菌剂对堆肥的作用及其应用
摘要：好氧高温堆肥是一种受微生物控制的有机物降解和转化的过程。在堆肥过程的不同阶段对有机物降解起关键作用的微生物种群不同。接种菌剂可以使堆肥物料快速达到高温、控制堆肥过程中臭气的产生，缩短堆肥腐熟进程；可以有效杀灭病原体和降解有机污染物，提高堆肥质量。堆肥产品含有生物活性的微生物，作物增产效果显著。文章总结了接种菌剂在堆肥过程中的作用和应用效果，提出接种菌剂的研究首先应利用传统微生物研究法和先进的分子生态学技术摸清堆肥过程中微生物活动规律，逐步筛选出所需功能性菌群，在堆肥应用时要确定菌剂的最佳接种时间和接种量。
关键词：菌剂；堆肥；降解
高温好氧堆肥工艺是固体废弃物资源化处理常用的技术，由于堆肥化是一种生物学工艺过程，一般情况下，在工艺过程中所要控制的各种参数就是那些对微生物有影响的因素，因为它们决定微生物活动的程度，进而影响堆肥的速度与质量[1, 2]。传统堆肥法一般都是采用增加营养和改善环境条件的方法，利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物，但传统堆肥法存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题[3]。高温堆肥方法是集无害化处理和资源再生利用于一体的生物学处理方法，具有较强的物质转化能力及易被人为控制等优点[4]。其过程从初始堆肥的原料阶段，先后经历升温阶段、高温阶段、降温阶段、熟化稳定阶段，最后达到腐熟。在堆肥过程的不同阶段对有机物的降解起关键作用的微生物种群不同。国内外许多学者试图在堆肥中通过人为接种菌剂来加速腐熟和改善堆肥产品质量。但接种微生物对堆肥进程及堆肥产物的质量效果历来众说纷纭[5]。本文就国内外学者对接种菌剂在堆肥过程中的作用和应用效果的研究结果作一综述。
1 接种菌剂对堆肥的作用
尽管有些学者认为堆肥过程中没有必要接种菌剂[5]，但多数人认为在人工条件下通过接种可提高堆肥微生物数量，加速堆肥反应进程[3]。早在40年代，美国就通过接种细菌使堆肥时间缩短1~3 d[6]。许多研究结果对堆肥过程中接种菌剂的促进作用还是充分肯定的，不少学者已致力于研究堆肥不同阶段起关键作用的微生物，并在自然界进行优质高效菌群的筛选和接种技术的探讨。
1.1 接种菌剂可以提高堆肥的腐熟速度
Ichida等[7]认为土著微生物种群可以降解畜禽废物，但是用羽毛降解菌可以加快降解进程，电镜扫描结果表明，接种细菌比不接种细菌的处理角蛋白降解更完全，生物被膜形成的更早。Ohtake等[8]在实验室控制台式堆肥反应器条件下研究温度和接种菌剂的类型对PCL的生物降解能力，结果表明，PCL的最适宜的降解温度是50 ℃，两种菌剂的降解能力显著不同。
近年来，我国学者广泛进行了接种效应研究[9~20]。其中李国学等[10]用鸡粪、稻壳和猪粪堆肥，添加质量分数为0.5% 的快速发酵菌剂，能加速稻壳堆肥腐熟，显著缩短发酵时间，一般堆制14~21 d 即达到要求。庞金华等[13]在猪粪堆肥制作时，加入两种微生物制剂，这两种制剂可以快速提高堆肥温度，促进发酵腐熟，缩短堆制时间。席北斗等[15]将高效复合微生物菌群应用在生活垃圾和污泥混合堆肥中，复合微生物菌群各菌种之间相互协同作用，生成抗氧化物质，形成复杂而稳定的生态系统，增加堆肥过程中细菌总数，接种质量分数为2%、3%、5%的处理，与灭活菌的对照组比较，垃圾堆肥腐熟时间分别缩短6 d、12 d、18 d。可见，在不同堆肥原料下，接种微生物能提高堆肥腐熟速度，是加速固体废弃物资源化的一条有效途径。
1.2 接种菌剂可以提高堆肥的腐熟质量
Marcello等[21]用3种菌株来降解烟草废弃物中尼古丁的含量，发现Pseudomonas putida效果显著，表明用生物技术方法降解尼古丁毒性的可行性。高温堆肥处理对毒性有机物的降解有显著效果。据研究[22, 23]，在城市污泥堆肥过程中，微生物类群的数量变化与毒性有机物的含量呈正相关关系。石春芝等[9]和蒲一涛等[24]在生活垃圾中接种固氮菌，堆肥的含氮量有一定提高。沈根祥等[12]报道了Hsp菌剂能迅速提高牛粪堆肥的发酵温度，有效杀灭粪中所含的杂草种子和虫卵病菌，具有快速堆肥腐熟和无害化的功效。庞金华等[14]和顾希贤等[16]分别用菌剂堆肥成品进行肥效试验，结果证明施接菌堆肥比施不接菌堆肥增产显著。席北斗等[15]接种高效复合微生物菌群生产的堆肥成品中含有大量生物活性的微生物，是一种良好的生物活性有机肥料。赵京音等[19]在鸡粪中添加微生物制剂EM，显著提高堆肥中有机物质的和氮素的保留率，减少氮的气态损失。
1.3 接种菌剂对堆肥除臭效果显著
在堆肥过程中产生大量恶臭气体，会造成严重的大气污染。赵京音等[19]研究在鸡粪中添加微生物制剂EM，堆制9 d 后堆肥散发出酿酒的芳香，EM的除臭功能与其促进堆肥中大分子有机物转化为小分子方向有机物和NH4 +-N向其他形态氮的转化有关。
2 堆肥过程中微生物种群的变化
堆肥的特点是利用好氧性微生物分解有机物。要利用微生物进行快速分解有机物，需要好氧性细菌有较高的密度和稳定性。因此，分析堆肥过程中微生物尤其是细菌总数的变化，对于了解堆肥过程具有重要意义[25]。刘婷等[26]研究了粪便好氧堆肥中细菌、放线菌、霉菌和酵母菌的数量和种类，结果表明细菌是中温阶段的主要作用菌群，对发酵升温起主要作用，放线菌是高温阶段的主要作用菌群，芽孢杆菌、链霉菌、小多孢菌和高温放线菌是堆肥过程中的优势种。袁月祥等[27]将城市有机垃圾堆肥过程中主要微生物分为纤维素分解菌、中温、高温好氧菌和厌氧菌，分别研究了其随着堆肥进程在数量、类群上的变化规律，并指出，在堆肥初期需接种一些高温微生物和高温纤维素分解菌，以缩短垃圾堆肥处理的时间。丁文川等[28]研究好氧堆肥主要微生物类群及其生态规律，发现污泥好氧堆肥过程是微生物与其周围环境因子（有机物、温度和pH值）相互影响和相互作用的结果，有机物和温度在污泥堆肥过程中是影响微生物类群结构变化的主导环境因子。
对于堆肥中微生物种群变化规律，国内多采用平板计数法进行研究。在国外，Jeffrey等[29]人用Biolog SF-N板进行分析堆肥样品中真菌群落指纹分析；Claudio等[30]提出用CLPPs 来评价堆肥腐熟程度，认为CLPPs技术应用到堆肥中是比较有前途的技术，但是该方法在接种条件标准化方面还需要完善；Klamer等[31]用磷脂酸技术研究稻草堆肥过程中微生物群落动态变化。本文作者用Biolog GN微平板技术研究堆肥不同阶段革兰氏阴性菌群落结构和功能多样性的变化，发现接种菌剂显著提高了降温期（21 d）微生物群落功能多样性和群落均匀度（另文发表）。
3 优质高效菌群的筛选
堆肥的速度是关系到能否提高堆肥效益的重要因素，能否从微生物细胞入手，选择、培育能提高堆肥速度的菌种正引起人们的重视[32]。堆肥物料包括城市污泥、垃圾、作物秸杆、畜禽粪便等固体废弃物，它的成分均由单糖、蛋白质、脂类、纤维素和半纤维素以及木质素等以不同比例构成，其中纤维素和半纤维素以及木质素占的比重较大[5]。有人提出木质纤维素转化为腐殖质是堆肥充分腐熟的关键问题[33]。鉴于木聚糖类半纤维素结构单一，易于水解，邵蔚蓝等[34] 提出通过基因重组技术可以使发酵工程菌获得降解半纤维素的能力，或者把能有效降解半纤维素的微生物构建成发酵工程菌，从而把半纤维素转化为所需的产品。Ghosh[35]等人用医院里含纤维素的固体废弃物堆肥，用物理化学和微生物参数来评价，发现降解纤维素的细菌主要是杆状细菌，真菌则起着微小的作用。关于纤维素分解菌的报道，大多是以纯培养方法分离和筛选[36~38]。但纯培养在保持纤维素分解能力上存在一些问题。史玉英等[39]在纤维素分解菌群的分离和筛选研究中，发现由真菌、细菌组成的混合菌分解纤维素的能力明显高于其中任何一个单一菌株。崔宗均等[40]筛选和驯化了高效而稳定的纤维素分解菌复合系统，该系统多种微生物协同作用，形成较为稳定的自然生态系统，不易被外界杂菌所破坏，并提出，有目的地构建稳定的复合菌系将是环境微生物应用上的一条有效的途径。蒲一涛等[24]利用筛选出固氮菌和纤维素分解菌混合培养，可以加速有机垃圾的降解，同时提高含氮量。官家发[41]指出应用于城市垃圾处理的微生物菌剂的研制将会在功能菌的种类，组合和菌剂使用方法上有所创新。因此，如何筛选优质高效菌群并合理使用是近年来研究的热点，并由此而研究出一系列的菌剂应用于堆肥生产。
4 菌剂的接种量和接种时间
大多数的研究认为，将接种剂在堆制初期和原料混合加入，促进快速升温[9~15, 24]。但有也人认为，在堆肥过程中，如何加速纤维素和木质素彻底分解，充分提高堆肥腐熟度，是二次发酵的关键,因此将菌剂均匀撒于一次发酵后的初级堆肥上[16, 42]。接种量视接种剂质量分数而异，从0.05%到 5%[10~13, 16, 17, 25]；最高的达8%~10%[9, 14, 24]。
5 结语
根据国内外的多数研究结果，可以认为，接种菌剂可以使堆肥物料快速达到高温、控制堆肥过程中臭气的产生，缩短堆肥腐熟进程；可以有效杀灭病原体和降解有机污染物，提高堆肥质量；堆肥产品含有生物活性的微生物，作物增产效果显著。但是，值得注意的是，接种菌剂的研究首先应从摸清堆肥过程中微生物活动规律做起，利用先进技术逐步筛选出所需功能性菌群，在堆肥中应用时应确定菌剂的最佳接种时间和接种量；堆肥不同阶段微生物种群的研究方法，不仅可采用平板计数法，也要应用先进的微生物技术比如 BIOLOG微平板技术等和分子生物学技术进行分析，才能更有利于揭示堆肥过程中的微生物作用的本质规律，为深入研究提供借鉴作用。
参考文献：
[1] 李艳霞, 王敏健, 王菊思, 等. 城市固体废弃物堆肥化处理的影响因素[J]. 土壤与环境, 1999, 8(1): 61-65.
[2] HAUG R T. The Practical Handbook of Compost Engineering[M]. Boca Raton, FL: Lewis Publishers, 1993.
[3] 席北斗, 刘鸿亮, 孟伟, 等. 高效复合微生物菌群在垃圾堆肥中的应用[J]. 环境科学, 2001, 22(5): 122-125.
[4] 李国学. 有机固体废弃堆肥与利用研究进展[A]. 见: 张福锁主编. 土壤与植物营养研究新动态(第3卷)[M]. 北京: 农业出版社, 1995: 319-349.
[5] 李国学, 张福锁. 固体废物堆肥化与有机复混肥生产[J]. 北京: 化学工业出版社, 2000: 75, 87.
[6] 陈世和, 张所明. 城市垃圾堆肥原理与工艺[M]. 上海: 复旦大学出版社, 1990: 7.
[7] ICHIDA J M, KRIZOVA L, LEFEVRE C A, et al. Bacterial inoculum enhances keratin degradation and biofilm formation in poultry compost[ J]. Journal of Microbiological Methods, 2001, 47(2): 199-208.
[8] OHTAKE A, AKAKURA N, NAKASAKI K. Effects of temperature and inoculum on the degradability of poly-e-caprolactone during 冯宏等：菌剂对堆肥的作用及其应用441 composting[J]. Polymer Degradation and Stability, 1998, 62(2): 279-284.
[9] 石春芝, 蒲一涛, 郑宗坤, 等. 垃圾堆肥接种固氮菌对堆肥含氮量的影响[J]. 应用与环境生物学报, 2002, 8(4): 419-421.
[10] 李国学, 黄懿梅, 姜华. 不同堆肥材料及引入外源微生物对高温堆肥腐熟度影响的研究[J]. 应用与环境生物学报, 1999, 5(suppl): 139-14.
[11] 杨虹, 李道棠, 朱章玉. 高温嗜粪菌的选育和猪粪发酵研究[J]. 上海环境科学, 1999, 18(4): 170-172.
[12] 沈根祥, 袁大伟, 凌霞芬, 等. Hsp菌剂在牛粪堆肥中的试验应用 [J]. 农业境保护, 1999, 18(2): 62-64.
[13] 庞金华, 程平宏, 余廷园. 两种微生物制剂对猪粪堆肥的效果[J]. 农业环境保护, 1998, 17(2): 71-73.
[14] 罗先群, 桑士兵, 谢旭缳, 等. 利用生物技术处理城市生活垃圾的研究[J]. 辽宁城乡环境科技, 1999, 19(4): 20-24.
[15] 席北斗, 刘鸿亮, 孟伟, 等. 高效复合微生物菌群在垃圾堆肥中的应用[J]. 环境科学, 2001, 22(5): 122-125.
[16] 顾希贤, 许月蓉. 垃圾堆肥微生物接种实验[J]. 应用与环境生物学报, 1995, 1(3): 274-278.
[17] 冯明谦, 汪立飞, 刘德明. 高温好氧垃圾堆肥中人工接种初步研究 [J]. 四川环境, 2000, 19(3): 27-30.
[18] 刘克锋, 刘锐秋, 雷增普, 等. 几种微生物应用于猪粪堆肥中的研究[J]. 北京农学院学报, 2001, 16(2): 36-41.
[19] 赵京音, 姚政. 微生物制剂促进鸡粪堆肥腐熟和臭味控制的研究 [J]. 上海农学院学报, 1995, 13(3): 193-197.
[20] 曾伟, 王泽生, 苏文金. 嗜热真菌对蘑菇促生机制的研究[J]. 中国食用菌, 1996, 15(6): 16-17.
[21] MARCELLO CIVILINI, CRISTINA DOMENIS, NERINA SEBASTIANUTTO. et al. Nicotine decontamination of tobacco agro-industrial waste and its degradation by micro-organisms[J]. Waste Management and Research, 1997, 15(4): 349-358.
[22] 刘庆余, 谢君, 周颖辉, 等. 城市污泥发酵处理中微生物对有机物的降解[J]. 中国环境科学, 1995, 15(3): 215-218.
[23] 赵丽君, 杨意东, 胡振苓. 城市污泥堆肥技术研究[J]. 中国给水排水, 1999, 15(9): 58-60.
[24] 蒲一涛, 钟毅沪, 周万龙. 固氮菌和纤维素分解菌的混合培养及其对生活垃圾降解的影响[J]. 环境科学与技术, 1999(1): 15-18.
[25] TUOMELA M, VIKMAN M, HATAKKA A, et al. Biodegradation of lignin in a compost environment a review[J]. Bioresource Technology, 2000, 72(2): 169-183.
[26] 刘婷, 陈朱蕾, 周敬宣. 外源接种粪便好氧堆肥的微生物相变化研究[J]. 华中科技大学学报, 2002, 19(2): 57-59.
[27] 袁月祥, 廖银章, 刘晓风, 等. 有机垃圾发酵过程中的微生物研究 [J]. 微生物学杂志, 2002, 22(1): 22-24.
[28] 丁文川, 李宏, 郝以琼, 等. 污泥好氧堆肥主要微生物类群及其生态规律[J]. 重庆大学学报, 2002, 25(6): 113-116.
[29] JEFFREY S, BUYER D P, ROBERTS P M, et al. Analysis of fungal communities by sole carbon source utilization profiles[J]. Journal of Microbiological Methods, 2001, 45(1): 53-60.
[30] CLAUDIO M, HERIBERT I. Community level physiological profiling as a tool to evaluate compost maturity: a kinetic approach[J]. European Journal of Soil Biology, 2003, 39(3): 141-148.
[31] KLAMER M, BAATH E. Microbial community dynamics during composting of straw material studied using phospholipid fatty acid analysis[J]. FEMS Microbiology Ecology, 1998, 27(1): 9-20.
[32] 陈林根, 姜雪芳. 固体有机废物好氧堆肥发酵工艺概述与展望[J]. 环境污染与防治, 1997, 19(2): 35-38.
[33] EI H G. Utilization of Egyptian rice straw in production of celluloses and microbial protein: effect of various pretreatments on yields of protein and enzyme activity[J]. Sci Food Agric, 1983, 34: 725-732.
[34] 邵蔚蓝, 薛业敏. 以基因重组技术开发木聚糖类半纤维素资源[J]. 食品与生物技术, 2002, 22(1): 88-93.
[35] GHOSH S, KAPADNIS B P, SINGH N B. Composting of cellulosic hospital solid waste: a potentially novel approach[J]. International Biodeterioration and Biodegradation, 2000, 45(2): 89-92.
[36] KIYOUFU SAKAI, TATSUO YMAUCHI, FUMIKO NAKASU, et al. Biodegradation of cellulose acetate by neisseria sicca[J]. Biosci Biotech Biochem, 1996, 60(10): 1 617-1 622.
[37] MANDELS M, STERNBERG D. Recent advances in cellulose technology[ J]. Ferment Technol, 1976, 54(4): 267-286.
[38] TAKAO S, KAMAGATA Y, SASAKI H. Cellulose production by penicillium pururogenam[J]. Ferment Technol, 1985, 63(2): 127-134.
[39] 史玉英, 沈其荣, 娄无忌, 等. 纤维素分解菌群的分离和筛选[J]. 南京农业大学学报, 1996, 19(3): 59-62.
[40] 崔宗均, 李美丹, 朴哲, 等. 一组高效稳定纤维素分解菌复合系 MC1的筛选及功能[J]. 环境科学, 2002, 23(3): 36-39.
[41] 官家发. 高温堆肥发酵工艺处理城市生活垃圾过程中的部分微生物学问题[J]. 四川环境, 2000, 19(3): 21-22, 30.
[42] 吴香尧. 城市生活垃圾堆肥化处理的现状、问题及解决途径初探[J]. 成都理工学院学报, 1999, 26(3): 211-216.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
