微生物接种对生活垃圾堆肥生化特性的影响

2012-07-09谷思玉谷邵臣赵昕宇

东北农业大学学报 2012年2期

谷思玉，谷邵臣，赵昕宇

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030）

现代好氧堆肥法是可降解固体废物资源化利用的主要方式，它可以在一定程度上缓解我国肥料资源紧缺以及环境污染和生态破坏压力[1-2]，符合我国污染环境防治法所确定的废弃物处理减量化、无害化、资源化的原则，是垃圾处理处置的重要手段之一。

堆肥过程主要是利用微生物促进垃圾中可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化过程[3-4]，其中较难降解的物质是纤维素，最难降解的是木质素，所以纤维素、木质素的破坏意味着细胞物质的解体和腐殖质的产生，是堆肥腐熟过程中的最重要的物理性状变化。因此，利用人工接种高效降解菌来促进纤维素、木质素分解的技术，对加速堆肥发酵进程有重要意义[5-8]。因此，该方面的研究也是垃圾生化处理领域的热点和难点。基于此，本文对接种降解菌堆肥的生化特性尤其是微生物活性指标以及各种降解酶活变化进行了研究。旨在通过生物化学手段分析，评价外源微生物接种堆肥可行性，进而为堆肥接种技术提供理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

堆肥物料：城市生活垃圾；碳46.79%、氮2.51%，堆肥前将难降解物质塑料、纸张、金属、砖石等进行挑选。

调理剂：木屑、碳54.65%、氮0.512%；干草，碳48.24%，氮1.20%。

菌种：耐高温复合微生物菌剂(自制)，主要菌种包括纤维素分解菌、木质素分解菌、霉菌等，菌落数：1×109cfu·mL-1。

1.2 堆肥装置

堆肥装置结构见图1，反应筒尺寸为：高400 mm，直径330 mm，总容积34 L，出气管直径6 mm，配有渗滤液收集装置、供气及计量系统、温控系统、出口气体在线检测仪器。

图1 堆肥装置结构Fig.1 Diagram of composting device

1.3 设计

堆肥试验设2个处理：①普通不接种耐高温复合微生物菌剂处理（CK）；②接种耐高温复合微生物菌剂处理（CM），接种剂体积与堆料干重比为5∶10。

堆肥初期添加木屑、粉碎的干草将堆肥物料含水率调节至60%，碳氮比调节至25，堆料干重约为10 kg。物料放入堆肥装置内，强制通风量为0.5 L·min-1·kg-1。

1.4 样品采集

分别在堆肥的 0、48、96、144、192、240、288和336 h采用四分法采集样品，每次取样品总量为500 g，取样后直接测定各项指标。

1.5 测定指标及方法

1.5.1 温度测定

采用堆肥装置内置温度探头进行堆肥温度时时监测。

1.5.2 耗氧速率、CO2产生速率

采用堆肥反应器在线O2-H2S和CO2测定仪测定。

1.5.3 酶活性测定

纤维素酶、蔗糖酶、多酚氧化酶活性测定参照文献[1-2]，方法如下：

a.纤维素酶活性是在样品中加入纤维素后培养，使纤维素在纤维素酶作用下水解成葡萄糖，测定葡萄糖生成量以表征纤维素酶活性，活性单位用mg·g-1·24 h-1表示。

b.蔗糖酶活性测定及表示方法与纤维素酶活性相似，不同的是加入蔗糖以代替纤维素。

c.多酚氧化酶测定是在样品中加入邻苯三酚后培养，使邻苯三酚在多酚氧化酶作用下氧化成紫色没食子素，测定没食子素含量以表征多酚氧化酶活性，单位为mg·g-1·24 h-1。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度变化

在好氧堆肥过程中，微生物分解有机质产生大量的热量，使堆温增高。一般来说，在一定温度范围内，温度每升高10℃，有机体的生化反应速率提高一倍。随之微生物的种群结构和代谢活力也会发生相应的改变[1-3]。因此温度是反映堆肥生化特性及发酵进程的重要参数。本实验研究表明，堆肥开始阶段，堆料温度迅速提高（见图2），CM处理在堆肥的第1天即达到61℃，最高温度达67℃，在堆肥周期内，高于55℃持续5 d。CK处理分别在堆肥的第2天达到61℃，高于55℃停留时间则为4 d。堆肥实验表明，接种外源微生物可以加速堆肥升温，而且耐高温微生物对高温等苛刻条件有良好的耐受性，可使接种堆肥高温期持续时间更长，这也表明堆肥中接种微生物可加速有机物的降解，从而提高堆肥效率。

图2 堆肥过程中温度变化Fig.2 Changes of temperature during composting

2.2 堆肥过程中耗氧速率、CO2释放率变化

堆肥过程中微生物消耗O2，将有机大分子物质降解成小分子物质，最后转化为CO2和H2O，因此，堆肥过程耗氧速率与二氧化碳产生速率具有显著的正相关。分析堆肥过程中耗氧速率、CO2产生速率能进一步深入了解堆肥变化过程及反应进行的程度。从图3、图4可以看出，堆肥过程中耗氧速率、CO2释放率均在高温阶段达到峰值，分别为：CM处理，耗氧速率0.0992 mol·h-1·kg-1，CO2释放率0.0967 mol·h-1·kg-1；CK处理，耗氧速率0.0794 mol·h-1·kg-1， CO2释放率 0.0781 mol·h-1·kg-1。 CM处理耗氧速率、CO2释放率达到峰值所需时间比CK处理提前24 h，并且最大峰值分别是CK处理的1.25、1.24倍。在堆肥0～120 h，CM处理耗氧速率、CO2释放率均明显高于CK处理。CM处理在第192 h CO2产生量已经与CK处理相接近，说明有机质降解速率开始下降，这可能与堆肥中可降解有机物含量减少且两种处理微生物数量相接近有关。

堆肥升温速率、耗氧速率、CO2释放率与堆肥微生物种类、数量变化有直接关系，综上分析，可以看出CM处理接种外源微生物菌剂可以提高堆肥中降解菌数量、活性及分解速率。

图3 堆肥耗氧速率变化Fig.3 Oxygen uptake rate during composting

图4 堆肥过程CO2产生率变化Fig.4 CO2produce rate during composting

2.3 堆肥过程中几种酶活性变化

可降解固体废物的堆肥过程是在微生物分泌体外酶的作用下把复杂的有机物质转化成简单的有机和无机物质，即矿化过程。但是有机物质的变化并不限于分解，与此同时，还进行新的有机物质合成，这就是在酶促作用下进一步把矿化的早期产物合成复杂的腐殖质。因此，酶系活性的强弱直接决定堆肥的进行和强度[1-4]。

2.3.1 纤维素酶活性变化

图5表明，在堆肥升温阶段（0～24 h），CK处理纤维素酶活性略有降低，CM处理变化平缓；而在堆肥的高温初始阶段，两种处理均呈明显的增加趋势，并在48 h达到峰值，分别为0.62 mg·g-1·24 h-1，0.57 mg·g-1·24 h-1，通过纤维素酶活性的峰值分析表明，与CK比较，CM处理纤维酶活性峰值增加了8.77%。此后堆肥温度有所下降，纤维素酶活性亦随之减少，但72～144 h间CM处理的平均纤维素酶活性比CK处理高1.21倍，说明耐高温微生物对纤维素酶活的增加起到了很好的作用。

图5 堆肥过程中纤维素酶活性变化Fig.5 Cellulose emzymes activity during composting

2.3.2 蔗糖酶活性变化

堆肥过程中的蔗糖主要是纤维素分解产生的，也有一少部分来源于堆料有机物中。蔗糖在蔗糖酶的作用下分解为单糖，而蔗糖酶作用的底物则是纤维素酶分解的产物，因此，蔗糖酶的活性与纤维素酶的活性密切相关。堆料中纤维素酶活性增大，产生的蔗糖量增加，进而促进分解蔗糖的微生物活动旺盛，导致蔗糖酶数量增加，活性增强。由图6可以看出，堆肥过程中蔗糖酶活性变化与纤维素酶活性变化类似。CM、CK处理的堆肥蔗糖酶均在48 h达到峰值，分别 72.54 mg·g-1·24 h-1，66.98 mg·g-1·24 h-1，与CK比较，CM处理多酚氧化酶活性峰值增加了8.30%；两处理蔗糖酶活性最大差距出现在72～144 h之间，而在堆肥的腐熟阶段（240～336 h）蔗糖酶活性比较平稳，两处理间差距有所减小，且在300 h附近差距不明显。

图6 堆肥过程中蔗糖酶活性变化Fig.6 Sucrose emzymes activity during composting

2.3.3 多酚氧化酶活性变化

多酚氧化酶不仅能催化可降解固体废物中木质素降解，还能使木质素氧化后的产物醌与氨基酸缩合生成胡敏酸[15]。

图7 堆肥过程中多酚氧化酶活性变化Fig.7 Polyphenol oxidase emzymes activity during composting

从图7可以看出，堆肥初期，随温度的升高，CK、CM两种处理多酚氧化酶活性呈逐渐增加趋势，并在堆肥144 h附近达到高峰，分别为70.25 mg glucose·g-1·24 h-1、85.96 mg glucose·g-1·24 h-1，与CK比较，CM处理多酚氧化酶活性峰值增加了22.36%。在堆肥的中后期，各处理的多酚氧化酶活性均高于堆肥前期，这可能与堆肥过程中木质素在中后期分解及胡敏酸的合成有关。

3 讨论

堆肥过程实质是一个微生物作用和分解的过程[16]，堆肥开始阶段，温度迅速升温，微生物大量死亡，降低了微生物降解有机质的活性，降低堆肥效率。这就需要通过接种耐高温微生物菌剂来加速度堆肥过程中有机质的降解速率，缩短堆肥周期。本文通过接种耐高温微生物使堆肥迅速升温，可使接种堆肥高温期持续时间更长，加速有机物的降解，从而提高堆肥效率，与李秀艳等研究结论一致[17]。堆肥过程中，微生物首先分解利用易降解的有机质，产生大量的CO2，因此CO2能够有效的反应出堆肥的不同阶段[17]。通过堆肥过程中的耗氧速率及CO2产生率分析表明，接种微生物可明显增加堆料中微生物的数量及其对有机物质的分解效率，提高堆肥分解旺期的耗氧速率及CO2释放率，进而缩短堆肥周期。生活垃圾中含有大量的植物残体，其中含有大量的纤维素类物质，纤维素、木质素等物质较难降解。加入耐高温菌剂处理的堆肥其纤维素酶的活性明显好于CK处理的，当堆肥温度有所下降的时候，纤维素酶活性亦随之减少，但72～144 h间CM处理的平均纤维素酶活性比CK处理高1.21倍，说明耐高温微生物对纤维素酶活性的增加起到了很好的作用[18]。蔗糖酶的活性能够间接反映纤维素酶的活性，两个处理蔗糖酶活性最大差距出现在72～144 h之间，说明CM处理在72～144 h时间段内纤维素的活性较大，进一步说明耐高温菌剂对纤维素酶的活性起到了增加的作用[19]。CM处理多酚氧化酶活性均明显高于CK处理，表明接种微生物堆肥可促进堆肥过程中木质素的分解及胡敏酸物质的形成，与刘艳华等研究结果一致[20]。

4 结论

a.接种耐高温微生物菌剂进行堆肥，可加速堆肥升温，提高堆料最高温值，延长高温阶段持续时间。

b.接种微生物菌剂堆肥，可明显增加堆肥各阶段堆料中微生物群落的数量，提高堆肥中前期的耗氧速率及CO2释放率，进而提高堆肥效率。

c.堆肥过程中纤维素酶、蔗糖酶活性变化规律基本一致，均在堆肥的第48 h达到峰值，在堆肥的24～192 h，接种微生物处理CM纤维素酶、蔗糖酶活性明显高于CK处理。多酚氧化酶活性在堆肥的144 h达到峰值，并且堆肥降温期及腐熟期多酚氧化酶活性明显高于堆肥前期。在堆肥不同阶段，接种微生物处理CM多酚氧化酶活性均明显高于CK，尤其在堆肥的降温及腐熟阶段，增加显著。

[1]杜吴鹏,高庆先.中国城市生活垃圾处理及趋势分析[J].环境科学研究,2006,19(6):115-120.

[2]韩凌,王佳,李书舒.再生资源开发利用产业化中回收体系特征的初步分析[J].环境科学研究,2003,19(2):120-123.

[3]席北斗,刘鸿亮,孟伟,等.垃圾堆肥高效复合微生物菌剂的制备[J].环境科学研究,2003,16(2):59-64.

[4]魏自民,席北斗,赵越,等.城市生活垃圾外源微生物堆肥对有机酸变化及堆肥腐熟度的影响[J].环境科学,2006,27(2):376-380.

[5]Blanchette R A.Degradation of lignocelluloses complex in wood[J].Can J Bot,1995,73:999-1010.

[6]Ofosu-Asiedu A,Smith R S.Some factors affecting wood degradation by the rmotolerant fungi[J].Mycologia,1973,65:87-98.

[7]Sjostrom E.Wood chemistry,fundamentals and application[M].New York/London:Academic Press,1993.

[8]陈海滨,淘华,冯其林.我国城市垃圾处理现状研究[J].武汉城市建设学报,1997,14(3):40-44.

[9]冯明谦,刘德明.滚筒式高温堆肥中微生物种类和数量研究[J].中国环境科学,1999,19(6):490-492.

[10]潭小琴,邓良伟,伍钧,等.猪场废水堆肥化处理过程中微生物及酶活性的变化[J].农业环境科学学报,2005,25(1):244-248.

[11]关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1983:260-339.

[12]席北斗,李英军,刘鸿亮,等.温度对生活垃圾堆肥效率的影响环[J].境污染治理技术与设备,2005,6(7):33-36.