微生物复合菌剂在畜禽粪便堆肥发酵中的应用研究

岳世林，马晓勇，姜国均

（河北农业大学动物医学院，河北 保定 071001）

高温堆肥具有成本低廉、能有效杀灭病原菌、改善畜禽废弃物的物理性状、无二次污染等优点，是一种比较理想的处理畜禽粪便的方式[1]。畜禽粪便中不仅含有较易分解的单糖、淀粉和半纤维素，还含有难以分解的纤维素，导致堆肥周期长，成本高。粪便堆肥时接种纤维素降解复合菌系的目的就在于提高粪便降解率，加快堆肥进程。本文主要介绍复合菌剂包括枯草芽孢杆菌、绿色木霉和黑曲霉对畜禽粪便中纤维素的降解作用。

1 微生物复合菌剂对粪便堆肥的作用

微生物组成的复合菌剂对堆肥有明显的促进作用。堆肥初期，发酵系统中的有益微生物数量较少，随粪便排出的大量厌氧菌在系统中占优势，使得堆肥升温缓慢，并产生恶臭。如此时加入有益微生物，则可以提高堆肥的升温速度，达到快速腐熟的目的。徐大勇等[2]将外源腐熟菌剂用于牛粪堆肥的研究表明，添加了腐熟菌剂的堆肥比自然堆肥进入高温期（＞50℃）的时间提前了11d。刘佳等[3]研究表明，接种了微生物菌剂的牛粪堆肥中微生物数量的消长速度快于自然堆肥，且加快了微生物群落演替的速度。

2 微生物复合菌剂对粪便中纤维素的作用

畜禽粪便堆肥周期长、堆肥不彻底，主要是由于粪便中含有许多难降解的纤维素，因此，对纤维素的分解转化成为堆肥能否充分腐熟的关键。自然堆肥由于所含微生物的种类和数量有限，在堆肥中难以快速地繁殖和降解牛粪中的纤维素，造成发酵周期长、发酵效果差。所以在处理畜禽粪便时添加微生物复合菌剂，不仅加快粪污堆肥速度，同时可以稳定粪便中的有机物，并最大限度地减少细菌和真菌的负面影响。绿色木霉、黑曲霉及枯草芽孢杆菌都是生防菌，常常被作为堆肥腐熟菌剂使用。

复合菌剂在堆肥过程中的总体变化趋势是细菌最多，放线菌次之，真菌最少。微生物是产生纤维素酶的主要来源，在发酵过程中发挥了巨大的作用，细菌、放线菌和霉菌都能够产生纤维素分解酶，常作为接种剂加速粪肥等物料细胞壁和木质素、纤维素的水解，促进腐殖化过程[4]。

3 微生物复合菌剂的种类及特点

3.1 种类

3.1.1 芽孢杆菌复合系 细菌的一科，能形成芽孢（内生孢子）的杆菌或球菌。包括芽孢杆菌属、芽孢乳杆菌属、梭菌属、脱硫肠状梭菌和芽孢八叠球菌属等，其中应用较多的是枯草芽孢杆菌。芽孢杆菌复合系对外界有害因子的抵抗力强，分布广，存在于土壤、水、空气以及动物肠道等。

枯草芽孢杆菌：广泛存在于自然界中，它不会引起人类或动物的疾病，也不会污染环境，它可以产生多种抗生素和抑制酶，具有广谱抗菌、抗真菌活性[5]。芽孢在合适的条件下萌发，从而产生大量的热量使得系统升温，并且枯草芽孢杆菌能产生大量的蛋白酶和淀粉酶，分解牛粪中的粗蛋白和淀粉，为其他种类微生物提供生长所需要的氮源和碳源。枯草芽孢杆菌可分泌多种酶类，并具有抗逆性强、抑菌效果好等诸多优良特性[6]。

3.1.2 纤维素分解菌复合系 是一类能分解纤维素的菌。由于纤维素酶等的作用，纤维素可一直被分解到葡萄糖为止，有时在分解过程中会积累纤维二糖，这类细菌多见于腐殖土中。产纤维素酶的主要真菌有绿色木霉、黑曲霉、里氏木霉、青霉属、黄曲霉等。来源于真菌的纤维素酶，酶系较全，活性也较强。目前，纤维素转化利用的有效途径之一是利用微生物发酵作用及产纤维素酶的水解作用降解纤维素物质，并加以利用[7]。纤维素分解细菌常常栖息于草食动物的消化道，特别是反刍动物的瘤胃中，它们在其中进行纤维素分解活动，这些细菌是厌氧性细菌，例如产琥珀酸拟杆菌、牛黄瘤胃球菌、白色瘤胃球菌等。

（1）绿色木霉：迄今为止，绿色木霉是产纤维素酶能力最强的微生物。由于绿色木霉的广泛适应性、拮抗的多样性和寄生的广谱性，因而是一种很有潜力的生防菌。木霉菌主要通过拮抗作用、竞争作用、重寄生作用、促生作用、溶菌作用等作用机制来抑制病原菌的生长，且对pH值的适应性强。

（2）黑曲霉：是曲霉属真菌中的常见种，在泥土、粮食和植物性产品中分布广泛。生长适温为37℃，最低相对湿度为88%。在高温、高湿环境下，黑曲霉容易大量生长繁殖，产酶生热，对紫外线及臭氧的耐性强，是一类菌丝发达，多分支，有多核的多细胞真菌。

3.2 特点

3.2.1 枯草芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌具有产酶量高、种类多、安全性好和环保等优点。李春凤等[7]研究表明，枯草芽孢杆菌的生物同化作用较强，可有效降低粪便中的吲哚、氨气等有害气体浓度，有利于粪便资源化利用。（1）保湿性：枯草芽孢杆菌是一种具有优异强度的谷氨酸天然物质，是防止肥料和水分流失的土壤保护膜。（2）有机物分解：在增殖的同时释放出高活性的分解酶，并将难分解的大分子物质分解成可利用的小分子物质。（3）代谢产物：合成各种有机酸、酶和许多其他易于利用的养分。（4）抗菌能力：具有占据空间，抑制有害细菌和病原菌等有害微生物生长繁殖的特点。枯草芽孢杆菌的总体优势：可以分解产生恶臭气体的有机物质、有机硫化物、有机氮等；繁殖快，活力强，耐酸性和耐碱性强，抗菌消毒，高耐氧（好氧繁殖），低氧耐受（厌氧繁殖）。

3.2.2 绿色木霉 绿色木霉具有更短的发酵周期，在实际应用中可减少生产成本，快速投入生产。它性状稳定，具有较好的抗代谢阻遏的能力，且产酶活力高、纤维素酶系完全，具有分解天然纤维素所需要的内切葡聚糖酶（EG）、外切葡聚糖酶（CBH）、13-葡萄糖苷酶（BG）3类酶组分；同时其生长环境粗放，酶易提取，菌株安全无毒。

3.2.3 黑曲霉 在古代，人们就曾运用黑曲霉酿酒、制酱、制醋等。黑曲霉具有发酵条件简单易控、代谢旺盛、生长周期短、产酶丰富、不产生毒性物质等优点，在食品发酵、畜牧及医药等行业均得到普遍应用。有研究表明，利用黑曲霉生产纤维素酶的成本低廉、产量大、酶活性高、用处广，是生产纤维素酶的重要菌株[8]。

4 微生物复合菌剂的应用

4.1 应用条件

4.1.1 枯草芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌的生长环境会严重影响其产酶性，其中碳源和氮源对菌株产酶活性的影响最大，故选择合适的碳源和氮源显得尤为重要[9]。

4.1.2 黑曲霉 活菌制剂，细菌活性较强，应密闭避光保存。禁止与抗生素、杀虫剂、杀菌剂、消毒剂、强酸强碱类产品混合使用。

4.2 应用情况

4.2.1 枯草芽孢杆菌 用于粪便的无污染处理。由于枯草芽孢杆菌具有强烈的生物同化作用，它可以有效降低粪便中产生的氨气和吲哚等有害气体浓度，减轻粪便臭味，且对蚊子和苍蝇的代谢产物也有抑制作用。此外，畜禽养殖过程中排放的废渣、废水等污染物也可以用枯芽孢杆菌处理，用于堆肥、液肥生产等。该类菌所分泌的α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等酶类，可以降解畜禽粪便中的淀粉、纤维素、蛋白质等物质。

4.2.2 绿色木霉 绿色木霉除具有较强分解天然纤维素的能力外，还有抑菌、促生长、抗重金属和产抗生素等作用。由于绿色木霉的纤维素酶产量高，稳定性好，易于培养和控制，且分泌的纤维素酶是胞外酶，容易分离纯化，因此是目前用于纤维素酶生产最主要的菌种之一[10]。它可以产生多种抗生素和溶解酶，降低病原的抗药性，加强抑菌强度，加快畜禽粪便堆肥达到无害化程度，促使土壤中的有机质分解成腐殖质，刺激作物生长。

4.2.3 黑曲霉 在发酵工业中主要用于生产淀粉酶、酸性蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、柠檬酸、葡萄糖酸和没食子酸等。在畜禽粪便堆肥过程中，当堆肥温度达到25℃以上时，黑曲霉能快速生长，并产生大量的纤维素酶，将堆肥原料中难以分解的纤维素降解为单糖，从而为其他细菌生长提供碳源。黑曲霉在堆肥早期对升温有明显效果，可能是由于黑曲霉菌剂中有大量未萌发的孢子，孢子在堆肥系统中萌发产生热量导致升温加速，从而加快堆肥进程。

5 应用展望

在未来的研究中，应进一步研究添加外源微生物菌剂对堆肥过程中微生物区系变化的影响，以便更好地控制堆肥过程。微生物复合菌剂可安全、高效地降解畜禽粪便中的有害物质，是其他处理方式无法比拟的，在当今重视环境保护的时代，已经引起全世界的关注，其研究也取得了很大进展。虽然多种微生物已被发现能有效促进堆肥进程和产生纤维素酶，但真正高效的菌种还不多，且性能不够稳定，纤维素酶的生产规模也有待于进一步扩大。因此，选育高效降解畜禽粪便中有害物质的生物类群仍是畜禽粪污无害化研究的重点之一，特别是筛选可协同作用的高效菌群，或通过建立细菌基因组DNA库，利用体外DNA分子定向改造等基因操作技术构建适合于工业生产的高效产酶工程菌，也许是解决问题的关键所在。