蚯蚓堆肥中优势微生物作用及农用风险研究进展

2020-11-28杨林

绿色科技 2020年24期

杨林

(兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070)

1 引言

当前，我国每天会产生大量可生物降解的有机废物(城镇污泥、果蔬废弃物等)，特别是污水处理副产物-城镇污泥的产量在逐年增加[1]。城镇污泥组分复杂且具有发酵能力，直接投入到自然环境中将会造成环境污染，而因其含有大量的可生物降解有机化合物，如果进行资源化处理，则可以变废为宝[2]。蚯蚓堆肥是在好氧和中温条件下进行生物稳定化的过程，被认为是处理有机废物有用的一种技术[3]，它的产物含有丰富的作物所需的矿化物质[4]，病原菌较对照组也显著减少[5]，目前在园林废弃物[6]、餐厨垃圾[7]等方面有诸多研究。

蚯蚓作为关键驱动因素，改变基质的物理化学性质，对微生物群落产生直接或间接的影响。产物蚓粪通过扫描电镜图像和比表面积分析，比初始污泥变得更加紧密和破碎，蚓粪被强烈分解，变得更加紧密和破碎[8]。与传统堆肥相比，蚯蚓堆肥促进了有机物的转化。细菌群落的瓶颈效应发生在砂囊和前肠区域，主要体现在拟杆菌门，随着时间的推移可以逐渐恢复和扩大[9]。此系统中，微生物是有机物降解的主要菌群，且优势种群在有机废物转化中起着最重要的作用[10]。其中，DOM在堆肥过程中对微生物活性和营养物质的转运起着重要的作用[11]。因此，这一系统中蚯蚓的活性和基质的变化可能对微生物产生影响。并且蚯蚓堆肥可以有效减少城镇污泥中抗生素抗性基因，近年来备受关注[12]。本文拟探究优势微生物在城镇污泥稳定化过程中的作用，并对蚯蚓堆肥系统中抗性基因和致病菌的变化做了介绍。

2 优势微生物和理化指标的关系

2.1 蚯蚓堆肥稳定化过程

蚯蚓堆肥，按蚯蚓活动可分为活跃阶段和成熟阶段，第二阶段的堆肥时间由原始基质的组分和第一阶段的效率而定，反过来又决定了有机残留物的应用和蚯蚓的最终生物量[13]。按稳定化过程依次为有机质降解阶段、氨化阶段和硝化阶段这3个阶段[14]。堆肥过程中，溶解性有机碳在前期迅速降低，且EC、硝态氮、有效磷随着实验时间呈上升趋势，表明蚯蚓和微生物协同作用显著加快有机质矿化过程。基于光谱学分析，蚯蚓堆肥可以减少易降解有机物，如醇类，增加腐殖型物质等。结束时，蚯蚓处理组DOC、氨氮和微生物生物量及活性值较低，蚓粪相对稳定，pH降低的原因可能是稳定过程中N和P化合物的矿化和有机酸的释放；同时可降低污泥中铜、镉的生物利用度，提高污泥中有效营养物质的含量。Fu等将新鲜的颗粒化脱水污泥用于蚯蚓基质，节省了蚯蚓过筛前的预处理时间，表明是一种可行的污泥垂直化预处理方法[15]。

2.2 堆肥结束时的优势微生物群落

微生物群落的演替与蚯蚓肠道和可利用的有机基质有关。蚯蚓肠道对微生物具有瓶颈效应，但是受影响的细菌能够在后肠回复，肠道内的厌氧环境和丰富的营养物质会促进某些厌氧微生物的生长。低分子量DOM(如游离氨基酸和糖)是异养微生物容易利用的，而高分子量DOM(如多酚和腐殖质)通常需要细胞外酶将其分解之前被微生物利用。这一系统中，新鲜城镇污泥含有较多易利用的低分子量有机质，微生物优先利用低分子量有机质，后期系统中多为难降解有机物。因此微生物在低分子量DOM的转化中发挥更重要的作用，堆肥系统中微生物群落结构也受低分子量DOM影响巨大，堆肥后期的群落结构相比初始污泥发生了动态变化。随着处理时间的延长，变形菌门、拟杆菌门、放线菌门这3个菌门基本的占比排名基本保持不变。堆肥后期有机物多为难降解有机质，这一时期优势菌门主要是变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和厚壁菌门。

2.3 优势微生物在稳定化过程中的作用

有研究指出，不同蚯蚓处理组微生物群落结构虽然不同，但在同一堆肥时期的微生物功能却可能相同[16]。DOM的浓度和组成能有效地反映最终堆肥的稳定和成熟过程，堆肥不同阶段中DOM的变化反映了优势微生物在有机废物转化中起着最重要的作用，且堆肥后期优势微生物对判断稳定程度具有重要作用。拟杆菌门细菌通常包括各种具有很强水解许多大分子的能力的细菌，如淀粉、纤维素、蛋白质和几丁质，拟杆菌门的显著减少，说明初始污泥中可降解的有机物得到了很好的稳定；放线菌是难降解有机物的主要降解者，堆肥后期丰富的放线菌通常也被认为是成熟堆肥的一个重要指标。同时，碳氮比可以作为衡量堆肥成熟度的可靠指标，若初始基质氮含量较高的情况下，C/N比例不再适用；当系统后期DOC含量低于4mg/kg时，则堆肥产物已稳定[17]。

3 抗性基因和病原菌的农用风险

污水处理厂汇集了各种城市排水，包括居民生活污水、医疗机构废水、动物排泄废水等，这些废水中不同程度的含有不能被动物和人体吸收的抗生素，已有研究表明畜牧业成为环境抗生素污染的主要污染源[18]，且已有检测到污水处理终端副产物剩余污泥中含有多种抗性基因，因此未经处理，将是环境微生物耐药性的一个潜在的来源。污泥和粪肥堆肥过程中抗性基因变化的主要原因与微生物群落演替有关。并且，在蚯蚓过程中，总大肠菌中、粪便大肠菌、肠球菌的HPB能够显著减少[19]。蚯蚓堆肥过程中病原体的减少可能是由于肠道酶的作用导致的微生物抑制、具有抗菌特性的体腔液的分泌等直接作用，以及一些间接的作用，如刺激当地的微生物导致竞争和拮抗[20]。