堆肥中通過人為接種菌劑來加速腐熟和改善堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。但接種微生物對堆肥進程及堆肥產(chǎn)物的質(zhì)量效果歷來眾說紛紜[5]。本文就國內(nèi)外學(xué)者對接種菌劑在堆肥過程中的作用和應(yīng)用效果的研究結(jié)果作一綜述。
1 接種菌劑對堆肥的作用
盡管有些學(xué)者認為堆肥過程中沒有必要接種菌劑[5]，但多數(shù)人認為在人工條件下通過接種可提高堆肥微生物數(shù)量，加速堆肥反應(yīng)進程[3]。早在40年代，美國就通過接種細菌使堆肥時間縮短1~3 d[6]。許多研究結(jié)果對堆肥過程中接種菌劑的促進作用還是充分肯定的，不少學(xué)者已致力于研究堆肥不同階段起關(guān)鍵作用的微生物，并在自然界進行優(yōu)質(zhì)高效菌群的篩選和接種技術(shù)的探討。
1.1 接種菌劑可以提高堆肥的腐熟速度
Ichida等[7]認為土著微生物種群可以降解畜禽廢物，但是用羽毛降解菌可以加快降解進程，電鏡掃描結(jié)果表明，接種細菌比不接種細菌的處理角蛋白降解更完全，生物被膜形成的更早。Ohtake等[8]在實驗室控制臺式堆肥反應(yīng)器條件下研究溫度和接種菌劑的類型對PCL的生物降解能力，結(jié)果表明，PCL的最適宜的降解溫度是50 ℃，兩種菌劑的降解能力顯著不同。
近年來，我國學(xué)者廣泛進行了接種效應(yīng)研究[9~20]。其中李國學(xué)等[10]用雞糞、稻殼和豬糞堆肥，添加質(zhì)量分數(shù)為0.5% 的快速發(fā)酵菌劑，能加速稻殼堆肥腐熟，顯著縮短發(fā)酵時間，一般堆制14~21 d 即達到要求。龐金華等[13]在豬糞堆肥制作時，加入兩種微生物制劑，這兩種制劑可以快速提高堆肥溫度，促進發(fā)酵腐熟，縮短堆制時間。席北斗等[15]將高效復(fù)合微生物菌群應(yīng)用在生活垃圾和污泥混合堆肥中，復(fù)合微生物菌群各菌種之間相互協(xié)同作用，生成抗氧化物質(zhì)，形成復(fù)雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，增加堆肥過程中細菌總數(shù)，接種質(zhì)量分數(shù)為2%、3%、5%的處理，與滅活菌的對照組比較，垃圾堆肥腐熟時間分別縮短6 d、12 d、18 d？梢，在不同堆肥原料下，接種微生物能提高堆肥腐熟速度，是加速固體廢棄物資源化的一條有效途徑。
1.2 接種菌劑可以提高堆肥的腐熟質(zhì)量
Marcello等[21]用3種菌株來降解煙草廢棄物中尼古丁的含量，發(fā)現(xiàn)Pseudomonas putida效果顯著，表明用生物技術(shù)方法降解尼古丁毒性的可行性。高溫堆肥處理對毒性有機物的降解有顯著效果。據(jù)研究[22, 23]，在城市污泥堆肥過程中，微生物類群的數(shù)量變化與毒性有機物的含量呈正相關(guān)關(guān)系。石春芝等[9]和蒲一濤等[24]在生活垃圾中接種固氮菌，堆肥的含氮量有一定提高。沈根祥等[12]報道了Hsp菌劑能迅速提高牛糞堆肥的發(fā)酵溫度，有效殺滅糞中所含的雜草種子和蟲卵病菌，具有快速堆肥腐熟和無害化的功效。龐金華等[14]和顧希賢等[16]分別用菌劑堆肥成品進行肥效試驗，結(jié)果證明施接菌堆肥比施不接菌堆肥增產(chǎn)顯著。席北斗等[15]接種高效復(fù)合微生物菌群生產(chǎn)的堆肥成品中含有大量生物活性的微生物，是一種良好的生物活性有機肥料。趙京音等[19]在雞糞中添加微生物制劑EM，顯著提高堆肥中有機物質(zhì)的和氮素的保留率，減少氮的氣態(tài)損失。
1.3 接種菌劑對堆肥除臭效果顯著
在堆肥過程中產(chǎn)生大量惡臭氣體，會造成嚴重的大氣污染。趙京音等[19]研究在雞糞中添加微生物制劑EM，堆制9 d 后堆肥散發(fā)出釀酒的芳香，EM的除臭功能與其促進堆肥中大分子有機物轉(zhuǎn)化為小分子方向有機物和NH4 +-N向其他形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化有關(guān)。
2 堆肥過程中微生物種群的變化
堆肥的特點是利用好氧性微生物分解有機物。要利用微生物進行快速分解有機物，需要好氧性細菌有較高的密度和穩(wěn)定性。因此，分析堆肥過程中微生物尤其是細菌總數(shù)的變化，對于了解堆肥過程具有重要意義[25]。劉婷等[26]研究了糞便好氧堆肥中細菌、放線菌、霉菌和酵母菌的數(shù)量和種類，結(jié)果表明細菌是中溫階段的主要作用菌群，對發(fā)酵升溫起主要作用，放線菌是高溫階段的主要作用菌群，芽孢桿菌、鏈霉菌、小多孢菌和高溫放線菌是堆肥過程中的優(yōu)勢種。袁月祥等[27]將城市有機垃圾堆肥過程中主要微生物分為纖維素分解菌、中溫、高溫好氧菌和厭氧菌，分別研究了其隨著堆肥進程在數(shù)量、類群上的變化規(guī)律，并指出，在堆肥初期需接種一些高溫微生物和高溫纖維素分解菌，以縮短垃圾堆肥處理的時間。丁文川等[28]研究好氧堆肥主要微生物類群及其生態(tài)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)污泥好氧堆肥過程是微生物與其周圍環(huán)境因子（有機物、溫度和pH值）相互影響和相互作用的結(jié)果，有機物和溫度在污泥堆肥過程中是影響微生物類群結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)環(huán)境因子。
對于堆肥中微生物種群變化規(guī)律，國內(nèi)多采用平板計數(shù)法進行研究。在國外，Jeffrey等[29]人用Biolog SF-N板進行分析堆肥樣品中真菌群落指紋分析；Claudio等[30]提出用CLPPs 來評價堆肥腐熟程度，認為CLPPs技術(shù)應(yīng)用到堆肥中是比較有前途的技術(shù)，但是該方法在接種條件標準化方面還需要完善；Klamer等[31]用磷脂酸技術(shù)研究稻草堆肥過程中微生物群落動態(tài)變化。本文作者用Biolog GN微平板技術(shù)研究堆肥不同階段革蘭氏陰性菌群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性的變化，發(fā)現(xiàn)接種菌劑顯著提高了降溫期（21 d）微生物群落功能多樣性和群落均勻度（另文發(fā)表）。
3 優(yōu)質(zhì)高效菌群的篩選
堆肥的速度是關(guān)系到能否提高堆肥效益的重要因素，能否從微生物細胞入手，選擇、培育能提高堆肥速度的菌種正引起人們的重視[32]。堆肥物料包括城市污泥、垃圾、作物秸桿、畜禽糞便等固體廢棄物，它的成分均由單糖、蛋白質(zhì)、脂類、纖維素和半纖維素以及木質(zhì)素等以不同比例構(gòu)成，其中纖維素和半纖維素以及木質(zhì)素占的比重較大[5]。有人提出木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)是堆肥充分腐熟的關(guān)鍵問題[33]。鑒于木聚糖類半纖維素結(jié)構(gòu)單一，易于水解，邵蔚藍等[34] 提出通過基因重組技術(shù)可以使發(fā)酵工程菌獲得降解半纖維素的能力，或者把能有效降解半纖維素的微生物構(gòu)建成發(fā)酵工程菌，從而把半纖維素轉(zhuǎn)化為所需的產(chǎn)品。Ghosh[35]等人用醫(yī)院里含纖維素的固體廢棄物堆肥，用物理化學(xué)和微生物參數(shù)來評價，發(fā)現(xiàn)降解纖維素的細菌主要是桿狀細菌，真菌則起著微小的作用。關(guān)于纖維素分解菌的報道，大多是以純培養(yǎng)方法分離和篩選[36~38]。但純培養(yǎng)在保持纖維素分解能力上存在一些問題。史玉英等[39]在纖維素分解菌群的分離和篩選研究中，發(fā)現(xiàn)由真菌、細菌組成的混合菌分解纖維素的能力明顯高于其中任何一個單一菌株。崔宗均等[40]篩選和馴化了高效而穩(wěn)定的纖維素分解菌復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)多種微生物協(xié)同作用，形成較為穩(wěn)定的自然生態(tài)系統(tǒng)，不易被外界雜菌所破壞，并提出，有目的地構(gòu)建穩(wěn)定的復(fù)合菌系將是環(huán)境微生物應(yīng)用上的一條有效的途徑。蒲一濤等[24]利用篩選出固氮菌和纖維素分解菌混合培養(yǎng)，可以加速有機垃圾的降解，同時提高含氮量。官家發(fā)[41]指出應(yīng)用于城市垃圾處理的微生物菌劑的研制將會在功能菌的種類，組合和菌劑使用方法上有所創(chuàng)新。因此，如何篩選優(yōu)質(zhì)高效菌群并合理使用是近年來研究的熱點，并由此而研究出一系列的菌劑應(yīng)用于堆肥生產(chǎn)。
4 菌劑的接種量和接種時間
大多數(shù)的研究認為，將接種劑在堆制初期和原料混合加入，促進快速升溫[9~15, 24]。但有也人認為，在堆肥過程中，如何加速纖維素和木質(zhì)素徹底分解，充分提高堆肥腐熟度，是二次發(fā)酵的關(guān)鍵,因此將菌劑均勻撒于一次發(fā)酵后的初級堆肥上[16, 42]。接種量視接種劑質(zhì)量分數(shù)而異，從0.05%到 5%[10~13, 16, 17, 25]；最高的達8%~10%[9, 14, 24]。
5 結(jié)語
根據(jù)國內(nèi)外的多數(shù)研究結(jié)果，可以認為，接種菌劑可以使堆肥物料快速達到高溫、控制堆肥過程中臭氣的產(chǎn)生，縮短堆肥腐熟進程；可以有效殺滅病原體和降解有機污染物，提高堆肥質(zhì)量；堆肥產(chǎn)品含有生物活性的微生物，作物增產(chǎn)效果顯著。但是，值得注意的是，接種菌劑的研究首先應(yīng)從摸清堆肥過程中微生物活動規(guī)律做起，利用先進技術(shù)逐步篩選出所需功能性菌群，在堆肥中應(yīng)用時應(yīng)確定菌劑的最佳接種時間和接種量；堆肥不同階段微生物種群的研究方法，不僅可采用平板計數(shù)法，也要應(yīng)用先進的微生物技術(shù)比如 BIOLOG微平板技術(shù)等和分子生物學(xué)技術(shù)進行分析，才能更有利于揭示堆肥過程中的微生物作用的本質(zhì)規(guī)律，為深入研究提供借鑒作用。
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