接种外源微生物对蘑菇渣堆肥的影响

梅丽娜,姚 拓,刘雯雯,王小利,孟军江

(甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室,中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃兰州 730070)

蘑菇渣是生产蘑菇过程中产生的有机固体废物。在各大中城市的城乡接合地分布着大量蘑菇生产基地,蘑菇生产过程中产生的废弃物,尤其是蘑菇渣得不到较好的处理,污染了居住环境,并且影响了蘑菇的规模化生产[1]。

有机废物堆肥有着悠久的历史[2],自古以来我国农村地区普遍将秸秆、落叶、野草、动物粪便及垫圈料等堆积在一起,进行发酵制成肥料。通过有机堆肥可以将令人讨厌的废物转变为易于处理的物料,也可创造有价值的商品即堆肥产品。堆肥是有机物稳定化的过程,影响堆肥化进程和堆肥质量的因素很多,除了水分、温度、pH 值及通气条件等因素外,微生物也发挥着不可替代的作用[3-5]。微生物的种类、数量影响着堆肥化进程和堆肥质量。许多学者从多样化的环境或物料中分离出具有不同功能作用的微生物,并筛选出优势菌株,通过培养驯化,用于堆肥接种,以达到缩短发酵周期、减轻或消除物料臭味,提高堆肥产品质量的目的。本试验以蘑菇渣废弃物为原料,研究接种外源微生物对蘑菇渣堆肥过程中一些指标的影响,旨在为蘑菇渣利用和改善环境提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 菌糠 采收种完平菇后的新鲜废料,主要成分为棉籽壳。pH6.56,有机质44.5%,全N 1.58%,C/N 28.1。菌糠预处理:将新鲜菌糠粉碎过2 cm筛,加水至能够手捏成形,指缝有水迹。混合均匀之后均分成3堆。

1.1.2 外源微生物 联合固氮菌W5、C6和W6;溶磷菌P191,P92和P170,甘肃农业大学草地微生物多样性实验室提供。

1.2 方法

1.2.1 外源微生物接种液制作 菌种纯化之后进行扩大培养,固体和液体培养基均为 LB培养基。扩大培养24 h后,在波长660 nm下调节OD值(OD值＞0.5,即活菌数＞108),并用无菌水调节使各处理OD值相同。

1.2.2 菌糠接种堆肥 将调节好OD值的固氮菌菌液1 000 mL、溶磷菌菌液1 000 mL分别加入2个堆体中,分别搅拌均匀。另设不加菌液的处理为对照,共计3个堆体。堆肥地点为甘肃农业大学草业学院试验地,堆体横截面为梯形,堆体大小为高 80 cm,宽80 cm,长 150 cm 。

1.2.3 堆肥管理 试验设置3个处理,即N处理(联合固氮菌混合接种物)、P(溶磷菌混合接种物)和对照CK(不接种)。于2007年6月3日开始堆肥,堆置期2个月。每天早8:00,晚20:00在堆体上、中、下3点测定堆体温度 ,并在堆制的第 3、16、26、46、60 d进行人工翻堆。在堆置过程中每天观察水分的散失情况,如水分小于60%立即补水。

1.2.4 采样与测定 在堆置前及每次翻堆时采样,从堆体上中下各分 5点进行采样,采样1 kg,缩份至100 g,然后进行pH值、E4/E6值的测定。取样10 g,固液比1∶10,160 r/min振荡20 min,取上清液测定pH值;E4/E6值采用吸取上清液在波长465 nm,665 nm下测定吸光值,大于2时稀释,其比值不变。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度变化

3个处理在堆肥第3 d,即48 h之后温度均达到50℃,在50℃以上保持了5 d(图1)。3个处理均是良好的堆肥系统,高温维持时间也达到了标准,起到了杀灭治病微生物的作用,满足堆肥无害化卫生标准的要求。各处理在堆肥过程中的温度变化趋势基本相同,但是,接种固氮菌的处理在前期温度上升最快,并且在环境温度较低时,仍然能保持较高温度,说明接种固氮菌的处理具有较好的保温作用。堆肥后期,3个处理的温度趋于相同。

图1 菌糠堆肥温度变化Fig.1 Changes of temperature in different composts

2.2 堆肥过程中pH值变化

堆肥初始pH值相对较高,这是因为在初期加入了生石灰,以使棉籽壳更有利于食用菌的生长。随着时间延长,各处理pH值下降,到第3 d达到最低,可能堆肥初期,微生物利用易分解的有机质快速繁殖,大量有机酸产生,导致pH值迅速下降,之后由于有机酸的挥发和氨的产生,各处理pH值回升,到堆肥后期缓慢上升并趋于稳定(图2)。这种变化趋势可以说是堆体中微生物群落演替和主要代谢产物变化的结果。随着堆体温度的升高,其中嗜热微生物会逐渐代替中温微生物成为优势菌群,出现了堆体内微生物群落的演替,而不同的微生物菌群产生的主要代谢产物其酸碱性有所不同,从而使得pH值波动。但从整个过程来看,3个处理之间差异不显著,而且趋势相同。

2.3 堆肥过程中的腐殖化

由于堆肥过程中伴随着腐殖化的过程,研究各腐殖化参数的变化是评价腐熟度的重要方法。腐熟度就是堆肥腐熟的程度,即堆肥中有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度。由于堆肥原料、堆肥条件、堆肥工艺、对堆肥产品的要求的复杂性,堆肥的腐熟度也变得相当复杂。自20世纪60年代以来,国外就开始研究堆肥腐熟度问题,我国(1988年)才有1篇关于堆肥腐熟的研究报告。但直到现在还没有制定出统一的权威的评价堆肥腐熟度的标准参数和方法。

图2 菌糠堆肥pH值变化Fig.2 Changes of pH value in different composts

3个处理的E4/E6值总体均呈现降低的趋势,符合腐殖化的规律(图3)。在堆肥第2～16 d这一阶段,3个处理差异较大。固氮菌处理的E4/E6值从初始的2.31迅速降低到1.74,之后又回升到1.84;溶磷菌处理从初始的2.31平缓下降到2.22,之后降低到1.97;对照CK从初始的2.31迅速下降到1.92后一直保持较平缓的变化趋势。说明在堆肥第1阶段,即高温阶段,堆肥腐殖化的速度依次为N、CK、P。在堆肥的第2阶段,即后熟阶段,固氮菌处理的E4/E6值一直保持在最低水平,当堆肥进行到第46 d之后,小分子化合物基本完全转化为大分子化合物,堆肥的腐殖化进程基本结束,E4/E6值趋于稳定。通常堆肥接种会加快腐殖化进程,但是与CK相比,固氮菌处理有明显的加快腐殖化的作用,而溶磷菌处理的变化不是很明显。

图3 菌糠堆肥过程中E4/E6值的变化Fig.3 Changes of E4/E6 value in different composts

各种腐殖化系数包含一种以上的指标测定,涉及到的指标比较多,且各种腐殖质的测定都比较繁琐。为此选择一个描述腐殖酸品质和芳构化程度的重要指标E4/E6值来描述堆肥腐殖化作用大小,即堆肥腐殖酸在波长465和665 nm处吸光度比值,称为E4/E6值。E4/E6值不与腐殖酸分子数量有关,而与腐殖酸分子大小与分子的缩和度大小有直接关系,通常随腐殖酸分子量的增加或缩和度增大而减小。随着堆肥进程的延长,一些大分子的腐殖酸逐渐形成,E4/E6比值呈降低趋势[6-9]。

3 讨论与结论

(1)堆肥的温度变化是反映发酵最直接、最敏感的指标。堆肥过程分为升温、高温和降温阶段3个[10]。在升温阶段,堆体温度逐步从环境温度上升到45℃,主导微生物以嗜温性微生物为主,包括真菌、细菌和放线菌,分解底物以糖类和淀粉为主。堆温升至45℃以上高温阶段,在这一阶段,嗜温微生物受到抑制甚至死亡,而嗜热微生物则上升为主导微生物。堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续被氧化分解,复杂的有机物如半纤维素-纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。现代化堆肥生产的最佳温度一般为55～60℃[13],这是因为大多数微生物在该温度范围内最活跃,最易分解有机物,而病原菌和寄生虫大多数可被杀死。高温阶段必然造成微生物的死亡和活动减少,之后进入低温阶段。在这一阶段,嗜温性微生物又开始占据优势,对残余较难分解的有机物做进一步的分解,但微生物活性普遍下降,堆体发热量减少,温度开始下降。接种外源微生物菌群的目的是为了使堆体温度快速上升,在50～60℃高温区维持一段时间,有机物充分降解并最大程度地杀灭病原菌。

试验表明,N处理是良好的堆肥系统,高温维持时间也达到了标准,满足堆肥无害化卫生标准的要求。接种固氮菌的处理在前期温度上升最快,并且在环境温度较低时,仍然能保持较高温度,说明接种固氮菌的处理具有很好的保温作用。

(2)pH值是影响微生物生长繁殖的重要因素之一,影响整个堆肥过程。虽然不同研究得出的堆肥微生物适宜的pH值范围存在差异[10],但大量研究结果表明,多数堆肥微生物适合在中性或偏碱性环境中繁殖与活动。有机物料堆积过程中,堆内酸碱度是变化的,微生物的降解活动,需要一个微酸性或中性的环境条件,pH值过高或过低都不利于微生物的繁殖和有机物的降解。本试验中接种外源微生物对pH值影响较小。在堆肥初期,微生物利用易分解的有机质快速繁殖,大量有机酸产生,导致3个处理的pH值迅速下降,之后由于有机酸的挥发和氨的产生,各处理pH值回升,到堆肥后期缓慢上升并趋于稳定。这种变化趋势可以说是堆体中微生物群落演替和主要代谢产物变化的结果。

(3)堆肥过程中伴随着腐殖化的过程[7]。3个处理的E4/E6值总体均呈现降低的趋势,符合腐殖化的规律。在堆肥第1阶段,即高温阶段,堆肥腐殖化的速度依次为N、CK、P。多数研究者和堆肥者认为,用于堆肥接种的微生物都是通过压力筛选,比绝大多数土著微生物具有更强的抗逆性、更好的适应性,繁殖速度快,因此,堆肥接种能大幅度地提高产品质量,但本次堆肥试验中,虽固氮菌处理有明显的加快腐殖化的作用,但溶磷菌处理的变化不是很明显。对蘑菇渣堆肥接种本试验室提供的外源微生物,固氮菌混合接种物对堆肥保持较高温度有好处,具有较好的保温作用;但接种外源微生物对pH值影响较小;接种固氮菌处理在堆肥进行的46 d内,E4/E6值一直保持在最低水平,较对照明显加快腐殖化作用。而溶磷菌混合接种物对堆肥的影响较小,与对照差异不显著。

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