微生物菌剂在醋渣堆肥中的应用*

周万海，魏琴，王涛，冯瑞章，杜永华，庞建义

1(固态发酵资源利用四川省重点实验室，四川宜宾，644000)2(宜宾学院生命科学与食品工程学院，四川宜宾，644000)

醋渣是酿造食醋生产的主要副产品。研究表明，每生产1 t标准的固态发酵二级食醋，就有600～700 kg醋渣产生［1］。醋渣由于含水量大、酸度大、腐烂慢、养分含量低、难分解物质含量高等特点，常规方法处理有一定的难度。以醋渣为主要原料进行好氧堆肥是一条可供选择的有效途径［2］。

影响堆肥腐熟进程的因素很多，如温度、C/N、堆肥物料等，而微生物是堆肥的主体，决定着堆肥的质量和腐熟进程［3－4］。传统的堆肥方法主要利用堆料自身存在的微生物进行自然发酵，但发酵时间长、肥效低。研究表明，通过人为接种各类微生物菌剂可增加堆料中微生物数量，调节堆肥菌群结构，提高微生物活性，从而加速堆肥进程和提高肥效［5－7］。目前，对醋渣堆肥化技术的研究尚处于起步阶段，成熟的技术也很少。鉴于此，本实验以醋渣和一定量的油菜籽粕为原料，通过接种固氮菌和纤维素分解菌研究堆肥过程中堆体温度、水分、pH值、总有机碳、粗纤维素及种子发芽指数的变化，探讨微生物菌剂对加速醋渣堆肥腐熟和提高堆肥质量的效果，以期为食醋酿造生产中醋渣堆肥的应用提供参考依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

醋渣收集于四川省宜宾市天工酿造厂，油籽粕饼购自植物油品加工厂，供试材料理化性状见表1;微生物由本实验室选育、保藏，分别为纤维素分解菌(Bacillus aryabhattai)及固氮菌(Bacillus anthrac)。

表1 堆肥原料的基本性质Table 1 Properties of materials in the compost

1.2 实验设计

实验于2012年5～6月在宜宾学院发酵资源与应用四川省高校重点实验室外进行。堆制前将醋渣与油籽粕饼以质量比4∶1混合，调节混合物料的总含水率在59%～61%，尿素调节C/N为25左右，用生石灰调节pH值为7.0～7.1。实验共设4个处理，处理1为不接菌的空白对照(CK);处理2为接种固氮菌(nitrogen-fixation bacteria，NF);处理3为接种纤维素分解菌(cellulose-decomposing bacteria，CD);处理4为纤维素分解菌和固氮菌1∶1混合接种(NF+CD)。处理2至4以体积比0.5%添加菌剂，处理1(对照)中加入等量灭菌培养基。将所有物料混合均匀后堆成堆体约1.5 m3，呈高为1 m的锥体，每个处理设3次重复。

1.3 实验管理及样品采集

堆肥开始后前2周，每3天翻堆1次，以后每7天翻堆1次;每天上午10:00和下午15:00分别测定堆肥温度和环境温度。堆肥温度为堆体表面、中部和底部温度平均值，环境温度为堆肥装置周围1 m处温度平均值。堆肥周期为56 d，每7天采样1次，采样方式为五点采样法，即在中心及四角部位采集样品共约400～500 g，充分混合后，分成2份，即新鲜样品(贮存于4℃的冰箱中备用)和待风干样品。风干样品磨碎后过0.25 mm筛，用于总有机碳、全氮和粗纤维素含量的测定，鲜样用于测定含水量、pH值和种子发芽指数(germination index，GI)。

1.4 测定方法

总有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定;全氮采用凯氏定氮法;粗纤维含量采用自动纤维素分析仪;含水量采用烘干法;pH值测定采用电极法测定。所有测定项目均设3次重复。

种子发芽指数测定:堆肥新鲜样品与水按1∶10(质量比)比例混合振荡1 h，浸提液经滤纸过滤后待用。把2片直径为9 cm的滤纸放入干净无菌的培养皿中，每个培养皿中均匀播入25粒饱满露白的小麦种子，用移液枪吸取10.0 mL上述堆肥滤液于培养皿中，同时以超纯水为对照，每个样品重复3次。将所有的培养皿放置于25℃培养箱中进行暗培养48 h，统计发芽率并测定根长，然后计算堆肥浸提液的种子发芽指数 GI［8］。

1.5 数据分析

所有实验数据为3次重复的平均值和标准差，采用SPSS(13.0)软件进行数据的统计分析和多重比较。

2 结果与讨论

2.1 微生物菌剂对堆肥温度的影响

堆体温度是微生物生命活动的重要标志，其变化能反映堆肥内部微生物的活动，因此是反映堆肥成败的一个重要物理参数和综合性指标［9－10］。如图1所示，各处理堆体温度变化都经历了升温期、高温期、降温期和稳定期4个阶段。NF+CD、NF、CD处理的堆体分别在第5、第7和第8天温度升高到50℃以上，CK在第11天时达到50℃以上的高温;NF+CD处理堆体的最高温度为70.1℃，NF、CD处理最高温度低于NF+CD处理(分别为68.1℃、66.4℃)，但高于CK处理(64.2℃);接种NF+CD、NF、CD菌剂处理的堆体55℃以上高温持续时间分别为8 d、9 d和6 d，对照处理堆体55℃以上高温持续时间为5 d;NF+CD处理从堆肥第19天开始，堆体温度基本与环境温度接近，直至堆肥结束，说明该处理在第19天时基本完成腐熟，进入后熟阶段，NF和CD菌剂处理分别在24天和25天基本完成腐熟，而CK处理在32天时才基本完成腐熟。以上结果表明接种微生物菌剂增加了堆体中初始微生物数量，较自然堆肥能够明显加速堆体升温，缩短堆体达到高温所需时间和维持较长的高温期，有利于堆体中有机成分的降解，特别是固氮菌和纤维素分解菌混合接种的处理效果更为明显。

图1 堆肥过程中温度的变化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.2 微生物菌剂对堆肥水分含量的影响

堆肥过程中的水分具有保持微生物活性，溶解有机物及通过蒸发调节堆体温度等多种作用，因此是堆肥工艺的另一重要物理参数［11］。由图2可知，堆肥过程中各处理堆体含水率均呈逐渐降低的趋势，但不同处理的堆肥含水率变化存在差异。堆肥结束时，NF+CD、NF、CD、CK各处理堆体含水率较堆肥前分别降低了42.7%、40.2%、38.7%和33.4%。分析各处理堆置过程的水分变化动态发现，NF+CD菌剂处理的水分损失主要发生在0～21 d，大约占整个堆肥过程水分损失总量的71.3%;其他3个处理的水分损失主要发生在0～28 d，28天时的水分损失量约占水分损失总量的69.2%～76.9%。含水率的降低与堆体的温度、高温持续时间及堆肥材料等因素有关，特别是升温期和高温阶段堆体产生的大量生物热将水分蒸发散失，是水分散失最快的阶段［12－13］。

2.3 微生物菌剂对堆肥pH值的影响

适宜的pH值是微生物有效降解有机质的重要环境因素，pH值的变化可以有效反映堆体中微生物的降解活动，反过来微生物的分解活动也会影响堆肥pH值的变化，进而影响堆肥产品的质量和腐熟度［14－15］。由图3可见，堆肥过程中各处理的 pH值呈现先升高后降低的趋势，其中NF+CD处理在第7天即达到 8.2，CD和NF处理在第14天分别达到8.1和8.2，CK在第21天达到8.2;达到最高值后，随着堆肥的继续进行，各处理堆体pH值逐渐下降，堆肥后期各处理的pH值均稳定在7.2左右。堆肥初期各处理堆体的pH值升高可能是因为该时期微生物氨化作用加强，有机氮大量转变为NH3引起，接种微生物菌剂的各处理堆体pH值上升速度较快可能与微生物菌剂加速堆体升温导致的氨化作用强烈有关［16］;堆肥后期有机物分解减少、蛋白质等含氮物质减少、氨气的挥发及有机酸产生等原因导致各处理堆体的pH值在堆肥结束时降至7.2左右［6］。

图2 堆肥过程水分含量值变化Fig.2 Changes of water content during composting

图3 堆肥过程pH值变化Fig.3 Changes of pH value during composting

2.4 微生物菌剂对堆肥总有机碳及纤维素含量变化

由表2可知，在堆肥初期，堆体总有机碳含量为775.2 g/kg，堆肥结束时，NF+CD、NF、CD 和 CK 4 个处理总有机碳含量分别较堆肥前降低46.22%、40.49%、41.53%和32.2%，总体表现为有机碳含量的降低。在堆肥过程的升温阶段，微生物主要分解结构简单、易分解的有机物质，4个处理的堆体在高温阶段有机碳降解的速率均较快，且与对照相比，接种微生物菌剂的3个处理有机碳降解更快，其中以NF+CD处理下降幅度最大，该处理在14天时有机碳含量为534.4 g/kg，较堆置前降低了31.1%，占整个堆肥过程有机质碳降解率的67.2%;NF和CD处理在21天时的有机碳含量分别较堆置前降低了30.3%和30.1%，分别占整个堆肥过程有机碳总降解率的74.8%和72.4%，说明接种微生物菌剂能较好地促进有机物的降解，提高堆肥中有机物的降解率，加快了堆肥的进程。

表2 堆肥过程中总有机碳及纤维素含量变化Table 2 Changes of total organic carbon and coarse fibers during composting

堆肥物料中存在的纤维素、半纤维素、木质素等物质是影响好氧堆肥进程的一个重要制约因素，由表2可知，本研究中4个处理的粗纤维含量在堆肥过程中都呈现逐渐降低的趋势。其中，NF+CD处理变化最为显著，其粗纤维含量由初始的26.7%降低到56 d后的16.2%，总降解率达39.2%;其次为单独接种纤维素分解菌的处理，堆肥结束时的粗纤维素含量降低到16.9%，总降解率36.8%;单独接种固氮菌的处理的总降解率为31.3%，对照处理变化较小，总降解率为28.1%;以上结果表明接种微生物菌剂有利于堆肥中纤维素类大分子物质转化，提高堆肥中可溶性小分子有机物质的含量，促进碳素循环，提高堆肥品质，原因可能是微生物菌剂的添加增加了堆肥初期微生物的群体数目，提高了菌群质量，增强了微生物的降解活性［17－18］，从而表现接种微生物菌剂的处理其纤维素降解能力均高于对照。接种纤维素分解菌以后，在纤维素酶的作用下，堆料中难降解性物质的分子结构遭到破坏，纤维素类物质完全或部分降解［19］;而固氮菌和纤维素分解菌同时接种，固氮菌利用纤维素分解菌分解纤维产生的葡萄糖作为碳源，纤维素分解菌利用固氮菌固定的氮作为氮源，二者相互利用、相互依存［20］，加速有机物质的分解和纤维素类物质的降解，表现为NF+CD处理的总有机碳分解和纤维素降解率最高。

2.5 微生物菌剂对堆肥的种子发芽指数

由图4可知，随着堆肥时间的延长，4个处理的GI值均呈现先降低再上升的趋势，堆置前堆料浸提液处理的小麦种子发芽率约为16%，到堆肥第7天时4个处理的GI值均降低到7%左右，随后接种微生物菌剂的3个处理GI值逐渐升高，CK的GI值继续降低;堆肥结束时，固氮菌和纤维素分解菌同时接种的处理GI值达到89%，单独接种固氮菌和纤维素分解菌的处理其GI值都为84%，CK处理为81%。用种子发芽指数来评价堆肥腐熟度，能更有效地反映堆肥对植物毒性大小，当GI值达到80% 时，可认为堆肥已没有植物毒性或已经腐熟，而未腐熟堆肥的植物毒性主要来自于小分子有机酸、大量的 NH3和多酚等物质［8，21］。本试验中，接种微生物菌剂的3个处理其GI值均高于不接种处理，且与CK相比，NF+CD处理提前14 d，NF和CD处理均提前7 d达到腐熟水平，说明添加微生物菌剂处理对有机酸、胺类和多酚等物质的降解比自然发酵快［22］。

图4 堆肥过程种子发芽指数变化Fig.4 Changes of germination index during composting

3 结论

本实验结果表明，接种微生物菌剂可以加速堆体升温，促使堆肥提前达到高温期，从而加速堆肥过程，与对照处理相比，固氮菌和纤维素分解菌混合接种的堆肥腐熟时间可以缩短13 d左右，单菌接种的堆肥腐熟时间可以缩短7～8 d左右。堆肥过程中物料的水分含量持续降低，其中以固氮菌和纤维素分解菌混合接种的处理水分下降速率最快，且该处理的水分损失主要发生在0～21 d，其他3个处理的水分损失主要发生在0～28 d。pH值均呈现先升高、后降低的趋势，到堆肥结束时，各处理的pH值均稳定在7.2左右。与堆肥前相比堆肥结束时各处理的总有机碳含量降低32.2%～46.22%，粗纤维素含量降低28.1%～39.2%，接种微生物菌剂的处理其有机质分解和粗纤维素降解率均高于不接种对照，其中NF+CD处理的效果最好。随着堆肥时间的延长，4个处理的种子发芽指数均呈现先降低再上升的趋势，堆肥结束时各处理的GI值均大于80%，以NF+CD处理的发芽指数最高，且与CK相比，该处理提前14 d，NF和CD处理均提前7 d达到腐熟水平。因此，添加微生物菌剂能加速堆肥物料的有机物质的分解和纤维素类物质的降解，提高堆肥的种子发芽指数，提前进入腐熟期，缩短堆肥时间，且混菌接种的效果高于单菌接种。

由于醋渣中难分解物质含量高，养分含量低，因此，加强有机物质的分解、营养成分的积累及纤维素的降解是醋渣堆肥充分腐熟的关键。研究表明，在经过一次发酵后的初级堆肥上再接种菌剂，可以使堆温又一次上升至60℃，并维持4 d以上，进行二次发酵，从而加速纤维素和木质素的彻底分解，充分提高堆肥腐熟度［26］;此外，接种量、微生物种类及接种方式都决定着堆肥的腐熟进程。因此，在醋渣堆肥中这些因素均尚待进一步研究。

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