比較接種外源菌劑和自然堆肥的兩種堆肥處理效果

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1、比較接種外源菌劑和自然堆肥的兩種堆肥處理效果 　　目前，堆肥是解決大量畜禽糞便經(jīng)濟有效的處理方法之一，不僅能解決環(huán)境污染問題，還能夠將廢棄物堆制成肥料或土壤調節(jié)劑，施入田中，起到改良土壤和增加肥效的作用。一些研究表明，在人工條件下通過添加外源菌劑可提高堆肥微生物數(shù)量，加速堆肥反應進程。 　　許多研究結果已經(jīng)證實木質纖維素的降解是限制堆肥腐熟進程，并影響堆肥產(chǎn)品品質的關鍵因素。 　　因此，向堆肥中添加木質纖維素降解菌，并研究這些功能菌株對堆肥的促進作用已經(jīng)成為近年來許多學者的研究課題。王偉東等人研究表明，接種木質纖維素降解菌使牛糞堆肥中纖維素、半

2、纖維素、木質素的降解率分別比對照提高了 12.8%、3.51% 和 4.78%;許修宏等人利用牛糞和稻草共發(fā)酵的研究表明，添加木質素降解菌復合菌劑-黃孢原毛平革菌 (Phanero-chaete chrysosporium) 和變色栓菌 (Thametesversicolor)使堆肥中的纖維素酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶活性均有所增加。然而，目前關于堆肥中木質纖維素降解菌數(shù)量變化的研究還相對較少。堆肥中微生物群落由于生境的改變，不斷進行著自我調整，因此，堆肥的實質也可以看成是微生物群落結構演替的動態(tài)過程。所以，研究堆肥過程中木質纖維素降解微生物生理群的動態(tài)變化，有助于全面了解堆肥化過程中木質纖維

3、素的生物降解，進而對提高堆肥效率具有重要現(xiàn)實意義。本試驗通過比較接種外源菌劑和自然堆肥的兩種不同堆肥處理，監(jiān)測堆肥中木質纖維素酶活性和木質纖維素含量變化，并結合木質纖維素降解微生物數(shù)量的動態(tài)變化，了解添加木質纖維素降解菌劑對堆肥中木質纖維素降解的強化作用，為接種劑開發(fā)和提高堆肥效率提供理論依據(jù)和實踐指導。 　　1、 材料與方法 　　1. 1 堆肥材料 　　堆肥材料為新鮮牛糞和水稻秸稈 (調理劑) 。將水稻秸稈鍘成5 cm 左右的小段，與鮮牛糞按照1∶3. 5的質量比混合均勻，調節(jié)水分含量至 60% ～ 65%，堆成 1 m ×1 m ×1. 2 m 的發(fā)酵堆。該堆

4、料有機質含量約為 59. 5%，C/N 約為 30∶ 1，木質纖維素含量為 55. 59%，其中木質素、纖維素、半纖維素比例分別為 6. 84%、24. 37%和 24. 38%。 　　1. 2 堆肥接種及取樣方法 　　堆料分 A、B 組，A 組為對照樣，進行自然堆肥; B 組添加菌劑 DN －1 (由本實驗室選配) ，包括研究木質素降解的模式菌株 － 黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium) ; 兼具木質素、纖維素、半纖維素3 種酶活性的灰略紅鏈霉菌 (Strepto-myces griseorubens) C － 5; 從堆肥中分離得到的具有木質纖維素降

5、解能力且能使堆肥快速升溫的 3 株芽孢桿菌 (Bacillus sp. X9、Bacillus sp. L1 和 Bacillussp. L8) 。采用固態(tài)接種體，濃度為 1 × 109CFU / g，接種量為10 g/kg，邊建堆邊添加菌劑，接種后均勻混合堆體材料。 　　采用室內好氧堆肥，自然通風。當溫度上升到45℃ 開始翻堆，每 3 d 翻堆 1 次，溫度下降到35℃后每 7 d 翻 1 次，直至堆體溫度下降至環(huán)境溫度時結束發(fā)酵。堆肥持續(xù) 46 d，根據(jù)堆體溫度變化分別在 1、3、12、18、22、31、46 d 取樣分析。采樣采取多點采樣法，均勻混合樣品后，用于測定各理化指

6、標，所有分析取樣均采集 3 個平行樣。 　　1. 3 測定項目及方法 　　使用 LNI － T UT325 數(shù)字電子溫度計每天測定環(huán)境溫度和距堆體頂端 30 cm 處溫度。pH 值測定:各時期取 1 g 樣品，準確加入 10 mL 蒸餾水，稍作振蕩后，放入 120 r/min 搖床振蕩 1 h，然后倒入離心管，在6 000 r/min 下離心15 min，將上層清液倒入小燒杯，用數(shù)顯型 pH 儀測定，實驗重復 3 次，取平均值。木質素漆酶活性測定采用 ABTS 法;纖維素和半纖維素酶活性測定采用 DNS 法。木質纖維素含量利用 ANKOM220型纖維分析儀分析測定。木質素和纖維素 (半纖維

7、素) 降解菌數(shù)量分別采用愈創(chuàng)木酚選擇培養(yǎng)平板計數(shù)法和剛果紅染色平板計數(shù)法分析測定。 　　2、 結果與分析 　　2. 1 堆肥過程中的溫度變化 　　溫度是影響微生物生長的重要因素，溫度變化能很好地反映堆肥的進程。由圖 1 可知，堆體的溫度變化經(jīng)歷了快速升溫、持續(xù)高溫、降溫和腐熟穩(wěn)定4 個階段。添加菌劑的堆肥在第3 d 進入高 溫 期 (＞ 45℃) ，高 溫 期 持 續(xù) 20 d (3 ～22 d) 。自然堆肥雖然也在第 3 d 進入高溫期，但高溫期僅持續(xù)14 d，而且高溫期的平均溫度低于菌劑堆肥。由此可見，加入菌劑可延長堆肥的高溫期，提高堆體溫度，這樣可以更有效地殺死堆肥中的寄生蟲和病原

8、微生物，達到無害化目的，促進堆肥腐熟。 　　2. 2 堆肥過程中 pH 值的變化 　　pH 值的大小對微生物的生長有重要影響，也是提示堆肥分解程度的標志之一。一般認為，堆肥pH 值在 8 左右可獲得最大堆肥速率，由圖 2 可知，不同堆肥處理的 pH 值均在 7. 8 ～9. 0 之間，可滿足好氧堆肥對 pH 值的要求。兩種處理在堆肥初期均呈先下降后上升的趨勢，這可能是由于初期可利用的有機質較多，微生物生命活動旺盛，產(chǎn)生大量有機酸，降低了堆體 pH 值水平; 隨后有機酸隨著溫度的升高而揮發(fā)，同時含氮物質降解產(chǎn)生 NH+4的不斷積累，從而使堆體的 pH 值又逐漸升高。在整個堆肥過程中菌劑處

9、理的 pH 值均略低于自然堆肥，說明加入菌劑可降低堆料 pH 值，這樣可以減少發(fā)酵過程中的氨揮發(fā)，有助于提高堆肥肥效。 　　2. 3 堆肥過程中木質纖維素酶活性變化 　　堆肥中的一切生物化學過程都是在酶的參與下進行的，酶的活性大小可以反映有機物料堆制中各種生物化學過程的方向和強度。 　　2. 3. 1 羧甲基纖維素酶和濾紙酶活性的變化 　　由圖 3 可見，雖然兩種處理中纖維素酶活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但菌劑堆肥的纖維素酶活性在各時期均高于自然堆肥，說明加入菌劑能更有效地提高堆肥中的纖維素酶活性。菌劑堆肥中 CMC酶和濾紙酶活性的最高值分別為 1 120、268 U/L，而自然堆肥中僅

10、分別為 161、59 U/L。其中 CMC酶活性明顯高于濾紙酶活性，這是由于酶對水溶性底物 (CMC － Na) 有較高的活性，而濾紙與酶是多相催化，所以反應的空間阻礙較大。 　 　　2. 3. 2 半纖維素木聚糖酶活性變化 　　木聚糖酶是促進半纖維素降解的主要生物催化劑，可將其主要成分木聚糖降解為木糖或低聚糖。從圖 4 中可見，接菌處理的堆肥在發(fā)酵的前 12 d 內，木聚糖酶活性達到整個發(fā)酵過程的最高值 1 681 U/L，直到發(fā)酵結束，仍然有高達 1 210 U/L 的活性。而自然堆肥過程中木聚糖酶活性最高值僅為 770 U/L?？梢姡鷦┲形⑸锞哂谐掷m(xù)高產(chǎn)木聚糖酶的特性，顯示了對

11、堆肥中半纖維素成分很強的降解能力。另外，由于半纖維素與木質素以化學鍵連接存在，組成木質素 － 碳水化合物復合體，半纖維素酶催化水解復合體的碳水化合物部分，這也同時有利于復合體的溶出。 　　因此，菌劑中微生物持續(xù)高產(chǎn)半纖維素木聚糖酶的特性對于堆肥中木質素的降解也起到重要作用。 　　 　　2. 3. 3 漆酶活性變化 　　漆酶是一種含銅多酚氧化物，能夠催化酚類物質氧化還原，在木質素降解中發(fā)揮重要作用。 　　由圖 5 可見，菌劑堆肥中的漆酶活性變化呈較明顯的雙峰; 1 ～18 d 緩慢升高，并在第 18 d 達到最高值 4 666 U/L (自然堆肥僅為 1 700 U/L) ，之后逐漸下

12、降; 在第 31 d 又達到第二次峰值 3 666 U/L，由此可以推測，木質素在堆肥穩(wěn)定期很可能又有較高強度的降解。而自然堆肥的漆酶活性除了在堆肥前期略有提高，整個堆肥過程中的酶活性始終保持在1 000 U/L左右，遠遠小于菌劑堆肥中的酶活性。說明加入菌劑能夠大大提高堆肥中的漆酶活性，更加有利于木質素的分解。 　　 　　2. 4 堆肥中木質纖維素降解菌數(shù)量及木質纖維素降解率變化 　　微生物是好氧堆肥過程的工作主體，在堆肥反應中對有機物的降解起著主導作用。在該過程中每一個微生物種群都在相對較短時間內適應生長繁殖的環(huán)境條件，并對某一種或某一類特定的有機質的分解起作用。木質纖維素降解微生物種

13、群的測定對了解堆肥各個階段木質纖維素降解機理及降解主導者有著重要意義，其中木質纖維素降解菌的數(shù)量是一個必不可少的研究參數(shù)。 　　圖 6、7、8 所示為堆肥過程中木質素、纖維素、半纖維素降解菌數(shù)量的變化動態(tài)。由圖可知，添加菌劑的堆肥在各時期木質纖維素分解菌的數(shù)量均高于自然堆肥，表明接種功能菌劑，能夠明顯增加堆層中降解木質纖維素的微生物總數(shù)。接菌處理中木質素降解菌數(shù)量呈現(xiàn)階段性變化，分別在第12和 31 d 達到兩次峰值 (圖 6) ; 纖維素和半纖維素分解菌數(shù)量均在第 3 d 達到峰值，明顯早于木質素降解菌 (圖 7 和圖 8) ，這一變化與木質纖維素酶活性峰值變化較一致。 　 　　表 1

14、 為木質素、纖維素和半纖維素在堆肥各個時期的降解率變化，最終添加菌劑的堆肥中木質素、纖維素和半纖維素的降解率分別為 42. 54%、62. 57% 、67. 14% ，分別高出自然堆肥 14. 33% 、31. 31% 、19. 57% 。此結果表明，添加菌劑明顯提高了堆肥中木質纖維素的降解程度。 　 　　3、 討論 　　木質素含量在堆制過程中升高是很多研究所得的結果，原因在于木質素較其他有機質難以降解。木質素是由苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵連接而成的聚酚類三維網(wǎng)狀高分子芳香族化合物，其與半纖維素側鏈共價結合，是微生物降解碳水化合物的障礙之一。而且，木質素的障礙作用不僅表現(xiàn)為物理屏障，其中

15、含有的酚類化合物還可以抑制微生物的降解活性。有些研究者甚至據(jù)此認為木質素在堆肥化過程中不發(fā)生降解。 　　事實上，本研究中木質素發(fā)生了顯著的降解。在添加菌劑的堆肥中，堆制前 3 d 木質素幾乎不被降解(降解率僅為 0. 73%) ，但當溫度開始逐漸升高，木質素降解率也逐漸增加，高溫期 (3 ～ 22 d) 結束時，木質素降解率為 29. 97%，顯然，高溫期是木質素加快降解的時期，之后隨著溫度的降低，木質素降解逐漸減緩。但進入二次發(fā)酵后期(31 ～ 46d) ，木質素含量又有較大程度降低，最終降解率高達 42. 54%。郁紅艷在研究農(nóng)業(yè)廢物堆肥的過程中也得到木質素降解主要發(fā)生在高溫以及二次發(fā)酵

16、后期的相似的結論。此外，本實驗菌劑處理的木質素酶 (漆酶) 活性在第 18 d 和第 31 d 出現(xiàn)兩次峰值; 木質素降解菌的數(shù)量在第 12 d 和第 31 d 出現(xiàn)兩次峰值，二者變化都與木質素降解率的變化較一致，這樣也從微生物生理和生態(tài)角度進一步印證了高溫期和二次發(fā)酵后期是木質素降解較為活躍的階段。 　　4、 結論 　　堆肥過程中加入菌劑可提高堆體溫度，延長堆肥高溫期，降低堆肥 pH 值。 　　添加菌劑可有效增加堆層中木質纖維素降解微生物總數(shù); 明顯提高木質纖維素酶活性; 堆肥結束時，添加菌劑的堆肥中纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別比對照提高了 31. 31%、19. 57% 和14. 33% ，其中木質素降解主要發(fā)生在高溫期和二次發(fā)酵后期。 　　參考文獻:　?。?］ 張曉倩，許修宏，王晶，等． 添加木質素降解菌對堆肥中酶活性的影響 ［J］． 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報 . 2012，31 (4) :843 － 847．　　［2］ 李婉，許修宏． 外源微生物對堆肥理化性質及酶活影響的研究 ［J］． 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2010，29 (3) : 592 －596．　?。?］ 李國學，李玉春，李彥富． 固體廢物堆肥化及堆肥添加劑研究進展 ［J］． 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22 (2) : 252 －256．