微生物接种应用于好氧堆肥的研究进展

曹文胜+曹军+王阳+刘永德

摘要：简述了好氧堆肥的原理，从接种菌剂种类、接种方式和接种量方面综述了微生物菌剂在好氧堆肥方面的研究情况和对堆肥效果的影响，并指出了好氧堆肥过程中接种微生物菌剂的重点研究方向。

关键词：好氧堆肥；微生物菌剂；接种；研究进展

中图分类号：X172

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0018-03

1 引言

传统堆肥法是微生物在一定的温度、湿度和pH值条件下，对有机质进行生物降解，同时满足自身繁殖生长，形成一种类似腐殖质土壤的过程。由于堆肥初期微生物量较少，需要适宜的条件和一定的时间才能大量繁殖生长。因此传统堆肥法往往具有发酵周期长，效率低下，营养成分含量少，肥效低，发酵时期产生恶臭气体等问题[1，2]。而进行人为接种有效微生物菌剂，能够增加微生物个体和改善微生物群落结构，加速堆体中有机质的分解，提高堆肥效率和肥效。因此，人为接种微生物菌剂对堆肥过程有着重要意义。

2 好氧堆肥

好氧堆肥是微生物在有氧条件下对有机质进行快速降解的过程，微生物将易降解的有机质直接吸收和分解合成自身细胞物质，另一部分有机质在微生物的作用下降解为无机物，在这个过程中，有机质除了满足微生物自身繁殖生长之外，同时也被分解为CO2、H2S、NH3等简单无机物排放到环境中。好氧堆肥可以分为3个阶段：升温期、高温期和降温期。升温期阶段，嗜温菌开始适应堆体的环境条件，不断转化易降解有机质，并吸收营养物质供自身生长繁殖，放出热量使堆体升温。当堆体温度达到50℃时，堆肥开始进入高温期，在此阶段嗜热菌开始代替嗜温菌成为堆体的优势菌。嗜热菌加速转化易降解有机质，同时堆体的虫卵，病害微生物等被高温杀死。随着高温的持续，易降解的有机质和化合物大部分被微生物转化，营养物质不能满足微生物的生长，微生物的代谢活动逐渐减弱，温度降低进入降温期，嗜温菌成为堆体内优势菌，并最终将有机质转化为腐殖质[3]。

3 接种菌剂对堆肥效果的影响

目前应用的接种剂主要为微生物菌剂、商业添加剂、有效自然材料[4]。微生物菌剂分为单一和复合微生物菌剂。不同微生物菌剂的接种能够影响堆体内各种参数变化和微生物群落结构的改变。通过接种微生物菌剂可以不同程度的加快堆肥腐熟的进程和提高堆肥效果。徐智等[5]研究表明接种复合微生物菌剂VT的处理在堆肥升温和保持高温效果比较明显，耗氧速率最高，C/N下降速度快，GI值上升速度明显加快。其中接种复合微生物菌剂VT的效果较单一微生物菌剂巨大芽孢杆菌堆肥效果较好。接种微生物菌剂有利于堆肥升温期脱氢酶和纤维素酶活性增加，促进堆肥的氧化还原反应和纤维素的分解， 加快微生物转化能力和代谢活动，且接种复合微生物VT的效果最明显。

谷思玉等[6]研究表明接种包含纤维素分解菌、木质素分解菌、霉菌等耐高温微生物菌剂进行堆肥，可加速堆肥升温，提高堆料最高温度值，延长高温阶段持续时间。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。堆肥过程中纤维素酶、蔗糖酶均在堆肥的第48h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。李秀艳等[7]研究表明，接种高温菌剂的堆肥与对照组相比，具有升温速度快、发酵温度高、有机物去除率高的特点，可以使堆肥的一次发酵阶段在高温条件下高效进行，同时接种堆肥在 80℃高温环境中保持了旺盛的微生物种群数量和代谢活性，增强了微生物生态系统的功能，接种堆肥的物料腐熟度更大，腐殖质含量更高。席北斗等[8]研究表明接种单一菌种的堆肥效果并不理想，而接种添加康氏木霉、白腐菌、变色栓菌、EM菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌复合菌剂能够使微生物之间形成一种协同关系，构建一个更加复杂和稳定的微生物生态系统，能够把难降解有机质分解为小分子物质，可以将堆体难利用的钾、磷等元素转化为微生物可以利用的营养物质。

4 接种方式对堆肥效果的影响

由于堆肥过程和物料成分的复杂性，微生物接种时机是影响堆肥效果的关键因素。堆体中的土著微生物产生的代谢物质会抑制接种微生物的生长繁殖，接种微生物菌剂与土著微生物之间存在激烈的竞争。合适选择微生物菌剂的接种时期能够降低两者之间的竞争，增强微生物的活性，提高堆肥效率。鄢海印等[9]通过抗生素标记、选择性培养基方法在堆肥前期、后期以及前后期分两次接种复合菌剂进行好氧堆肥，研究表明堆肥后期和分前后两次接种复合菌剂明显增加堆肥枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌功能菌数量，增强微生物总体活性和微生物群落多样性，增强了堆肥水溶性磷和有效磷含量以及堆肥对青枯病菌拮抗性能。党秋玲等[10]利用 PCR-DGGE 方法并结合聚类分析和 Shannon-Weaver 指数变化以生活垃圾为原料进行好氧堆肥，采用多阶段的方式强化接种功能微生物菌剂，来研究堆肥过程中多阶段强化接种对细菌群落多样性和结构的影响。研究表明，多阶段接种堆肥能有效提高半纤维素、纤维素和木质素的降解率，能使接种菌剂更好地定植于堆体之中，有效避免接种菌剂和土著菌剂之间的竞争性抑制作用，提高堆肥腐熟阶段的细菌群落多样性，加快微生物群落演替，加快堆肥的稳定化进程。姚波等[11]研究表明，堆肥起始接种、高温期接种、高温后接种和后腐熟接种，堆肥结束后其特征峰强度明显，红移现象也比较显著。堆肥起始和高温后接种处理其特征峰强度增强较其他处理明显。接种菌剂的堆体由于微生物菌剂的代谢作用，DOM的组成复杂化趋势相对明显，在高温后和堆肥起始接种微生物复合菌剂堆体与其他接种方式相比可明显增加DOM有机成分的腐殖化进程，加快堆肥的进程。

5 接种量对堆肥效果的影响

接种量不仅能够影响堆肥的腐熟程度，而且关系着实际应用的经济成本。接种量是按接种菌剂占堆体质量的百分比添加。一般是从0.05%到5%[12]，最高可达10%[13]。罗先群等[14]研究表明8%的接种量能明显缩短城市生活垃圾堆肥周期，增强微生物的代谢能力，而且避免了产生恶臭气体等问题。劳坤德等[15]研究表明接种微生物秸秆腐熟剂能够使堆肥周期缩短，有效降低堆肥含水率，提高有机质的降解速率，使堆肥中半纤维素、纤维素、木质素降解率分别提高1.03%、1. 16%和1. 47%，氮磷钾养分含量平均提高0.48%。3%的接种量的堆肥效果最显著，发芽率超过90%，高于其余3组。席北斗等[16]对生活垃圾和污泥混合堆肥进行2 %、3 %、5 %的高效復合微生物接种。研究表明对照组、接种2%、处理3% 和处理5% 堆肥系统垃圾腐熟时间分别为30 d、24 d、18 d和12 d。接种5%的堆肥周期最短，微生物活性最高，使堆肥周期30d缩短到12d。陈活虎[17]通过蔬菜废物堆体添加不同比例腐熟堆肥接种。研究表明当接种率为5%、3%、1%时，增加接种量有利于提高有机物降解率，有机物降解率分别53.3%、50.0%、43.7%，堆肥接种对堆肥过程中微生物演化规律影响明显，但接种率达到一定水平后，接种对生物相的影响会随堆肥过程而逐步消失。

6 结论和建议

随着社会的发展和人类对生活环境要求的提高，固体废弃物的循环利用已成为人类迫切需要解决的重大问题。在堆肥过程中，接种菌剂能够提高堆肥效率，促进微生物代谢活动，一定程度上去除有害物质，形成肥效较高的腐殖质[18-20]。但仍有许多问题需要解决。

（1）目前对堆肥研究较多的是接种对堆肥参数的影响，很少有对堆体中微生物代谢活动和群体结构的研究，堆肥过程中变化主要由堆体中微生物来完成。微生物的群落演替和新陈代谢直接影响堆肥过程的进行。微生物的代谢活动和能量释放吸收是以后研究的重点。

（2）复合微生物菌剂是由2种以上的菌种构成，这些菌种的比例配比需要最优化才能更有效的促进堆肥过程。接种菌剂的不同菌种配比亟待研究。

（3）现有接种菌剂与土著微生物会形成竞争关系，抑制微生物代谢活动，影响堆肥效果。开发更好的接种菌剂使其与土著微生物形成协同关系，构成稳定的微生物结构，提高有机质降解率也是一关键问题。

（4）堆肥过程中，微生物会进行代谢作用产生氨气，造成堆体氮素损失，肥效不高。筛选出高效的固氮菌来固定氮素也是值得关注。

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