猪场厌氧发酵沼液复合菌群的筛选及静态试验效果研究

2015-02-20林标声何玉琴黄燕翔邱丰艳

东北农业大学学报 2015年1期

林标声，何玉琴，黄燕翔，邱丰艳,3

（1.龙岩学院生命科学学院，福建龙岩 364012；2.龙岩市土壤肥料技术站，福建龙岩 364000；3.福建省预防兽医学与兽医生物技术重点实验室，福建龙岩 364012）

近年来，我国养殖业发展迅速，并向专业化、规模化、集约化方向发展，成为农村农民增加收入的重要途径。然而，由于畜禽养殖业沼液排放的随意性，未能得到及时有效处理，使其成为城市、农村主要污染源[1]。猪场排放的厌氧发酵后沼液含有丰富营养成分，如N、P、K等基本营养元素和氨基酸、生长素等活性物质，还存在一些悬浮物（SS）、蛔虫卵、粪大肠菌群（Fecal coliform）[2]等物质。随着化肥用量增加，有机肥用量随机减少，土壤结构破坏，肥料利用率低，养分供给不平衡，造成农作物品质下降。沼液水肥一体化灌溉管理技术，既能为规模化养殖污水进行有效处理，又能为农作物生产提供优质有机肥料，为沼液处理利用提供新出路[3]。但目前现有的沼液水肥一体化技术进展缓慢，效果不明显，原因是沼液水肥含有效养分低、肥效不显著，沼液中含有大量残渣、微型固体物质，灌溉中造成灌溉管道堵塞等现象，猪场排放的厌氧发酵后沼液中含有残留有害气体、有害微生物、蛔虫卵等物质，对农作物产生毒害[4]，不能直接用于农田灌溉。

本文筛选功能多样、优势的微生物复合菌群，通过共生、协同等作用对猪场排放厌氧发酵沼液进行处理，分析处理效果。选育微生物菌群产生大量淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、几丁质酶，有效分解水体中的大量有害物质、悬浮物，但不会过多利用沼液中氮、磷等营养成分，实现沼液高效、营养、无害化的水肥利用，达到农田灌溉标准（GB5084-2005），作为沼液复合液肥用于农田灌溉[5]。

1 材料与方法

1.1 材料

猪场厌氧发酵沼液：沼液由福建省上杭县儒溪槐猪有限公司提供。

复合菌群筛选样品：从猪场沼液排放的河流及沿岸收集污染水样，样品用于筛选放线菌、乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌、绿色木霉、芽孢杆菌等微生物。

培养基配置：各单菌最适培养基及复合菌群培养基的配置参照文献[6]等方法配置。

主要仪器及设备：紫外可见分光光度计（型号UV-3200PCS），购自上海美谱达仪器公司；生化培养箱（型号LRH-150），购自上海一恒科技有限公司；pH计（型号FE20），购自梅特勒-托利多公司；恒温培养振荡器（型号HNY-100B，台式），购自天津市欧诺仪器仪表有限公司；超净工作台（型号SW-CJ-ID），购自苏州净化设备有限公司。

1.2 方法

1.2.1 初始沼液的指标监测方法

水样的各种监测指标，pH值、CODcr、氨氮、总磷、悬浮物、浊度的测定参照文献[7]；总不可滤残渣的测定按照文献[8]，测定103～105℃烘干的总不可滤残渣[8]；全盐量的测定采用重量法[9]；粪大肠菌群的测定按照滤膜法测定[10]，蛔虫卵测定参照硫酸锌溶液漂浮法[11]。

1.2.2 复合菌群的筛选

各菌分离培养：分别配置上述各单菌适合的液体培养基，分别接入10%的水样，混合均匀，富集培养、筛选，反复多次后，分离较纯菌体进行液体扩大培养，获得菌液待用。

复合菌群培养：所获放线菌、乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌、绿色木霉、芽孢杆菌的各单菌液按相同比例接入到复合菌群液体培养基中，充分混合均匀，调节pH 6.0，培养温度28～30℃，进行开放式培养，培养3 d后，每天定时测定培养基OD600值并镜检观察，取OD600最高峰值培养液作为第一次富集复合菌，将菌液按10%再次接入富集的复合培养基中，如此反复富集2～3次，将最后富集得到的菌液作为试验菌种。

1.2.3 沼液静态处理试验

两组1 000 mL的烧杯中分别加入500 mL的沼液，一组作为试验组，分别添加0.1%、0.5%、1%的复合菌液；另一组不加菌液但加入与试验组相同配方和用量的培养基作为对照。试验重复3次，取平均值。

试验期间，每2 d测定1次沼液水质指标，培养10 d终止试验，分析复合菌液处理效果，选定最适的处理猪场沼液复合菌群添加量。

1.2.4 处理后沼液的毒性试验

选定最适添加量的复合菌群处理沼液，采用测定萝卜种子发芽率和发芽指数方法评价处理后沼液的毒性，方法如下：在直径9 cm的培养皿中放入大小合适的滤纸，每个滤纸各摆放20粒饱满的萝卜种子。在培养皿中分别加入5 mL的去离子水（对照组）、初始沼液、处理后沼液，将各培养皿放置25℃、黑暗的培养箱中培养，当对照组发芽率达到65%、种子根长为20 mm时试验结束，分别测定初始沼液组和处理后沼液组发芽率、根长和发芽指数，发芽指数的测定公式为：发芽指数（%）=（试验组发芽率×根长）/（对照组发芽率×根长）×100%[12]。

2 结果与分析

2.1 猪场厌氧发酵初始沼液的指标检测结果

猪场排放的厌氧发酵后初始沼液的指标检测结果（见表1）。

表1 初始猪场沼液指标测定结果Table 1 Index test results of initial piggery biogas slurry

由表1可知，初始沼液水质指标均不符合农田灌溉标准，特别是沼液中含有的蛔虫卵、粪大肠杆菌、悬浮物过多，浑浊度较高，如果直接灌溉农田，易产生农作物污染、管道堵塞，可对其进行水质处理，提高净化效果，达到农田灌溉标准。

2.2 复合菌群对猪场厌氧发酵沼液处理效果分析

2.2.1 对沼液CODcr处理效果

复合菌群不同添加量对沼液CODcr处理效果见图1。结果表明，对照组未添加复合菌液，其CODcr略有下降，可能是沼液自身所含微生物降解作用，但还远未达到灌溉标准，自身降解时间较长。

图1 复合菌群不同添加量对沼液CODcr处理效果Fig.1 Treatment effects of CODcr in biogas slurry by different adding amount of compound bacteria

投入不同添加量的复合菌液后，CODcr均明显下降，在前2 d内降解效果良好，去除率达到50%，CODcr小于200 mg·mL-1，达到农田灌溉标准。随时间的延长，后期CODcr降解效果趋于稳定，降解效果并没有显著增加，不同添加量对沼液CODcr处理效果不明显，降解沼液CODcr处理效果最好添加量为0.5%。

2.2.2 对氨氮、磷的处理效果

添加同样培养基的试验组、对照组复合菌群不同添加量对沼液氨氮、磷处理效果见图2、3。

由图2、3可知，开始时，添加不同浓度的复合菌群后，由于试验组各组菌体含有一定的氨氮和磷，含量高于对照组；各试验组的氨氮、磷的含量开始下降，其含量到4 d时开始低于对照组，而对照组的氨氮、磷含量因其自带菌降解能力的限制，一直维持在初始水平，降解有限。各试验组到第10天其氨氮、磷的降解率在28%～43%和20%～32%，相对于对照组，各试验组沼液中的氨氮、磷含量还较高，表明未因投入大量的复合菌液而降解，保持一定的营养成分可作为水肥加以利用。沼液中添加复合菌群用量越大，所含营养物质越多，氨氮、磷含量越大，但其降解能力也越强，处理10 d后，0.1%、0.5%、1%不同菌群添加量的氨氮降解率分别为：28.47%、35.84%、42.53%、磷的降解率分别为：20.31%、26.28%、31.35%。

图2 复合菌群不同添加量对沼液氨氮处理效果Fig.2 Treatment effect of NH3 -N in biogas slurry by different adding amount of compound bacteria

2.2.3 对蛔虫卵、粪大肠菌群和其他指标处理效果

添加不同量的复合菌群，处理猪场厌氧发酵沼液10 d后测定其蛔虫卵、粪大肠菌群、悬浮物、浊度和全盐量，处理效果见表2。

结果表明，对照组未添加复合菌群，自身的降解能力有限，各指标检测未达到农田灌溉标准。添加复合菌群不同菌液量处理沼液，试验组各指标降解效果明显优于对照组。试验组沼液蛔虫卵数检出数为0～1个，蛔虫死亡率达到95%以上；复合菌液对沼液粪大肠杆菌有很好的去除效果，去除率达到98.2%～98.3%；复合菌液对沼液的悬浮物、浊度、总不可滤残渣也有较好处理效果，沼液中的悬浮物质明显分解，残渣减少，有利于农田管道灌溉；处理后全盐量也有所降低，为30%，但也均达到灌溉标准。总之，添加复合菌剂对处理猪场厌氧发酵沼液污染，降低粪大肠杆菌等微生物菌群、蛔虫的危害，分解沼液悬浮物，使其达到农田灌溉标准均具有良好的作用，其中处理效果最好的添加量为1.0%，微生物菌剂量越大，处理效果越为明显。

图3 复合菌群不同添加量对沼液磷处理效果Fig.3 Treatment effects of phosphorus in biogas slurry by different adding amount of compound bacteria

综合分析复合菌群不同添加量对沼液CODcr、氨氮、磷、蛔虫卵、粪大肠菌群和悬浮物等其他指标处理效果，选定0.5%为最适添加量，其处理CODcr效果最好，且不会大量降解沼液中的氨氮和磷，对蛔虫卵、粪大肠菌群有较好的去除率，对悬浮物等其他指标处理效果也较好，处理后达到农田灌溉标准。

2.3 处理后沼液的毒性试验结果

猪场沼液经0.5%最适添加量复合菌群处理后，测定其萝卜种子的发芽率和发芽指数结果见表3。

表2 复合菌群不同添加量对沼液蛔虫卵、粪大肠菌群和其他指标处理效果Table 2 Treatment effects of ascaris egg,fecal coliform bacteria and other indicators in biogas slurry by different adding amount of compound bacteria

表3 沼液毒性试验测定结果Table 3 Determination results of biogas slurry toxicity test

由表3可知，与初始沼液相比，虽经复合菌群处理后沼液萝卜种子的根长受到较大抑制，但其发芽率和发芽指数均有显著提高，较为明显地降低初始沼液的毒性，该沼液可作为水肥安全应用。

3 讨论与结论

本文通过从猪场沼液排放的河流及沿岸收集污染的水样中筛选、富集得到含放线菌、乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌、光和细菌、绿色木霉、芽孢杆菌等微生物复合菌群，处理猪场厌氧发酵沼液的试验结果表明，选定添加0.5%复合菌群处理沼液，降解CODcr效果最好，利用沼液中的氨氮和磷，能有效去除沼液中的蛔虫卵、粪大肠杆菌等有害物质，还能去除沼液中的悬浮物，降低沼液的浊度，达到农田灌溉水质标准。毒性试验结果表明，经复合菌群处理后的沼液，萝卜种子发芽率和发芽指数均显著提高，解除初始沼液的毒性。表明，猪场沼液经复合菌群处理后，其营养、无害、悬浮物少，能作为水肥加以综合利用。

传统处理污水的活性污泥[13]微生物复合菌群含有硝化细菌、反硝化细菌、产氨菌、解磷菌和巨大芽胞杆菌等，这类微生物对污染水样中BOD5、CODcr降解效果良好，降解率可能达到75%以上，这些菌对水样中氨氮和磷具有强降解作用，经处理后水样能达到排放水（BG18596-2001）标准[14]。为使处理后的沼液达到农林灌溉标准（GB5084-2005），所筛选的复合菌群应能较好保持水样中氨氮、磷等营养成分，同时能较好解除沼液的毒性、降低沼液悬浮物和微型固体物质，因此选定上述复合菌群。

毒性试验结果表明，种子根长对污水毒性相对敏感，虽经复合菌群处理，但处理后沼液残留毒性显著抑制种子根的生长，表明种子根生长直接与生长基质有关。处理后沼液发芽率显著提高，原因是复合菌群降解初始沼液中毒性及种子发芽除可从生长基质沼液中获取营养，还从胚内获取养分帮助种子发芽[15]。

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