農業廢棄物應用中微生物研究進展范文
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摘要：近年來，農業廢棄物資源污染和浪費問題日趨嚴重，已經成為世界各國共同面臨且亟需解決的問題。利用微生物的氧化還原和合成能力，可將廢棄物里有機質分解為腐殖質或合成有效態礦質元素，形成綠色、穩定、安全的有機肥。堆肥化是實現農業廢棄物無害化、減量化處理有效而經濟的重要措施。而微生物是加快有機固體廢棄物分解速度的關鍵，是堆肥化處理重要的生物因子。簡述了我國農業廢棄物堆肥處理中的常用微生物，堆肥處理技術，以及微生物在農業廢棄物堆肥中的應用，并對農業廢棄物堆肥應用中存在的問題進行探討和展望，針對我國農業廢棄物資源化利用的發展趨勢提出一些建議和方向，以期為我國農業廢棄物資源化利用提供一定的科學依據。
農業廢棄物在我國不僅年產量大，而且種類繁多，主要包括農業生產、農產品加工、畜禽養殖業和農村居民生活排放的廢棄物，其中農業生產秸稈和畜禽業養殖糞便年產量分別在9億t和38億t左右，這些都屬于可再生資源，綜合利用價值非常高。農業廢棄物中含有大量的有機質，豐富的氮、磷、鉀和微量元素，是非常好的有機肥原料［1］，通過資源化處理，不僅能促進資源的循環利用，同時也能減少環境污染。農業廢棄物肥料化與直接還田或用作燃料相比，是農業廢棄物減量化和資源化更為經濟有效的方式之一。利用農業廢棄物作為原料，加入動物糞便，攪拌均勻，進行條形堆肥是農村應用較為普遍的農業廢棄物處理方式［2］。農業廢棄物中含有大量的木質素、纖維素和半纖維素，不易降解，靠自然堆肥腐熟時間過長、產品質量也很差，非常不利于農業廢棄物的高效利用［3-4］。Himanen等研究了在堆肥過程中添加2種改良劑，結果表明添加改良劑對堆肥效果有一定的影響。現代堆肥主要是在人為控制的條件下，利用微生物分解有機物，而堆肥的進度以及質量會受到諸多因素的影響，例如，C/N、溫度、含水率以及氧氣等。堆肥發酵是通過微生物驅動作用從而實現有機物的降解［5］。邵淼等［1］研究了不同處理對高含水率奶牛糞便好氧堆肥的影響，結果表明，通過使用開放的堆肥槽，添加玉米秸稈，堆肥效果更好；通過晾曬脫水處理后堆肥，能夠減少調料劑節約堆肥成本。有研究表明，接種外源功能微生物能夠有效降解木質素、纖維素和半纖維素，加快腐熟進程，增加肥力，并提高有機肥的附加值；添加復合菌劑的腐熟效果優于添加單一菌種的［6-9］，Zhang等研究證明在農業廢棄物堆肥過程中接種外源白腐真菌能夠有效降解木質纖維素。能夠殺死大部分的寄生蟲和病原菌，縮短堆肥時間，大幅提高有機肥的產量和質量［10］。本文簡述了我國農業廢棄物堆肥處理中的常用微生物，堆肥處理技術，以及國內外研究進展，并對農業廢棄物堆肥應用存在的問題進行探討和展望。
1降解腐熟農業廢棄物的主要微生物
農業廢棄物的腐熟降解是由微生物作用發生的，有資料表明可高效降解農業廢棄物的菌種高達上百種，主要包括纖維素降解菌、半纖維素降解菌和木質素降解菌。決定腐熟農業廢棄物高效降解的關鍵在于纖維素降解菌、半纖維素降解菌和木質素降解菌的配比［11］。
1.1降解木質素的主要微生物
木質素是農業廢棄物中最難降解的部分，堆肥想要達到高效的腐熟效果，就只有先將木質素降解。目前在降解木質素中研究較多的是放線菌，主要包括鏈霉菌、節桿菌、小單孢菌等。降解木質素的真菌分成軟腐真菌、褐腐真菌和白腐真菌三大類，主要是根據分解部位的不同。軟腐真菌主要是由子囊菌和半知菌組成，在潮濕條件下對廢棄物表面進行分解。褐腐真菌優先攻擊軟木，是一組擔子菌。白腐真菌中擔子菌占多數，子囊菌和半知菌占少量。白腐真菌在適宜的條件下，菌絲通過溶解表面的蠟質，再進入廢棄物內部，產生纖維素酶、半纖維素酶、內切聚糖酶、外切聚糖酶，將廢棄物中木質素和纖維素轉化成CO2和H2O。黃孢原毛平革菌是白腐真菌的一種，因具有較強的降解能力而深受重視［11］。
1.2降解纖維素的主要微生物
纖維素降解菌是指能產生纖維素酶的微生物。真菌是自然界中分解纖維素的主要力量，常見的有綠霉屬中的里氏木霉和哈茨木霉、曲霉屬中的煙曲霉和米曲霉、青霉屬中的部分菌株，以及大型真菌中日常食用的草菇、香菇等［11］。細菌中具有分解纖維素功能的主要有纖維單胞菌屬、纖維弧菌屬、解纖維梭菌、食纖維梭菌、枯草芽孢桿菌中的某些菌株。劉東波等［12］分離出的纖維素諾卡氏菌，它是以纖維素作為碳源生長的固氮菌，在農業應用上具有很大的潛力。
1.3降解半纖維素的主要微生物
半纖維素是纖維素與木質素結合的必要粘合劑，只有通過降解半纖維素才能降解木質素，真菌中降解半纖維素的菌種主要有木素木霉、擬康氏木霉、黑曲霉、亮白曲霉、擴張青霉、特異青霉等，它們不僅能分解纖維素，同時能有效的降解半纖維素。細菌中降解半纖維菌的典型代表有糞堿纖維單胞菌、凝結纖維弧菌、解糖熱纖菌，它們產生的木聚糖酶具有更高的耐熱穩定性。放線菌中也有很多降解半纖維素的微生物，如鏈霉菌、擬無枝酸菌、哥斯達黎加鏈霉菌、類諾卡氏菌等［13］。
2農業廢棄物堆肥處理技術分析
2.1處理技術原理
農業廢棄物堆肥主要是在農業廢棄物中添加微生物進行堆漚，分解成有機肥，堆肥根據氧氣情況可以分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種方式，其中好氧堆肥需要在良好的通風條件下，好氧微生物才能進行活動從而促進有機物進行降解，堆肥溫度最高能達到80~90℃，因此也稱為高溫堆肥；厭氧堆肥主要分為液化、產酸和產甲烷3個階段，3個階段相互作用，共同維持動態平衡。好氧堆肥和厭氧堆肥，都是微生物的活動促使有機質進行降解，從而推動完成農業廢棄物的腐熟過程，說明微生物在農業廢棄物堆肥處理中起主導作用。
2.2影響堆肥效果的主要因素
2.2.1供氧氧氣是影響堆肥品質的重要因素。在氧氣足夠的情況下，有機質分解加速，堆肥時間縮短，堆肥效率提高，堆肥溫度升高以及惡臭氣體的排出量減少。當氧氣濃度低于10%時，好氧微生物分解消化過程就會停止，堆肥時間延長，堆肥效率降低，有機肥品質下降，因此必須保證氧氣充足。
2.2.2含水率水既可以維持微生物生長代謝活動，同時也是生化反應的介質，因此，堆肥的發酵速度和腐熟程度受含水率的直接影響。適宜的水分能夠有效提升堆肥效率和品質。研究表明，含水率最適宜的范圍應控制在50%~60%。當含水率大于70%時，會很大程度影響堆肥溫度以及分解速度，透氣性下降，好氧菌的生長受到抑制，同時也會產生惡臭氣體；當含水率低于40%時，好氧微生物得不到水分，造成微生物生存困難，有機物的降解減緩［14］。
2.2.3有機物含量有機物是微生物生存和繁殖的載體。有研究表明，堆料中有機物的適宜含量應控制在50%~80%，如果有機物含量過低，會嚴重影響微生物的生存和繁殖，同時微生物活性降低，堆肥效率、肥料的品質和使用價值也會降低；如果有機物含量過高，供氧量受到影響，好氧菌生長代謝緩慢，有機物的降解速度相應也會降低，影響堆肥效果［5］。
2.2.4碳氮比微生物利用碳源作為能源，將其分解轉化成為二氧化碳和腐殖質；而微生物的主要營養物質則為氮源，通過氮氣消散或變成硝酸鹽和亞硝酸鹽。因此，碳氮比在堆肥過程中是一個重要的影響因素，碳氮比的適宜范圍應控制在4~30∶1，在這種情況下微生物能夠很好的生長，有機物的降解速度也會提升，如果碳氮比偏離正常范圍，可以通過添加含氮或者含碳的物料進行調節［15］。
2.2.5pH值pH值的大小主要是通過影響微生物的生長來影響有機質降解［16］。在適宜的pH值范圍內微生物能夠有效的發揮降解作用，pH值過高或過低都會影響堆肥效率的提高。研究表明，堆肥化處理最佳pH值范圍應控制在3~12。堆肥初期pH值偏低會抑制堆肥反應，當pH值為8時堆肥效率最高，堆肥時間縮短，有效避免惡臭問題［17］。
3微生物在農業廢棄物堆肥中的應用
隨著自然資源日趨短缺和廢棄物數量急劇增加，農業廢棄物資源化利用深受人們的重視，它已經成為世界各國共同面臨且亟需解決的問題。通過先進工程技術提高農業廢棄物利用價值，如肥料化、飼料化、能源化、基質化及工業原料化，使技術向機械化、無害化、資源化、高效化、綜合化發展，產品向廉價化、商品化、高質化、多樣化和多功能化靠攏，以達到物盡其用、變廢為寶、消除污染、改善農村生態環境、促進農業可持續發展、高效利用廢棄物的目標［17］。
3.1微生物在植物類廢棄物堆肥中的應用
孫旭等［18］研究發現有機肥發酵劑、堆肥腐熟劑及EM菌劑均能促進玉米秸稈提前腐熟，縮短進程，研究表明決定腐熟效果的關鍵因素是腐熟劑菌種組成，可以通過添加適宜的腐熟劑促進腐熟，減少腐熟時間。徐春鈺等［19］研究發現在蔬菜花卉秸稈中添加微生物菌劑后，堆肥迅速啟動，進程加快，有機肥質量得到提高。馮海瑋等［20］研究發現水稻秸稈添加灰略紅鏈霉菌后，堆體溫度迅速上升，發酵時間明顯縮短。李瑞蓮等［21］研究表明稻草秸稈中添加豬糞和外源菌劑后，腐熟時間明顯縮短，堆肥產品的肥效顯著高于對照。史龍翔等［22］在豬糞和果樹枝條中添加復合菌劑，研究其對堆體溫度、酶活以及微生物群落的影響，結果表明，堆肥溫度比對照組多持續3d高溫（高于55℃），加快了堆料的腐熟。匡石滋等［23］研究發現將復合菌劑添加到香蕉莖稈中，堆體中微生物數量增加，堆體溫度迅速升高，高溫持續時間延長。勞坤德等［24］研究表明添加微生物秸稈腐熟劑能夠有效的縮短堆肥周期，堆體含水率降低，有機質的降解速率提高，堆肥中半纖維素、纖維素、木質素降解率都得到了提高，氮磷鉀養分含量平均提高0.48％。陳活虎等［25］將不同比例腐熟劑添加到蔬菜廢物堆體中，結果表明接種腐熟劑對堆肥過程中微生物演化規律有明顯的影67響，當接種率達到某種水平后，接種對生物量的影響會逐步消失。黃國強等［26］研究發現接種復合腐桿菌劑不僅能夠迅速啟動腐熟，加快升溫，并且堆肥的腐熟質量得到提高。綜上所述，在植物類廢棄物堆體中添加微生物已經得到了廣泛應用，通過添加微生物堆體能夠迅速升溫，堆肥時間縮短，有機肥質量得到提高，是一種具有推廣應用前景的植物類廢棄物循環利用方式。
3.2微生物在動物類廢棄物堆肥中的應用
有資料顯示［27］，添加合適的微生物腐熟劑到畜禽糞便中，堆肥的腐熟進程得以加快，有機肥質量有效地提高。王有月等［28］研究了添加2種不同微生物菌劑對畜禽糞便高溫堆肥腐熟進程的影響，結果表明不同微生物菌劑在堆肥初期有機質降解速率和物料升溫進程有一定加快，但整體周期并沒有明顯縮短，對堆肥腐熟規律影響也不顯著。劉佳等［10］研究了接種纖維素降解菌對牛糞堆肥微生物群落的影響，結果表明微生物數量的變化比自然堆肥大，在堆肥初期接種菌能夠刺激微生物繁殖，堆肥發酵快速啟動，堆肥進程縮短。高云航等［29］研究了低溫復合菌劑對牛糞堆肥發酵影響，結果表明添加低溫復合菌能夠在低溫下加速提溫，有機肥的質量有保證。劉克鋒等［30］研究了微生物菌劑對豬糞堆肥質量的影響，結果表明添加菌劑能夠有效降低堆體的生物毒性和重金屬含量，同時能夠很好的保存豬糞中的養分。賈聰俊等［31］也研究了微生物復合菌劑對豬糞堆肥效果的影響，發現接種微生物混合劑后肥料氮素含量顯著增加，磷素保持不變。張書敏等［32］研究了低溫復合菌系對玉米秸稈與牛糞堆肥的影響，結果表明低溫復合菌系能夠促使堆體溫度快速升高，堆肥周期明顯縮短，堆肥腐熟進程加快。張磊等［33］在牛糞中添加低溫纖維素復合菌劑，研究發現堆肥周期與對照相比縮短5d。謝宇新等［34］在8.4∶1.6牛糞與玉米秸稈粉中添加低溫復合菌系，在室外-20℃的條件下，堆體仍然能夠快速升溫，而未添加菌系和只用常溫發酵劑的堆體未進入高溫期。張燕等［35］研究了墊料添加微生物菌劑對雞糞舍內外堆肥技術的影響，結果表明添加微生物菌劑的雞糞舍內—舍外相結合的堆肥技術，在不影響雞群的生長的情況下加快了產品的腐熟。王守紅等［36］研究了菌劑添加對牛糞堆肥氮素變化及腐熟度的影響，結果表明氮素損失較大，全氮、有機氮、銨態氮降幅比較大。因此改良配方的關鍵是改善降溫期真菌種群豐度和比例。黃穎婕等［37］了牛糞堆肥纖維素高效降解菌的篩選和應用，發現降解菌能使堆肥溫度升高至74℃，其中高溫時間持續16d；添加降解菌X7能使腐殖質總量達69.3g/kg，堆肥品質得到有效提升，纖維素降解率顯著高于對照。劉宇峰等［38］研究了麥秸與廢墊料比例以及發酵菌劑對畜禽養殖廢墊料堆肥再發酵過程的影響，發現接種發酵菌劑能夠促進堆體再發酵，提高發酵溫度和腐殖酸含量，同時降低C/N和EC。王彥杰等［39］研究了微生物接菌劑對牛糞條垛式堆肥的影響，發現在添加兩種微生物菌劑后，纖維素和半纖維素的降解得以促進，而其中接種WSC的效果更加明顯明顯，向堆肥中添加WSC和SS能夠解決低溫環境下牛糞不能腐熟的問題。微生物在動物類廢棄物堆肥中同樣能夠起到促進堆體腐熟，提高有機肥的品質。
3.3微生物在農產品加工和農民生活類廢棄物堆肥中的應用
馮明謙等［40］研究發現在垃圾中添加復合微生物菌劑能夠促進有機物的降解，減少發酵時間。席北斗等［41］采用三段控溫的方式研究復合微生物菌群的變化規律，發現影響復合微生物堆肥效果的關鍵因素是堆料土著微生物濃度，采用三階段控溫能夠迅速殺滅雜菌，使外源微生物迅速生長，成為優勢菌群，提高堆肥效率。田鶴等［42］研究了不同濃度史氏芽孢桿菌對屠宰廢棄物高溫快速堆肥效果的影響，發現通過添加外源微生物史氏芽孢桿菌，使堆肥腐熟時間縮短，加速了屠宰廢棄物轉化的速度。吳飛龍等［43］研究了不同微生物菌對生活污泥堆肥化的影響，結果表明添加微生物菌劑的處理中，堆體迅速升溫，且高溫持續時間長，可以促進堆肥的腐熟，減少發酵時間，提高污泥堆肥處理的衛生安全性及產品的穩定性。彭宇等［44］研究了不同微生物菌劑對甘蔗渣有機肥發酵質量的影響，發現通過添加外源微生物能夠分解有機物，堆肥中的無機營養成分得到了濃縮，而且養分含量因為水分的降低而相對增加，這對于提高堆肥質量相當有利。王思同等［45］研究了微生物菌劑對菌糠堆肥的影響，發現接種外源微生物后堆體溫度迅速升高，并且高溫持續時間延長，處理組中腐殖酸含量顯著高于對照組添加外源微生物能夠加快腐熟進程，提高有機肥質量。胡清秀等［46］對雙孢蘑菇菌渣堆肥進行了研究，結果發現添加外源微生物菌劑可以使堆體加速升溫，同時促進有機質的降解，縮短腐熟時間。林志斌等［47］研究了沸石和微生物菌劑對杏鮑菇菌渣堆肥品質的影響，發現通過添加沸石，全氮含量提高23%，說明沸石具有保氮能力；添加微生物縮短了腐熟周期，同時添加沸石和微生物菌劑既可以提高菌渣有機肥的品質又可以減少腐熟周期。李九龍等［48］研究了發酵菌劑對玉米芯與菇渣混合物堆肥發酵的影響，結果發現在玉米芯和菇渣混合堆肥中添加外源微生物菌劑可以形成理化性質均良好的有機肥。農業廢棄物堆肥化具有悠久的歷史，通過堆肥能夠有效的殺滅廢棄物中的致病菌，同時也能夠將農業廢棄物變成易于處理的物料，創造出有價值的有機肥。
4展望
微生物菌劑的應用與一些化工產品相比較而言更加經濟有效，也更加綠色環保。微生物菌劑技術是環境保護的理想武器，在解決環境問題過程中它一個純生態過程，是能夠可持續發展的。微生物菌劑具有高效、專一、低成本等特點，在環境保護中的應用前景和未來非常廣闊。隨著經濟的快速發展，人們對生活環境的要求也越來越高，農業廢棄物循環利用成為了人類迫切需要解決的重大問題之一。通過農業廢物堆肥化處理技術，能夠實現農業廢物的環保、健康和高效的處理手段。堆肥過程中通過添加微生物能夠提高效率，促進代謝，去除有害物質，形成有機肥。但仍有幾個問題需要進一步探討：（1）目前在農業廢棄物循環利用方面主要集中在研究接種對堆肥參數的影響，很少研究微生物代謝活動以及群體結構，堆肥是由微生物來完成的，微生物的代謝以及能量變化應該作為重點研究對象；（2）復合菌劑的堆肥降解效果顯著優于單一菌種的，是目前應用較多的菌種添加方式，由于復合菌劑是由多種微生物組成，要想堆肥效果達到最佳，菌種配比顯得至關重要；（3）為了使添加的微生物不會與土著微生物構成競爭關系，影響堆肥效果，急需開發出能夠與土著微生物形成協同關系的菌劑，提高農業廢棄物降解速率；（4）由于微生物代謝產生氨氣，氮素會有損失，影響肥效，篩選出高效的固氮菌也是關鍵問題。
作者：黃金枝 胡桂萍 俞燕芳 杜賢明 石旭平 王軍文 單位：江西省蠶桑茶葉研究所
