好氧堆肥微生物选育及应用研究进展

朱 鑫， 郜天兵， 杨太婷

河南热联科技有限公司，河南 郑州 450000

据统计，中国每年产生的农作物秸秆约为10.4亿吨，产生的禽畜粪便约为38亿吨[1]，并且由于农业生产集约化和机械化，这一数字还在以每年5%～10%的速度不断增长[2]。在农业生产、农产品加工、畜禽养殖以及农村居民生活过程中排放的废弃物称为农业废弃物。这些农业废弃物如果不经处理而随意的丢弃或排放，会对环境造成不可估量的破坏，其中可能含有的大量病原菌会时刻威胁到人们的身体健康。好氧堆肥是指在有氧的条件下，通过土著或外源微生物的作用，将废弃物中的有机质转化为腐殖质，并释放能量的过程。废弃物中的有机质经过堆肥处理后，能产生大量易被植物所吸收的氮、磷、钾等化合物，以及具有改善土壤肥力的腐殖质。此外，由于堆肥过程会将废弃物中的有机质降解，再加上水分的丧失，经过堆肥化以后，废弃物的体积和重量会有较大幅度的减少，增加了运输和贮存的便利性。

影响好氧堆肥进程和效果的因素有很多，如C/N比[3]、含水率[4]、通气量[5]、添加剂[6]等，堆肥添加剂通常分为调理剂和接种剂[7-8]。早在1936年的时候，纤维分解菌就被制成菌剂用作堆肥的接种剂[9]。国内外众多学者的研究表明，在堆肥内有针对性地添加外源微生物，能够强化堆肥的进程以缩短堆肥周期，并且某些外源微生物还具有降解堆肥材料中有毒有害物质的作用[10-13]。本文将按照不同功能的微生物作为分类依据，总结了近年来各种常用的好氧堆肥微生物及其效果的研究现状，以期为好氧堆肥的菌种选育提供理论支持。

1 影响微生物菌剂效果的因素

好氧堆肥是以多种微生物为主导的复杂生理生化过程，因此添加的堆肥菌剂的效果与外界环境的呈现极高的相关性，一般认为，添加外源微生物的作用与含水率、通气量、C/N、温度和pH密切相关。

水是生物维持生命活动必不可缺的物质之一，引入的微生物菌剂会因堆肥中含水率的不同而受到不同程度的影响。当堆体的含水率低于20%时，添加的微生物菌剂可能完全无法生长及代谢[14]，在含水率低于30%的环境中，引入的外源菌剂在分解有机物时可能会受到抑制[15]，而当含水率过高时，堆体内气体的流通效率会下降，从而导致氧气浓度不足，进一步导致引入的外源微生物进行厌氧反应，从而降低堆肥的反应速度并产生大量的有毒有害物质和臭气[16]。大量的研究表明堆肥最适宜的含水率为50%～70%[17-20]。

好氧堆肥是一个需氧的理化过程，通常在好氧堆肥中添加的外源微生物也是需氧微生物，氧含量的不同会导致引入的外源微生物产生截然不同的效果。当氧气供应不足时，堆体内的微生物可能会进行厌氧发酵产生甲烷[21]，并导致有机物分解不完全，降低废弃物的利用效率。但通气量也不能太大，否则会带走堆体内产生的大量热量，使得堆体温度不能升高进而无法杀死堆体内的病原微生物，并且过高的氧分压会增加氨气的排放[22]，使堆体内的养分流失。氧气的供应形势一般分为机械翻堆和强制通风，但无论采用哪种方式，其最终目的都是给堆体内的微生物提供最适合的环境，使其能力达到最大化。有研究表明，采用间歇式的通风方式更有利于堆体内水分的散失以及温度和营养的保持[23]。

碳源和氮源是维持微生物正常生命活动所必需的元素，其中碳源为微生物合成细胞骨架提供元素并为微生物的生理活动提供能源，氮源则为蛋白质、核酸的合成提供物质基础。有研究表明，微生物每消耗一份氮，需要大约25—30份碳，因此，堆肥中适宜的初始碳氮比为20～30[24-25]。过高的碳氮比会限制堆体内的微生物对有机质的降解，增长发酵周期；若碳氮比太低，会导致堆体中的N以NH3、NOX等形式散失，不仅会排放出对环境不利的气体，并且会导致堆肥的肥效下降[24]。禽畜粪便的碳氮比较低，而作物秸秆的碳氮比比较高，因此通常将两种材料按照一定的比例混合,以达到碳氮比平衡的目的。

温度不仅是好氧堆肥进程最直观的体现，还是影响堆肥中微生物活性及有机质降解的重要因素之一[26]。堆肥中的优势微生物会随着温度的变化而变化，因此堆肥菌剂的筛选可以根据这一规律在不同温度阶段分离不同功能的微生物。在堆肥过程中，温度是一个非常重要的工艺参数，温度过低，不仅会使得有机质降解效率降低，而且会导致堆体中多余的水分无法排出，最重要的是在低温条件下材料中的病原微生物无法被杀死，一般堆肥需要保持温度在55 ℃以上持续5 d才能达到无害化的要求[27]；而当温度过高时，可能会加速堆肥中碳氮源的散失，并且过高的温度可能对细菌的孢子造成损伤，导致降温期和腐熟期的微生物多样性下降，降低堆肥的肥效，因此需要通过搅拌或者通风的方式带走堆体中过多的热量[28-29]，在好氧堆肥的高温期，为了加速有机质的降解和腐殖质的形成，通常将温度控制在50 ℃～60 ℃。

在堆肥过程中，pH会直接影响微生物的活性和生存能力，一般认为堆肥最适宜在偏碱性的环境中进行[30]。另外，pH会在整个堆肥过程中波动，但是由于堆体内复杂的环境对pH具有一定的缓冲能力，因此在堆肥的初始和过程中通常不需要再对pH进行调整，但是，如果产品对pH具有较高的要求，则可以加入碳酸钙等碱性物质调节。

2 堆肥中的优势微生物的选育及其对堆肥的影响

2.1 堆肥中的优势微生物

好氧堆肥通常分为4个阶段：升温期、高温期、降温期和腐熟期，各个阶段中都有其独特的优势菌群，共同促进物料的分解和腐熟[31]。有研究表明，在堆肥过程中微生物的数量和种类的阶段性变化与温度一致，在升温期和高温期，堆肥中的可培养微生物均经历了一个先增加后降低再增加的过程，并且在整个过程中，细菌和放线菌的数量均高于真菌的数量[32]。

堆肥所用的废弃物种类繁多，根据不同原材料的特性，各种材料堆肥中添加的菌种也千差万别，表1列举了部分常见的堆肥材料中各时期的优势微生物。

表1 不同的材料堆肥中各时期优势微生物

总体来看，在堆肥升温期主要以分解简单有机物的微生物为主，这些微生物分解简单有机物并释放大量热量推动堆肥进入高温期，在高温期则以能够分解如纤维质和蛋白质等复杂化合物的微生物为主，待这些复杂化合物分解完毕后，热量的产生不足以抵消堆体散发的热量，温度逐渐下降，这时，升温期的微生物重新占据主导位置，成为优势菌群。此外，目前的大多数研究表明[33-36]，在整个堆肥过程中，芽孢杆菌属微生物占据了一个比较重要的地位，这可能得益于其耐高温、快速复活和分泌酶能力强等特点。

2.2 常用堆肥菌种的选育

2.2.1纤维素降解菌的选育

堆肥材料中广泛存在着一种致密的微晶纤维素，这些纤维素因其空间构象呈紧密的纤维束，水解酶无法充分接触，因此比较难以被降解[37]。GUDER D G[38]使用CMC水解圈法和Whatsman滤纸降解实验从羊瘤胃中分离出8株具有高效降解纤维素能力的菌株，细菌分类学研究显示，其中有5株芽孢杆菌属、2株杆菌属和1株肠杆菌属微生物。夏强[39]通过刚果红染色实验和FPA酶活测定筛选出具有纤维素降解能力的黑曲霉、绿色木霉和地衣芽孢杆菌，并发现将这三种微生物按照3∶3∶2的比例混合后，可以得到比任何单一种类的微生物更高的滤纸酶活。SU等[40]通过在分离培养基中添加藤黄微球菌的复苏促进因子(Resuscitation-promoting factors，Rpf)来分离某些可存活但不可培养微生物以及增加细菌群落对纤维素的降解能力，结果显示，Rpf的引入可以分离出一些具有纤维素酶活和滤纸酶活的独特微生物，这些微生物在正常状态下是不可培养的，并且经过Rpf处理后的富集微生物，其纤维素酶活性得到显著增强。纤维质类废弃物由于其难处理、体积大的特点，将其用于堆肥是一个前景比较大的再利用途径，相较于单一微生物，混合菌剂对不同底物都具有降解能力且降解效率更加优秀，因此，堆肥用混合微生物菌剂的选育仍然是制约好氧堆肥发展的因素之一。

2.2.2固氮微生物的选育

2.2.3抗生素降解菌的选育

除纤维素降解菌和固氮菌株以外，由于禽畜养殖业中长期使用抗生素作为饲料添加剂，虽然这一措施能有效促进禽畜的生长，但也导致大量的耐药性基因成为人类生活潜在的威胁[49-50]。在堆肥中，禽畜粪便内的抗生素可被微生物降解， MITCHELL S M等[51]的研究表明在高温堆肥的过程中可有效降解粪便中含有的抗生素类化合物。LIAO X B等[52]经过富集驯化得到一组混合微生物，将其投入到含有100 μg/L磺胺类抗生素的环境中，一周内的降解率可达50%以上，并且经过四周的培养后，磺胺类抗生素的降解率为78.3%，进一步对降解过程的微生物进行分析发现，厚壁菌门和拟杆菌门是主导降解亚磺酰胺的关键微生物。HARRABI M等[53]将从杜罗河河口收集的沉积物接种至含有抗生素的培养基中，经过一个月的培养后发现，培养基中的抗生素被降解了95%以上。

2.2.4其他菌种的选育

除纤维素降解微生物、固氮微生物和抗生素降解菌外，堆肥中P和K的含量也是衡量堆肥质量的重要因素。李庆荣等[54]利用选择培养基从蚕沙堆肥中筛选出10株溶磷解钾微生物，鉴定结果表明这些微生物均属于芽孢杆菌属，其中一株巨大芽孢杆菌能够释放磷酸钙中的磷，而另外9株菌均能够将钾长石的钾转化为可溶性钾盐。蒋宝贵[55]从土壤中分离得到9株解磷细菌和5株解钾细菌，其中一株解磷细菌经培养后的培养液中可溶性磷的含量比对照组增加了95.8%，而另外一株解钾细菌经培养后其培养液中速效钾的含量比对照组增加了161%。此外，堆肥材料(如禽畜羽毛、粪便等)中可能含有大量的蛋白质，为提高这些材料的腐熟速度和综合利用率，可以将蛋白酶产生菌接种至堆肥内。郭晓军等[56]利用平板扩散法和Folin-酚试剂比色法从猪粪中分离出一株耐热的蛋白酶产生菌，其蛋白酶活为45.67 U/mL，经鉴定后表明该菌为甲基营养型芽孢杆菌，该菌可在50 ℃的环境下生长，能够作为堆肥接种剂的良好菌种。

综合国内外对好氧堆肥微生物选育的研究表明，纤维素降解菌是加速堆肥腐熟、提高堆肥质量、促进堆肥中难降解物质降解的关键，而硝化细菌、反硝化细菌及自生固氮菌则是主导堆肥过程中氮素循环的关键菌株。此外，含有抗生素的堆肥材料还需要添加一些能够降解抗生素的微生物，而对于含有蛋白质较多的材料，最好能够加入一些产蛋白酶的微生物，这样才能够使得其中的有机质更加完全地降解。相较于使用单一菌株，将一些功能不同的微生物组合成复合菌剂投加到好氧堆肥中成为广大学者关注的热点。

3 堆肥微生物的应用

堆肥过程的实质就是各种微生物活动、代谢的结果，但是不同的原材料中占据主导的微生物各不相同[11]，因此，研究者大多从堆肥过程或原料中筛选独特的微生物并应用于堆肥内[57]。将微生物接种至堆肥内强化堆肥的应用极其广泛，表2列举了一批常见的微生物接种强化堆肥案例。

表2 常见的微生物接种强化堆肥案例

此外，对于微生物复合菌剂而言，由于各个阶段中堆肥内部的生理生化反应大不相同，因此在不同的阶段添加不同功能的微生物比在堆肥初始接种所有的微生物效果更好。XI等[71]根据有机质的降解和温度情况分三阶段接种堆肥菌剂，在温度上升阶段(第0 d)接种硝化细菌和除臭菌，其目的是减少氨挥发和硫化氢的气味；第二阶段是高温期(第18 d，在此阶段的中后期，当温度下降至小于55 ℃时通过接种纤维素降解菌来加速剩余纤维质材料的降解；当堆体温度低于40 ℃时为第三阶段(第24 d)，通过接种木质素降解菌系来加速腐殖质的形成，提高堆肥的稳定性。结果表明，与初始接种菌剂相比，多阶段接种菌剂延长了堆肥高温期的时间，并且在堆肥过程中避免了接种微生物与土著微生物之间的竞争关系，有效提高了细菌和真菌的群落多样性，这表明多阶段接种技术对于堆肥的过程具有明显的促进作用。

综合国内外对于微生物菌剂的应用来看，在堆肥内添加微生物菌剂的主要原因是堆肥材料中含有某些难以被自然繁殖的微生物彻底降解的物质，通过添加外源微生物这种方式，扩大堆体内优势菌群的数量或者提高堆体内的微生物多样性，促进难降解物质的分解，提高堆肥效率。此外，添加一些功能菌群(如硝化细菌、解磷固氮菌等)能够显著提升堆肥的质量，使得成品堆肥具有改善土壤品质的作用。

4 总结与展望

添加微生物菌剂可以加速堆肥底物的降解，缩短堆肥所需的时间以及增加堆肥的肥效，并将原料所含的有毒有害物质降解转化为有机质。另外，将功能各异的多种微生物制作成微生物复合菌剂加入堆肥内，其有机质降解速率、总氮含量、腐殖酸水平等各项关键指标均能得到不同程度的提高。因此，堆肥微生物复合菌剂将是后续研究重点，并具有极其广阔的应用前景。