农产品加工废弃物开发生物菌肥研究进展

赵新河，贺壮壮，李宏军，赵玉斌，马成业*

（1．山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2．鲁洲生物科技有限公司，山东 临沂 276400；3．山东省高校农产品功能化技术 重点实验室，山东 淄博 255000）

随着农产品加工产业的不断发展，在带来农业效益的同时，也产生了大量的废弃物，给企业带来严重负担，同时也带来了大量的社会和环境问题［1］。比如，一些企业选择将农业加工废弃物丢弃或者直接用作肥料使用，这给生态环境带来了巨大的压力，处理不当又会给农田土壤带来污染［2］。2018 年《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》中提出“要推进有机肥替代化肥，病虫害绿色防控，实现废弃物资源化”，其中直接提出了农业废弃物的资源化利用。随着生物技术的发展，越来越多的农产品废弃物得到了合理利用，其中包括生物质能源开发，二次提取（油脂、蛋白、膳食纤维等次级产物）以及生物肥料开发［3］。然而，在现有农产品废弃物资源化利用的过程中，因其技术限制，可利用率低，成本过高，产生二次污染，难以大规模消化等问题极大地限制了农产品废弃物的再利用［4］。同时，生物菌肥因为其应用广泛性、生产成本廉价性、生态环境友好等优势，为解决农产品加工废弃物提供了一条新的思路。

生物菌肥是用特定功能微生物在适合的载体上经过发酵而成，含有大量的有益微生物以及其他活性物质，能够促进植物生长的一类生物有机肥料［5］。随着大量化学肥料的使用，导致全球范围内大量水源、土壤、空气污染严重，以及作物生产成本上涨。生物菌肥的开发可以减少化学肥料的使用，缓解化肥造成的污染，改善土壤基质，促进植物的生长［6］。现阶段生产生物菌肥的底物呈现多样性发展，主要集中在农作物残留物，畜禽粪便，城市垃圾，工业废弃物以及农产品加工废弃物等方面。但是，利用农产品加工废弃物生产菌肥具有更好的优势：（1）天然的来源，农产品加工废弃物作为基料发酵生物菌肥不易造成土壤污染。（2）底物营养丰富，含有丰富的蛋白质、有机质以及氮磷钾等元素。（3）毒性低，较容易被微生物利用，且对植物无毒害作用。（4）增加农业产值，废弃物成本较低，能够增加农产品深加工的附加值。针对近年来国内外利用农产品废弃物生产生物菌肥研究情况，本文对载体底物、发酵菌种及应用效果进行了综述，并以玉米淀粉加工废弃物——玉米浆为重点，分析了其作为底物开发菌肥的可能性，期望为更好的实现可持续发展的生态农业提供一条有效解决途径。

1 农产品废弃物作为菌肥载体底物的研究

农产品加工废弃物主要包括果蔬残渣（如葡萄皮、苹果渣等），淀粉生产废弃物（如甘薯渣、玉米浆等），制糖废弃物（如甜菜渣、甘蔗渣等），粮油加工废弃物（如麦麸、菜籽饼粕等），酿造废渣（如酒糟、酱渣等）以及餐厨垃圾、畜禽加工的下脚料等［3］。这些农产品加工废弃物不仅含有丰富的有机质以及营养元素，而且无毒、易吸附灭菌、保水能力强，便于微生物生长［7］。因此，农产品加工废弃物经过预处理可被充分利用发酵生物菌肥。国内外的学者对此进行了大量的研究，并取得了一些显著效果。

Xu 等［8］以甘薯淀粉生产废弃物为发酵底物生产生物菌肥，菌肥最大生物量达到9.7×109CFU/mL，并通过喷施应用于茶树，茶叶产量提高了16.7%。赵悦宛［9］以苹果渣作为原料，发酵生产黄腐酸生物菌肥，黄腐酸含量达到了20%。卢占军等［10］利用固态发酵柑橘皮渣为主要原料生产菌肥，有效活菌数达1.85×108CFU/g，优于国家标准。Ogbo［11］利用木薯皮（木薯加工废弃物）作为发酵载体底物，由1%的原木薯淀粉和3%的家禽粪便作为底物开发了一种磷酸盐微生物菌肥，显著促进了树豆植株生长，比对照组提高了125%。Namfon等［12］以生产谷氨酸钠的废弃物为发酵底物，通过混合液体培养生产液体生物菌肥，其中营养细胞和孢子浓度分别达到了8.29×109和1.97×105CFU/mL。Zhu 等［13］利用废蘑菇基质生产生物菌肥，菌肥底物是由1.5g 玉米粉和28.5g 磨干废蘑菇基质组成，制备的生物菌肥菌体密度达到5.6×108CFU/g，并且显著促进了大豆植株的生长。曾振基等［14］利用食用菌菌渣生产生物菌肥，达到国家要求标准并应用于金柚等作物，增产效果达到11.78%。肖伟［15］利用海带渣（海带加工废弃物）发酵生产多功能微生物肥料，其中有效活菌数达到了7.7×1010CFU/g，充分挖掘了海带渣的再利用价值。王分分［16］利用木薯酒精废水发酵生产微生态菌肥，有效活菌数达到了1.34×109CFU/mL，经过对番茄盆栽试验，番茄的地上鲜重和干重分别提高了60.5%和54.1%，验证菌肥的效果良好。经过学者们多年的研究探索，证实了利用农产品加工废弃物生产生物菌肥的可行性及潜能。

农产品加工废弃物作为菌肥载体底物，有着其天然优势，但是菌肥生产过程中，很难为功能菌种寻求合适的载体材料，导致载体分解利用程度低，菌肥活菌数低。同时要充分考虑载体的物理化学特性对发酵菌种的影响如载体材料的盐度、酸度等都会影响菌种的发酵。另外，菌肥生产时没有考虑载体的腐熟度，施用到土壤中很容易对土壤造成污染，影响植物生长。以农产品加工废弃物作为生物菌肥载体材料，会因为农产品生长和加工的季节性，导致菌肥生产与菌肥施用之间的矛盾。这就要求菌肥的货架期要足够长，但很少有学者对延长菌肥货架期研究。表1 列举了部分生产生物菌肥使用的农产品废弃物的成分与特性。

表1 部分发酵生物菌肥主要农产品废弃物的成分与特性

2 农产品废弃物发酵菌肥关键技术研究

2.1 不同菌种性能的研究

菌种性能是发酵生物菌肥的关键。目前利用农产品废弃物生产生物菌肥的菌种主要有细菌如芽孢杆菌、固氮菌等，真菌如黑曲霉、烟曲霉、酵母菌等，以及部分放线菌［17］。菌种研究主要集中在：（1）菌种的筛选，从植株土壤或载体中分离出目标菌种。（2）从单一菌种向多菌种混合发酵过渡，筛选出没有拮抗作用且能相互促进的菌种。（3）共生发酵，选用多种具有固氮、解钾、解磷等作用的功能微生物共生发酵生产菌肥。对此学者们做了大量的研究。

根据底物成分特性，选择合适的发酵菌株，将载体分解使菌肥肥效达到最大化是菌肥研究的主要目的。芽孢杆菌具有降解脂肪、蛋白质和淀粉的能力，同时可以耐受不良环境，是生物菌肥的常用菌种［18］。Namfon 等［12］以土壤微生物芽孢杆菌、微球菌、假单胞菌、葡萄球菌等为发酵菌种，利用味精生产废液生产液体菌肥，其中营养细胞浓度达到了8.29×109CFU/mL。Xu 等［8］从小麦叶片中分离出多粘类芽孢杆菌，利用该菌种发酵甘薯废弃物生产的生物菌肥在小麦生长过程中达到促生、抗病的良好效果。谭宏伟［19］通过利用枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和胶冻样芽孢杆菌将糖厂滤泥发酵制成生物有机肥，其中菌肥中细菌蛋白酶活性达到1.79×106U/g，有机物质转化成有机酸转化率较自然发酵提高30.2%，将生物菌肥应用于水稻，平均水稻产量较自然发酵增加7.83%。Tsai 等［20］在食品垃圾堆肥中分离出嗜热解脂短芽孢杆菌SH168 并接种在食品废弃物中发酵28d，粗脂肪从4.88%下降到1.34%，灰分从24.94%上升到29.21%，C/N从18.02 下降到17.65，孢子数最高达到1.82×109CFU/g，开发出了一种既能分解食品废弃物又能增加菌肥中总氮含量的新型菌肥。

真菌如曲霉菌、木霉、酵母菌等能够分解纤维素和半纤维素，在发酵高含量纤维素废弃物生产菌肥的应用较多［21］。如Zhu 等［13］从农业废弃物堆肥中分离出在环境胁迫下耐压性强的磷酸盐溶解微生物毕赤酵母FL7，并将其应用于废蘑菇基质生产生物菌肥，菌肥中检测出菌体密度增加到5.6×108CFU/g，可检测出有效磷13mg/L，pH 值下降到4.0，通过高效液相色谱分析，产生了多种有机酸包括草酸、苹果酸、琥珀酸、乙酸等。Wang 等［7］筛选出黑曲霉1107，并鉴定为一种高效的磷酸盐增溶菌。将该菌株在泥炭、玉米芯、20%珍珠岩载体中培养10d后，培养基中产生689mg/L 可溶性磷。在保存7 个月后，菌肥中仍含有孢子3.2×107CFU/g，货架期较长。戴乐天［22］将玉米根际土中筛选得到草酸青霉和黑曲霉分别接种到玉米芯、麦麸等农业废弃物中固体发酵生产磷酸盐生物菌肥，菌肥中孢子数分别达到了3.21×108和5.6×108CFU/g，两种菌在PVK 培养基中培养测得可溶性磷含量分别为13.2 和1.3mg/L，纤维素降解酶活分别达到0.118 和0.109U/L。同时发现两株真菌均可以产草酸、甲酸和柠檬酸等有机酸。

许多研究中选用的菌种单一，很难将载体分解与菌肥肥效最大化。因此，单一菌种生产菌肥很难满足菌肥的功能多样性要求，多种功能菌混合发酵已经成为目前菌种发酵研究热点［23］。赵悦宛［9］通过黑曲霉、枯草芽孢杆菌、假单孢杆菌、酿酒酵母、产阮假丝酵母多种微生物的混合代谢作用发酵苹果渣制备出高效生化黄腐酸菌肥，应用效果明显。Chang 等［24］从粪便堆肥中分离出凝血芽孢杆菌C45、地衣芽孢杆菌A3、史氏芽孢杆菌F18、嗜热链霉菌J57 和烟曲霉O4 多种功能微生物，发酵鸡肉废料和中草药残渣等农产品废弃物制备多功能生物菌肥，与未接种微生物的肥料相比，接种微生物的生物肥料具有较高的总氮、可溶性磷含量和发芽率，添加这些微生物可以缩短生物肥料的成熟期，提高产品质量，提高可溶性磷含量，提高磷酸盐增溶菌和蛋白水解菌的种群数量。表2 列举了部分农产品废弃物生产生物菌肥的关键菌种及部分技术指标。

表2 部分农产品废弃物生产生物菌肥的关键菌种

2.2 发酵工艺研究

生物菌肥的质量不仅取决于优良的发酵菌种，还取决于发酵工艺的优化。主要手段包括根据载体与菌种特性，选择发酵菌肥的方法（主要是固态发酵、液态发酵、半固态发酵），优化发酵培养基组分和发酵条件。影响菌肥发酵的因素主要有混合菌种的比例、接种量、装液量、初始pH 值以及发酵温度等。很多学者在提高菌肥质量、缩短发酵时间、降低发酵成本方面进行了大量研究，并且成果显著。

对于菌肥发酵工艺的优化，不同学者研究的侧重点有所不同。有效活菌数是衡量菌肥质量和货架期的关键指标。因此大部分学者以菌肥中活菌数为优化指标，确定最优发酵参数。Xu 等［8］为提高甘薯淀粉废弃物发酵菌肥中最大生物量，确定最佳培养条件是pH 值为6.5，温度29.0℃±6℃，孵化时间16h，转速250r/min。在这些条件下，实现了9.7×109CFU/mL 的最大生物量。孙丽范［26］为提高以菌糠为载体发酵微生物菌肥中总生物量，运用Plackett-Burman 试验与响应面分析相结合方法优化出当含水量为74.8%，转速为231r/min 时，总生物量可达到最大，为48.87×108CFU/g。刘德飞［25］为提高以糖醛渣为主要底物生产的菌肥中活菌数，通过单因素和正交试验确定了最优发酵条件：糠醛渣85%，废糖液10%，麦麸5%，物料初始水分60%，温度30℃，pH 值7，接种量5×106CFU/g，翻堆频率1 次/d，优化后最终活菌数达到了2.48×1010CFU/g。

有些学者以菌肥中营养成分提升为研究重点，对发酵工艺进行优化和改进。如宋敏等［27］为提高下脚料生产菌肥发酵液中游离氨基酸态氮含量，通过液态发酵优化工艺为转速203 r/min、接种量5%、温度30℃，最终发酵液中游离氨基酸态氮含量达到13.891g/L，较优化前提高了12.34%。刘雪莲［28］以葡萄皮渣菌肥中腐植酸的含量为主要指标，通过单因素试验优化发酵工艺，在水料比为2.5∶1、培养基pH 值4.5、尿素含量为2.0%时，腐植酸含量较高，肥效最好。赵悦宛［9］为提高苹果渣生产生物肥料中黄腐酸含量，将苹果渣进行半固态发酵，通过正交试验得出接种量7%，含水量50%，添加尿素量2%，发酵时间30d为最适发酵条件，菌肥中黄腐酸含量达到24.6%。也有些学者为了提高菌肥生物防治性能，以病原菌抑制率为优化指标，优化发酵工艺。如肖伟［15］为了提高海带渣菌肥对寄生曲霉的生长抑制率，利用响应面优化确定了最优发酵条件为37.402%海带渣、2.091%蔗糖、0.507%硝酸钾、60%水、4%接种量，35℃条件下发酵8.24d，抑制生长率最大达到73.30%。

菌肥发酵是在试验条件下控制发酵，而生物菌肥在施入土壤后，会因季节性的温度、水分，土壤酸碱度、盐度以及其他有毒元素等影响功能菌种的生长［29］。另外，土壤中天然微生物群落是否会影响菌肥中的功能微生物生长也需作进一步研究。生物肥料在发酵过程中菌种会发生变异从而提高了生产和质量控制成本，迫切需要在这方面进行广泛的研究以减少对菌肥质量的影响［30］。同时，大量菌肥的研究都集中在菌肥发酵工艺优化，而较少有人对菌肥施加后的解磷、解钾、固氮作用机理进行深入研究。另外，混合菌种发酵时，也并没有对混合菌种发酵优于单一菌种发酵的作用机理进行深入探究，尤其是混合菌种间共生协同作用机制等。

3 农产品废弃物生物菌肥的应用效果

生物菌肥在作物生长过程中起到的促生、抗病等效果是评价菌肥质量的主要标准。因此利用农产品加工废弃物发酵生物菌肥，在降解农产品加工废弃物同时，其肥效也是大家集中研究的热点。生物菌肥在提高土壤肥力，促进植物生长，增强抗病能力，改良土质等方面起着非常重要的作用［31］。

3.1 固氮促生

生物菌肥中的固氮菌可以利用固氮酶将大气中的无机氮转化为植物可以利用的有机氮，增加菌肥中植物可利用氮元素含量［32］。另外，固氮菌一般能够分泌出生长素、赤霉素等植物激素，调节植物生长［12］。

吴正肖［33］将酒糟菌肥施用到大白菜土壤中，使得土壤中的固氮菌生物量提高了72.4%和16.5%，同时全氮含量较无机肥和酒糟提高了16.2%和6.6%，将酒糟菌肥与无机肥混合使用可有效提高大白菜产量。王永京等［34］对餐饮废水接种圆褐固氮菌生产液体菌肥，菌肥中氨氮最高浓度达到了735.8mg/L，证实固氮菌菌肥固氮效果良好。王分分［16］在青菜土壤中施用木薯酒精废水菌肥，结果显示菌肥能够显著提高青菜的鲜重，增产效果良好，并且显著降低了青菜中硝酸盐的含量，提高了维生素C 含量，既保证了青菜品质，又促进了青菜的生长。Xu 等［8］利用甘薯淀粉生产废弃物为发酵底物生产菌肥，通过叶面喷施茶树以确定生物肥料对茶树生长的影响。结果与对照相比，生物肥料的施用使茶叶产量平均提高16.7%，茶多酚含量显著提高10.4%，证实了甘薯淀粉生产废弃物菌肥对茶树生长的促进作用。柳艳艳等［35］将食用菌菌糠与巨大芽孢杆菌混合发酵制成菌肥，应用于油菜土壤中，土壤中全氮含量提高了37.7%，油菜植株重量增加了82.72%，表明菌糠生物菌肥能够明显增加土壤中全氮含量，促进植株生长。刘德飞［25］将益生芽孢杆菌L7 发酵的糖醛渣生物菌肥应用到青油菜，相比对照油菜茎叶干重提高了34.1%，显著提高了油菜的生长。

3.2 生物防治

目前，已有大量研究表明生物菌肥不仅可以促进植物生长，还可以在植物生长过程中起到生物防治的作用，一些有益微生物能够通过生长拮抗作用抑制病原菌生长或者通过分泌代谢产物杀死病原菌，提高植物的抗病能力。

肖伟［15］通过将生防芽孢杆菌海带渣菌肥施用到花生土壤中研究其抑菌性能，结果表明海带渣菌肥能够显著提高土壤酸碱度，并且能够抑制土壤中寄生曲霉的活性，抑制率提高了37.67%，促进了花生植株的生长。该研究证实了海带渣菌肥在抑制病原菌，提高花生抗病能力的潜在价值。刘德飞［25］将糖醛渣等固态菌肥添加到油菜根际土壤中，通过测定菌肥对土壤中细菌和真菌群落的影响，显示出菌肥能够使土壤中真菌种类降低47.8%，说明菌肥对土壤中病原性真菌具有明显抑制作用。Pangnakorn 等［36］对木醋添加发酵液体有机肥进行研究，发现木醋菌肥对昆虫的伤害有显著性差异。Zhang 等［37］利用枯草芽孢杆菌N11 进行成熟堆肥研究，发现产品可以显著防治香蕉枯萎病。赵悦婉［9］通过在苹果渣黄腐酸菌肥中复配枯草芽孢杆菌BS24 和XM16 生产复合微生物菌肥，可有效抑制苹果4 种主要病原菌。周巍等［38］通过在菌糠中接种绿色木霉发酵，将发酵物与土壤拌匀可有效抑制黄瓜立枯病和枯萎病，防治效果可达到85.6%和74.3%。杨力凡［39］在玉米渣等农业废弃物中接种深绿木霉，将其应用于油菜，验证其对油菜致病菌的抑制能力，结果表明产品对油菜菌核病防治效率达到76.29%，效果良好。

3.3 土壤改良

生物肥料通过固氮、对磷酸盐和钾矿盐的溶解、释放植物生长调节物质、生产抗生素以及降解土壤中有机质等途径，使土壤环境中富含各种微、宏观营养物质，通过改良土壤有效提高土壤肥力［40］。

谭宏伟［19］在土壤中施用糖厂滤泥生物菌肥，土壤中有机质含量达到15.75g/kg，磷钾利用率比化肥提高了4.5%和30.8%，证明了菌肥对于土壤的改良有显著效果。陈莎莎等［41］将玉米粉、麦麸等农业废弃物生产的菌肥应用到玉米盆栽中，菌肥中草酸青霉和黑曲霉能够影响玉米土壤中细菌的种类数量，并且与对照相比，菌肥处理的土壤中有效磷含量提高了4.36 和5.03 倍，降低了土壤中pH 值，增加了土壤中酶活，在土壤改良方面有显著效果。孙丽范［26］将毕赤酵母FL7 应用于废蘑菇基质生产菌肥，试验效果表明土壤的有效磷含量均在200mg/L 以上，土壤中菌株FL7 的生物量可以增加到2×106CFU/g，经过菌肥处理后，土壤中有效磷和有效钾的含量分别达到359 和1200mg/kg，总氮量比未经菌肥处理的对照组增加100mg/kg，结果表明它能在土壤中很好地生存并溶解不溶性磷，能有效提高在土壤中的可溶性磷含量。吴正肖［33］研究酒糟菌肥表明其能显著提高土壤中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶以及磷酸酶活性，同时有效增加土壤中有机质、有效磷、速效钾含量。李世风等［42］研究了糠醛渣生态肥对土壤理化性质的影响，结果表明施用生态肥的土壤孔隙度比化肥提高13.35%，饱和持水量增加13.35%，脲酶等土壤酶活显著增加，有机质含量增加25.93%。

4 玉米浆开发生物菌肥潜力巨大

玉米加工行业是大宗农产品加工的主要阵地，所生产的淀粉、糖浆、玉米油、粗纤维等产品都是非常重要的食品和化工原料［43］。目前我国每年处理玉米原料约5 000 万t，其中生产玉米淀粉所产生的废弃物——玉米浆超过200 万t。但由于玉米浆存在颜色深、气味重、毒素、无机盐含量高等问题，严重限制了其应用，且长期的废弃物积累，严重污染环境，已经成为众多玉米加工企业发展的桎梏。然而，40%以上的含氮物及25%以上的碳水化合物等营养成分使其在生物领域开发中蕴藏着巨大的潜力。表3 中展示了企业提供玉米浆样品中17 种主要氨基酸的含量，表明了玉米浆中含有丰富的氨基酸资源。

表3 玉米浆干粉样品中17 种主要氨基酸的含量（mg/g）

表4 展示了部分玉米浆产品中蛋白质、灰分、总酸、黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、呕吐毒素及重金属的含量。检测方法分别按照中国人民共和国国家相关标准GB5009.5-2010、GB5009.4-2010、GB/T5009.22-2003、GB5009.24-2014、GB/T23504-2009、GB/T23502-2009、GB/T12456-2008。

表4 部分玉米浆中成分含量

黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素是玉米浆中主要毒素成分，是玉米浆处理过程中的关键控制点［44］。通常情况下，由于玉米产地及批次的差异，毒素含量差异较大。一般来讲，华北地区玉米浆中的毒素容易超标。这就严重限制了玉米浆在饲料行业的使用。因此，利用玉米浆开发生物菌肥，能够有效利用土壤对毒素的缓释和降解作用，从而避免生物毒素对人类和畜禽的直接毒害，同时又能够有效利用玉米浆中的营养成分，解决企业废弃物堆积和环境污染等社会问题。

5 展望

利用农产品废弃物生产生物菌肥已经成为国内外近年来研究的热点，今后对于菌肥的研究重点将会集中在：（1）高效功能菌种与抗逆菌种的筛选分离，构建微生物菌肥菌种资源库；（2）由单一菌种向混合菌种共生发酵方向发展，不断优化混合菌种发酵工艺；（3）将废弃物资源化利用与生物菌肥结合，向废弃物循环再利用的绿色农业方向发展；（4）开发具有特定功能的生物菌肥，不断提高菌肥的应用效果；（5）不断延长菌肥货架期，提高菌肥在土壤环境胁迫下的持久性和稳定性，将生物菌肥更高效、低成本的应用到工业水平。

随着化肥、农药大量使用，病虫害加剧、土壤板结、不溶性磷酸盐含量增加等环境污染问题日益突出，同时农产品废弃物难以被有效利用等问题的不断出现，有效整合农产品废弃物资源化利用和高效菌肥的开发越来越受到人们的重视。农产品废弃物发酵生物菌肥将环境治理、资源利用、农业生产三者有机结合起来，不仅能够解决废弃物的利用问题，还可以减少化肥农药的使用，缓解其对环境的污染，同时能够改善土壤的理化性质，增加土壤肥力，抑制病原菌，调节植物生长；在农产品安全、生态文明、可持续发展绿色农业方面做出重要贡献。另外，玉米浆作为一种优质的生物菌肥生产原料，同时具备解决环境污染、增加企业附加值、改善土壤环境、促进有机食品发展等多重优势，为实现可持续发展的生态农业提供切实可行的解决思路，具有广阔的发展前景。