微生物在农业废弃物堆肥应用中的研究进展

黄金枝，胡桂萍，俞燕芳，杜贤明，石旭平，王军文

（江西省蚕桑茶叶研究所/江西省蚕桑工程技术研究中心，江西 南昌 330202）

农业废弃物在我国不仅年产量大，而且种类繁多，主要包括农业生产、农产品加工、畜禽养殖业和农村居民生活排放的废弃物，其中农业生产秸秆和畜禽业养殖粪便年产量分别在9亿t和38亿t左右，这些都属于可再生资源，综合利用价值非常高。农业废弃物中含有大量的有机质，丰富的氮、磷、钾和微量元素，是非常好的有机肥原料［1］，通过资源化处理，不仅能促进资源的循环利用，同时也能减少环境污染。农业废弃物肥料化与直接还田或用作燃料相比，是农业废弃物减量化和资源化更为经济有效的方式之一。利用农业废弃物作为原料，加入动物粪便，搅拌均匀，进行条形堆肥是农村应用较为普遍的农业废弃物处理方式［2］。农业废弃物中含有大量的木质素、纤维素和半纤维素，不易降解，靠自然堆肥腐熟时间过长、产品质量也很差，非常不利于农业废弃物的高效利用［3-4］。Himanen等研究了在堆肥过程中添加2种改良剂，结果表明添加改良剂对堆肥效果有一定的影响。现代堆肥主要是在人为控制的条件下，利用微生物分解有机物，而堆肥的进度以及质量会受到诸多因素的影响，例如，C/N、温度、含水率以及氧气等。堆肥发酵是通过微生物驱动作用从而实现有机物的降解［5］。邵淼等［1］研究了不同处理对高含水率奶牛粪便好氧堆肥的影响，结果表明，通过使用开放的堆肥槽，添加玉米秸秆，堆肥效果更好；通过晾晒脱水处理后堆肥，能够减少调料剂节约堆肥成本。有研究表明，接种外源功能微生物能够有效降解木质素、纤维素和半纤维素，加快腐熟进程，增加肥力，并提高有机肥的附加值；添加复合菌剂的腐熟效果优于添加单一菌种的［6-9］，Zhang等研究证明在农业废弃物堆肥过程中接种外源白腐真菌能够有效降解木质纤维素。能够杀死大部分的寄生虫和病原菌，缩短堆肥时间，大幅提高有机肥的产量和质量［10］。本文简述了我国农业废弃物堆肥处理中的常用微生物，堆肥处理技术，以及国内外研究进展，并对农业废弃物堆肥应用存在的问题进行探讨和展望。

1 降解腐熟农业废弃物的主要微生物

农业废弃物的腐熟降解是由微生物作用发生的，有资料表明可高效降解农业废弃物的菌种高达上百种，主要包括纤维素降解菌、半纤维素降解菌和木质素降解菌。决定腐熟农业废弃物高效降解的关键在于纤维素降解菌、半纤维素降解菌和木质素降解菌的配比［11］。

1.1 降解木质素的主要微生物

木质素是农业废弃物中最难降解的部分，堆肥想要达到高效的腐熟效果，就只有先将木质素降解。目前在降解木质素中研究较多的是放线菌，主要包括链霉菌、节杆菌、小单孢菌等。降解木质素的真菌分成软腐真菌、褐腐真菌和白腐真菌三大类，主要是根据分解部位的不同。软腐真菌主要是由子囊菌和半知菌组成，在潮湿条件下对废弃物表面进行分解。褐腐真菌优先攻击软木，是一组担子菌。白腐真菌中担子菌占多数，子囊菌和半知菌占少量。白腐真菌在适宜的条件下，菌丝通过溶解表面的蜡质，再进入废弃物内部，产生纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶、外切聚糖酶，将废弃物中木质素和纤维素转化成CO2和H2O。黄孢原毛平革菌是白腐真菌的一种，因具有较强的降解能力而深受重视［11］。

1.2 降解纤维素的主要微生物

纤维素降解菌是指能产生纤维素酶的微生物。真菌是自然界中分解纤维素的主要力量，常见的有绿霉属中的里氏木霉和哈茨木霉、曲霉属中的烟曲霉和米曲霉、青霉属中的部分菌株，以及大型真菌中日常食用的草菇、香菇等［11］。细菌中具有分解纤维素功能的主要有纤维单胞菌属、纤维弧菌属、解纤维梭菌、食纤维梭菌、枯草芽孢杆菌中的某些菌株。刘东波等［12］分离出的纤维素诺卡氏菌，它是以纤维素作为碳源生长的固氮菌，在农业应用上具有很大的潜力。

1.3 降解半纤维素的主要微生物

半纤维素是纤维素与木质素结合的必要粘合剂，只有通过降解半纤维素才能降解木质素，真菌中降解半纤维素的菌种主要有木素木霉、拟康氏木霉、黑曲霉、亮白曲霉、扩张青霉、特异青霉等，它们不仅能分解纤维素，同时能有效的降解半纤维素。细菌中降解半纤维菌的典型代表有粪碱纤维单胞菌、凝结纤维弧菌、解糖热纤菌，它们产生的木聚糖酶具有更高的耐热稳定性。放线菌中也有很多降解半纤维素的微生物，如链霉菌、拟无枝酸菌、哥斯达黎加链霉菌、类诺卡氏菌等［13］。

2 农业废弃物堆肥处理技术分析

2.1 处理技术原理

农业废弃物堆肥主要是在农业废弃物中添加微生物进行堆沤，分解成有机肥，堆肥根据氧气情况可以分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种方式，其中好氧堆肥需要在良好的通风条件下，好氧微生物才能进行活动从而促进有机物进行降解，堆肥温度最高能达到80～90℃，因此也称为高温堆肥；厌氧堆肥主要分为液化、产酸和产甲烷3个阶段，3个阶段相互作用，共同维持动态平衡。好氧堆肥和厌氧堆肥，都是微生物的活动促使有机质进行降解，从而推动完成农业废弃物的腐熟过程，说明微生物在农业废弃物堆肥处理中起主导作用。

2.2 影响堆肥效果的主要因素

2.2.1 供氧 氧气是影响堆肥品质的重要因素。在氧气足够的情况下，有机质分解加速，堆肥时间缩短，堆肥效率提高，堆肥温度升高以及恶臭气体的排出量减少。当氧气浓度低于10%时，好氧微生物分解消化过程就会停止，堆肥时间延长，堆肥效率降低，有机肥品质下降，因此必须保证氧气充足。

2.2.2 含水率 水既可以维持微生物生长代谢活动，同时也是生化反应的介质，因此，堆肥的发酵速度和腐熟程度受含水率的直接影响。适宜的水分能够有效提升堆肥效率和品质。研究表明，含水率最适宜的范围应控制在50%～60%。当含水率大于70%时，会很大程度影响堆肥温度以及分解速度，透气性下降，好氧菌的生长受到抑制，同时也会产生恶臭气体；当含水率低于40%时，好氧微生物得不到水分，造成微生物生存困难，有机物的降解减缓［14］。

2.2.3 有机物含量 有机物是微生物生存和繁殖的载体。有研究表明，堆料中有机物的适宜含量应控制在50%～80%，如果有机物含量过低，会严重影响微生物的生存和繁殖，同时微生物活性降低，堆肥效率、肥料的品质和使用价值也会降低；如果有机物含量过高，供氧量受到影响，好氧菌生长代谢缓慢，有机物的降解速度相应也会降低，影响堆肥效果［5］。

2.2.4 碳氮比 微生物利用碳源作为能源，将其分解转化成为二氧化碳和腐殖质；而微生物的主要营养物质则为氮源，通过氮气消散或变成硝酸盐和亚硝酸盐。因此，碳氮比在堆肥过程中是一个重要的影响因素，碳氮比的适宜范围应控制在4～30∶1，在这种情况下微生物能够很好的生长，有机物的降解速度也会提升，如果碳氮比偏离正常范围，可以通过添加含氮或者含碳的物料进行调节［15］。

2.2.5 pH值 pH值的大小主要是通过影响微生物的生长来影响有机质降解［16］。在适宜的pH值范围内微生物能够有效的发挥降解作用，pH 值过高或过低都会影响堆肥效率的提高。研究表明，堆肥化处理最佳pH值范围应控制在3～12。堆肥初期pH值偏低会抑制堆肥反应，当pH值为8时堆肥效率最高，堆肥时间缩短，有效避免恶臭问题［17］。

3 微生物在农业废弃物堆肥中的应用

随着自然资源日趋短缺和废弃物数量急剧增加，农业废弃物资源化利用深受人们的重视，它已经成为世界各国共同面临且亟需解决的问题。通过先进工程技术提高农业废弃物利用价值，如肥料化、饲料化、能源化、基质化及工业原料化，使技术向机械化、无害化、资源化、高效化、综合化发展，产品向廉价化、商品化、高质化、多样化和多功能化靠拢，以达到物尽其用、变废为宝、消除污染、改善农村生态环境、促进农业可持续发展、高效利用废弃物的目标［17］。

3.1 微生物在植物类废弃物堆肥中的应用

孙旭等［18］研究发现有机肥发酵剂、堆肥腐熟剂及EM菌剂均能促进玉米秸秆提前腐熟，缩短进程，研究表明决定腐熟效果的关键因素是腐熟剂菌种组成，可以通过添加适宜的腐熟剂促进腐熟，减少腐熟时间。徐春钰等［19］研究发现在蔬菜花卉秸秆中添加微生物菌剂后，堆肥迅速启动，进程加快，有机肥质量得到提高。冯海玮等［20］研究发现水稻秸秆添加灰略红链霉菌后，堆体温度迅速上升，发酵时间明显缩短。李瑞莲等［21］研究表明稻草秸秆中添加猪粪和外源菌剂后，腐熟时间明显缩短，堆肥产品的肥效显著高于对照。史龙翔等［22］在猪粪和果树枝条中添加复合菌剂，研究其对堆体温度、酶活以及微生物群落的影响，结果表明，堆肥温度比对照组多持续3 d高温（高于55℃），加快了堆料的腐熟。匡石滋等［23］研究发现将复合菌剂添加到香蕉茎秆中，堆体中微生物数量增加，堆体温度迅速升高，高温持续时间延长。劳坤德等［24］研究表明添加微生物秸秆腐熟剂能够有效的缩短堆肥周期，堆体含水率降低，有机质的降解速率提高，堆肥中半纤维素、纤维素、木质素降解率都得到了提高，氮磷钾养分含量平均提高0.48%。陈活虎等［25］将不同比例腐熟剂添加到蔬菜废物堆体中，结果表明接种腐熟剂对堆肥过程中微生物演化规律有明显的影响，当接种率达到某种水平后，接种对生物量的影响会逐步消失。黄国强等［26］研究发现接种复合腐杆菌剂不仅能够迅速启动腐熟，加快升温，并且堆肥的腐熟质量得到提高。综上所述，在植物类废弃物堆体中添加微生物已经得到了广泛应用，通过添加微生物堆体能够迅速升温，堆肥时间缩短，有机肥质量得到提高，是一种具有推广应用前景的植物类废弃物循环利用方式。

3.2 微生物在动物类废弃物堆肥中的应用

有资料显示［27］，添加合适的微生物腐熟剂到畜禽粪便中，堆肥的腐熟进程得以加快，有机肥质量有效地提高。王有月等［28］研究了添加2种不同微生物菌剂对畜禽粪便高温堆肥腐熟进程的影响，结果表明不同微生物菌剂在堆肥初期有机质降解速率和物料升温进程有一定加快，但整体周期并没有明显缩短，对堆肥腐熟规律影响也不显著。刘佳等［10］研究了接种纤维素降解菌对牛粪堆肥微生物群落的影响，结果表明微生物数量的变化比自然堆肥大，在堆肥初期接种菌能够刺激微生物繁殖，堆肥发酵快速启动，堆肥进程缩短。高云航等［29］研究了低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵影响，结果表明添加低温复合菌能够在低温下加速提温，有机肥的质量有保证。刘克锋等［30］研究了微生物菌剂对猪粪堆肥质量的影响，结果表明添加菌剂能够有效降低堆体的生物毒性和重金属含量，同时能够很好的保存猪粪中的养分。贾聪俊等［31］也研究了微生物复合菌剂对猪粪堆肥效果的影响，发现接种微生物混合剂后肥料氮素含量显著增加，磷素保持不变。张书敏等［32］研究了低温复合菌系对玉米秸秆与牛粪堆肥的影响，结果表明低温复合菌系能够促使堆体温度快速升高，堆肥周期明显缩短，堆肥腐熟进程加快。张磊等［33］在牛粪中添加低温纤维素复合菌剂，研究发现堆肥周期与对照相比缩短5 d。谢宇新等［34］在8.4∶1.6牛粪与玉米秸秆粉中添加低温复合菌系，在室外-20 ℃ 的条件下，堆体仍然能够快速升温，而未添加菌系和只用常温发酵剂的堆体未进入高温期。张燕等［35］研究了垫料添加微生物菌剂对鸡粪舍内外堆肥技术的影响，结果表明添加微生物菌剂的鸡粪舍内—舍外相结合的堆肥技术，在不影响鸡群的生长的情况下加快了产品的腐熟。王守红等［36］研究了菌剂添加对牛粪堆肥氮素变化及腐熟度的影响，结果表明氮素损失较大，全氮、有机氮、铵态氮降幅比较大。因此改良配方的关键是改善降温期真菌种群丰度和比例。黄颖婕等［37］了牛粪堆肥纤维素高效降解菌的筛选和应用，发现降解菌能使堆肥温度升高至74 ℃，其中高温时间持续16 d；添加降解菌X7 能使腐殖质总量达69.3 g/kg，堆肥品质得到有效提升，纤维素降解率显著高于对照。刘宇峰等［38］研究了麦秸与废垫料比例以及发酵菌剂对畜禽养殖废垫料堆肥再发酵过程的影响，发现接种发酵菌剂能够促进堆体再发酵，提高发酵温度和腐殖酸含量，同时降低 C/N 和 EC。王彦杰等［39］研究了微生物接菌剂对牛粪条垛式堆肥的影响，发现在添加两种微生物菌剂后，纤维素和半纤维素的降解得以促进，而其中接种WSC的效果更加明显明显，向堆肥中添加WSC和SS能够解决低温环境下牛粪不能腐熟的问题。微生物在动物类废弃物堆肥中同样能够起到促进堆体腐熟，提高有机肥的品质。

3.3 微生物在农产品加工和农民生活类废弃物堆肥中的应用

冯明谦等［40］研究发现在垃圾中添加复合微生物菌剂能够促进有机物的降解，减少发酵时间。席北斗等［41］采用三段控温的方式研究复合微生物菌群的变化规律，发现影响复合微生物堆肥效果的关键因素是堆料土著微生物浓度，采用三阶段控温能够迅速杀灭杂菌，使外源微生物迅速生长，成为优势菌群，提高堆肥效率。田鹤等［42］研究了不同浓度史氏芽孢杆菌对屠宰废弃物高温快速堆肥效果的影响，发现通过添加外源微生物史氏芽孢杆菌，使堆肥腐熟时间缩短，加速了屠宰废弃物转化的速度。吴飞龙等［43］研究了不同微生物菌对生活污泥堆肥化的影响，结果表明添加微生物菌剂的处理中，堆体迅速升温，且高温持续时间长，可以促进堆肥的腐熟，减少发酵时间，提高污泥堆肥处理的卫生安全性及产品的稳定性。彭宇等［44］研究了不同微生物菌剂对甘蔗渣有机肥发酵质量的影响，发现通过添加外源微生物能够分解有机物，堆肥中的无机营养成分得到了浓缩，而且养分含量因为水分的降低而相对增加，这对于提高堆肥质量相当有利。王思同等［45］研究了微生物菌剂对菌糠堆肥的影响，发现接种外源微生物后堆体温度迅速升高，并且高温持续时间延长，处理组中腐殖酸含量显著高于对照组添加外源微生物能够加快腐熟进程，提高有机肥质量。胡清秀等［46］对双孢蘑菇菌渣堆肥进行了研究，结果发现添加外源微生物菌剂可以使堆体加速升温，同时促进有机质的降解，缩短腐熟时间。林志斌等［47］研究了沸石和微生物菌剂对杏鲍菇菌渣堆肥品质的影响，发现通过添加沸石，全氮含量提高23%，说明沸石具有保氮能力；添加微生物缩短了腐熟周期，同时添加沸石和微生物菌剂既可以提高菌渣有机肥的品质又可以减少腐熟周期。李九龙等［48］研究了发酵菌剂对玉米芯与菇渣混合物堆肥发酵的影响，结果发现在玉米芯和菇渣混合堆肥中添加外源微生物菌剂可以形成理化性质均良好的有机肥。农业废弃物堆肥化具有悠久的历史，通过堆肥能够有效的杀灭废弃物中的致病菌，同时也能够将农业废弃物变成易于处理的物料，创造出有价值的有机肥。

4 展望

微生物菌剂的应用与一些化工产品相比较而言更加经济有效，也更加绿色环保。微生物菌剂技术是环境保护的理想武器，在解决环境问题过程中它一个纯生态过程，是能够可持续发展的。微生物菌剂具有高效、专一、低成本等特点，在环境保护中的应用前景和未来非常广阔。随着经济的快速发展，人们对生活环境的要求也越来越高，农业废弃物循环利用成为了人类迫切需要解决的重大问题之一。通过农业废物堆肥化处理技术，能够实现农业废物的环保、健康和高效的处理手段。堆肥过程中通过添加微生物能够提高效率，促进代谢，去除有害物质，形成有机肥。但仍有几个问题需要进一步探讨：（1）目前在农业废弃物循环利用方面主要集中在研究接种对堆肥参数的影响，很少研究微生物代谢活动以及群体结构，堆肥是由微生物来完成的，微生物的代谢以及能量变化应该作为重点研究对象；（2）复合菌剂的堆肥降解效果显著优于单一菌种的，是目前应用较多的菌种添加方式，由于复合菌剂是由多种微生物组成，要想堆肥效果达到最佳，菌种配比显得至关重要；（3）为了使添加的微生物不会与土著微生物构成竞争关系，影响堆肥效果，急需开发出能够与土著微生物形成协同关系的菌剂，提高农业废弃物降解速率；（4）由于微生物代谢产生氨气，氮素会有损失，影响肥效，筛选出高效的固氮菌也是关键问题。