外加木质纤维素分解菌对高原环境下堆肥体系的促进作用*

杨杰 魏素珍

（西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000）

堆肥是有机质在微生物作用下的自然生物分解过程，通过堆肥可以将各类有机废弃物如牲畜粪便、农田秸秆等转化为土壤改良剂或有机肥料，不但可以减少有机废弃物对环境造成的污染，还能促进畜牧业等农业生产的可持续发展［1］。木质纤维素是堆肥原料中的常见成分，其难降解性常常导致堆肥时间的延长以及产品品质的降低。向堆肥体系中接种外源木质纤维素降解微生物菌剂是提高堆肥腐熟度和品质的有效方法之一。比如，Yu 等人的研究［2］表明接种木质纤维素降解微生物对保存堆肥体系的氮素含量有积极作用。他们的研究显示，与对照组相比木质纤维素降解菌接种处理降低了堆肥过程中腐熟阶段amoA 基因的丰度和NH3的累积排放量。同时，木质纤维素降解菌接种处理还降低了参与反硝化过程的nirS、nirK 和nosZ 基因的丰度，这些基因与N2O 的排放密切相关。Chen 等人［3］的研究表明在堆肥冷却期接种黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）可以进一步促进纤维素和木质素的降解，更有利于堆肥腐殖质的形成，促进腐殖质化过程。虽然微生物菌剂在堆肥处理中的应用已经十分普遍，但是，接种的微生物菌剂与环境因素以及土著微生物之间的相互作用会影响堆肥过程中的微生物群落结构，而微生物群落结构、演替规律以及微生物群落间的协同效应与堆肥效率和腐熟堆肥质量具有十分紧密的关系。因此，同一种菌剂在不同的环境、底物条件下，其应用效果可能存在较大的差异。

西藏地处我国西南边陲，被称为“人类最后一片净土”，是我国内地及东南亚地区的重要江河源和生态源，被列为国家重要的“生态安全屏障”。然而随着经济的发展，固体废弃物的产量也日益增加，其处理处置问题是急需解决的环境问题之一［4］。此外由于特殊的地理及气侯环境，西藏地区的土壤非常贫瘠，因此在西藏地区利用各类有机废弃物生产有机肥对于解决西藏地区的环境污染问题以及增加土壤肥力提高农牧业的产量都有非常重要的意义。这不仅可以避免部分地区因生活垃圾和牲畜粪便随处放置导致的环境污染，也可以缓解现有垃圾填埋场的压力。最重要的是，所获得的有机肥对增强西藏地区的土壤肥力，减缓水土流失等具有非常重要的意义［5］。本文以牛粪和青稞秸杆为主要堆肥原料，研究外加木质纤维素菌剂对高原条件下堆肥的腐熟以及肥料品质的影响，本文的研究结果可为高原环境下的有机废弃物堆肥处理提供借鉴以及数据支持。

1 材料与方法

1.1 堆肥原料及菌剂

堆肥试验在位于西藏林芝市的西藏农牧学院进行，该地海拔高度3000m，大气压力和氧含量约为平原地区的70%.以牛粪和青稞秸秆为原料，新鲜牛粪收集自附近一家养牛场，青稞秸秆采集自西藏农牧学院农场。将青稞秸秆在室外自然晾干，用粉碎机切成1cm～2cm 备用。本研究使用的木质纤维素降解菌由本实验室在西藏地区分离纯化获得，共有6 株丝状真菌。6 株菌株都有纤维素分解的能力，部分菌株同时具有纤维素、半纤维素和木质素的分解能力。各纯化菌株经过在平板上活化后，将相同大小的菌丝块同时接种入以风干青稞秸秆（80g）和新鲜牛粪（240g）为原料的灭菌培养基中，含水率约为60%，该培养基的成分配比与堆肥的成分基本一致。在25℃恒温培养箱中培养9 天，期间为减少水分损失每天补充适量的无菌水，并轻摇烧杯以使基质混匀并增加氧含量。培养结束后的材料作为堆肥菌剂添加至堆肥体系中。堆肥原料及菌剂性质见表1。

表1 堆肥原料的理化性质

1.2 堆肥反应器

堆肥反应器由双层泡沫塑料箱改造而成，长53cm、宽39cm、高40cm，有效体积约为60L。在反应器底部安装长50cm、宽36cm、直径为1.7 cm 的PVC通风管道。为增加保温效果，堆肥反应器采用地埋式，反应器顶端与地面相平。堆肥装置示意图如图1所示。

图1 堆肥反应器示意图

1.3 试验设计

堆体由9kg 新鲜牛粪和3kg 青稞秸秆组成，初始C/N 约为25，含水率约为60%.试验设计2 个处理，接种微生物菌剂的作为试验组，接种比为2.66%（干重比），以添加等量的灭菌菌剂材料作为对照组。通风量设置为2m3/min，持续时间为2min，每天通风一次。为保证样品的均匀性，根据堆肥阶段的温度，在0、3、9、15、24、34 天采样前进行翻堆，并取样置于-20℃下保存备用，试验持续了34天。

1.4 分析方法

堆体和环境温度采用温度在线监测仪进行监测。样品pH 和电导率测量前与蒸馏水按1:10(w/v)混合后置于摇床上震荡30min再进行测量。将震荡后获得的溶液在1000rpm 下离心10min，上清液用0.45μm 的膜过滤后按照连华科技仪器使用说明书进行NH4+-N 和可溶性化学需氧量(SCOD)的测量。样品的含水率采用105℃烘干至恒重的方法进行测定，将烘干至恒重的样品在马弗炉中灼烧2h 用于测定样品的可挥发性固体物（VS）含量［6］。纤维素酶活性的测量采用DNS法进行［7］。样品的发芽指数(GI)根据Wan 等人［4］的方法进行测定，所有的测定都进行三次重复，并计算平均结果。

1.5 数据分析

用Excel 2010 和Sigmaplot 14.0 对所获得的数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 堆体温度的变化

堆肥过程中堆体温度变化如（图2a）所示。由图可知，堆肥开始后两组的堆体温度都快速增加，其中添加外源菌株的堆体升温更加迅速，在第3 天达到峰值63.6℃，而对照组则在堆肥第12 天才达到峰值53.1℃。与对照相比，接种木质纤维分解菌使堆肥体系的最高温度提高了10.5℃。在堆肥开始后的前8天，添加外源菌株的堆体温度都明显高于对照组，之后该组的温度急剧降低，在第10天后堆体温度维持在30℃左右并呈逐渐降低的趋势，至堆肥结束后堆体温度始终略高于环境温度。与外加菌株组相比，对照组的升温和降温都相对较为缓慢，并且对照组大于50℃的天数明显少于添加菌株组（图2b），接菌处理使堆肥的高温期延长了4d。值得注意的是，不论是接菌组还是对照组，在堆肥高温期即堆肥开始后的前10天堆肥的温度波动都较大，这可能是由于高温期的堆体温度与环境温度差值较大并且环境温度昼夜温差较大导致的。

图2 微生物菌剂对堆肥温度的影响

堆肥过程中不同温度阶段堆体的日温度变化如（图3）所示，在堆肥前24小时内(图3a)，堆体温度迅速上升，接种组和对照组温度分别上升至50.5℃和48.5℃，与对照相比，接种木质纤维素分解菌的堆体升温更快，直接进入了高温期。在堆肥第8 天(图3b)，接种处理的温度持续上升并保持在较高水平，最高温度达到了68.5℃，而对照处理的温度才上升至51.3℃。各处理的温度峰值不同，说明各处理堆肥的降解情况和微生物群落活性存在差异。在堆肥第16 天后各处理均进入了冷却阶段(图3c)，堆体温度均低于50℃，其中接种组的温度下降较为明显，说明接种组的堆体分解效果较好。到堆肥第33天时（图3d），两种处理的堆体温度接近于环境温度，堆肥反应基本结束。以上结果表明，接种外源微生物菌剂可以快速启动堆肥反应，有效提高堆肥过程中高温期的峰值温度，并加速堆肥的快速腐熟，进而缩短堆肥周期，降低堆肥能耗和成本。

图3 堆肥至不同阶段的日温度变化

2.2 pH、含水率、电导率的变化

pH 是表征堆肥过程中微生物的活性和堆肥腐熟度的重要参数之一。堆肥过程中两组堆体的pH 变化如(图4a)所示。两组堆体的pH 值在堆肥开始之后都迅速上升，接菌组和对照组分别在堆肥至第15天和第3 天达峰值8.4 和8.6，之后呈现出逐渐下降并平稳的趋势。整个堆肥过程中对照组的pH 值在7.4～8.6 之间，而接种组的在7.4～8.4 之间，这一pH 范围与大部分微生物的活性范围相一致，有利于其代谢。在堆肥结束时，所有处理的pH 值都在8.0～8.5 范围内，满足堆肥腐熟的标准［9］。

在堆肥过程中，最佳的含水率可以保持微生物的活性，促进有机物分解，通常堆体初始含水率一般控制在60%左右。本研究中两组堆体堆肥过程中含水率的变化趋势较为相似，除了在第15～24 天有略微增加外，整个堆肥过程均呈降低趋势。对照组和接种组的含水率由堆肥开始时的58.4%分别下降至结束时的50.2%和49.1%(图4b)。含水率的增加主要是由于有机质的分解速率较高，水分蒸发凝结没有及时排出所致［10］。随后由于微生物的快速繁殖，新陈代谢过程中消耗部分水分，并且所产热量使堆体温度升高后又导致水分蒸发，最终导致堆肥的含水率呈下降的趋势。

电导率(EC)是反映堆肥产品中可溶性盐含量的有效指标之一，过高或过低的电导率值表明其作为肥料可能对植物的种子萌发或生长有毒性或抑制作用［11］。堆肥开始后各处理组的电导率均呈下降趋势，至堆肥第3天接菌组和对照组分别由初始的2.34 mS·cm-1下降至2.1 mS·cm-1和2.32 mS·cm-1，之后随着堆肥的进行各组的EC 值都呈逐渐增加的趋势，而接菌组的EC 在第25 天之后则又出现下降的状况(图4c)。电导率的增加可能与堆肥过程中水分的蒸发而导致的电解质浓度增加有关，或者与堆肥过程中因微生物的代谢活性导致的可溶性盐(如铵和磷酸盐)的释放有关［12］。堆肥34 天后，对照组和接种组的最终电导率分别为3.02和2.42 mS·cm-1，对照组显著高于接种组，这可能是由于接菌组的微生物活性较高消耗较多的电解质所致。

图4 微生物菌剂对堆肥过程中PH值、含水率、电导率的影响

2.3 VS、SCOD的变化

两组堆肥挥发性固体VS 含量的变化整体呈下降趋势(图5a)，与前人的研究结果一致［4］。堆肥结束后，接种组和对照组挥发性固体的含量从初始的80.7%分别下降到65.9%和67.4%，分别减少了14.8%和13.3%.接种组腐熟堆肥挥发性固体的含量低于对照组，说明接种微生物增加了堆肥挥发性物质的释放。

整个堆肥过程中对照组SOD 的含量波动较大，处于2300mg Kg-1～6834mgKg-1之间，而接种组SCOD 的含量呈先增加后降低的趋势，最终从堆肥开始时的2974mgKg-1降至堆肥结束时的2720mgKg-1，堆肥结束时接种组SCOD 的含量显著低于对照组(4778mgKg-1)(图5b)。微生物在生长繁殖过程中可以消耗SCOD，同时微生物分泌的胞外酶也可将不溶性的物质分解成可溶性的小分子物质，比如可以将不溶性的纤维素转变成可溶性的葡萄糖等，因此又会导致SCOD 的升高。堆肥体系中的SCOD 值便是这两种方式叠加后的结果。本文的研究结果显示，在堆肥过程中接菌组的SCOD 波动较小而对照组的波动较大表明接菌组的微生物活性相对较稳定而对照组的微生物活性相对较不稳定，说明在堆肥过程中接种特定的微生物菌剂对废弃物中有机污染物的降解具有显著的效果。

图5 微生物菌剂对堆肥过程中挥发性固体有机物和可溶性化学需氧量的影响

2.4 氨氮、发芽指数

堆肥过程中NH4+-N 含量的变化主要受挥发、有机氮的氨化、微生物的固定化、硝化和反硝化过程的驱动。从图6a可以看出，整个堆肥过程中接种组和对照组NH4+-N 含量的变化趋势较为相似，在升温阶段和高温期均快速增加，在第9 天达到峰值，分别为120.72mgKg-1和156.16 mgKg-1，NH4+-N 浓度的升高可能是由于温度升高有利于有机氮化合物的矿化［13］。第9天后接种组-N 含量持续下降直到堆肥结束；而对照组在第24 天下降到最小值76.02 mg Kg-1，之后持续增加，直到堆肥结束。NH4+-N 含量下降可能是由于NH3在高pH 和高温条件下的挥发和微生物自身生长繁殖的消耗以及硝化菌将NH4+-N 转化为NO3--N 所致［14］。堆肥结束时，接种组中铵态氮含量(67.74mg kg-1)显著低于对照组(102.14 mg kg-1)，接种组NH4+-N 含量减少的原因可能是接种木质纤维素分解菌加速了NH4+-N 向NO3--N 的转化，同时减少了NH3生成的底物。综上所述，堆肥过程中接种外源微生物菌剂在NH3减排、氮素固定等方面具有潜在的优势。

发芽指数(GI)通常用于评估最终堆肥产品的腐熟度和植物毒性［15］。图6b 为堆肥过程中GI 的变化。由图可知，堆肥开始后的前3 天，对照组和接种组的发芽指数分别下降至75.7%和80.9%，之后两组都呈逐渐增加的趋势，堆肥结束时接种组和对照组的GI值分别为105.0%和102.6%，表明堆肥产品达到了充分腐熟和较低的植物毒性的标准。堆肥结束后接种组的发芽指数略高于对照组，表明接种微生物菌剂可以加速堆肥腐熟过程，降低植物毒性，提升腐熟堆肥品质。

图6 微生物菌剂对堆肥过程中氨氮和发芽指数的影响

2.5 纤维素酶活性

堆肥原料中易降解的有机化合物能直接被堆肥微生物群落利用，而复杂的有机化合物，包括木质纤维素在被微生物分解利用之前，需要经过胞外酶的水解才能被微生物吸收利用［16］。纤维素酶催化纤维素水解成葡萄糖，其活性取决于混合物中纤维素分解微生物的类型、丰度和组成［17］。两组的纤维素酶含量变化趋势极为相似（图7）。接种组和对照组的纤维素酶含量在堆肥第3 天下降到最小值，分别为0.1Ug-1和0.09Ug-1。在升温期（第1 天）相对较低的纤维素酶活性可能是由于纤维素分解微生物生长较为缓慢。随后，两组的纤维素酶活性急剧增加，接种组在第9天达到最大值(0.23Ug-1)，而对照组在第15 天达到最大值(0.24Ug-1)。高温期纤维素酶活性的增加会导致有机物质的进一步降解。两组堆肥的纤维素酶活性在达到最大值之后均开始缓慢下降，直到堆肥结束。值得注意的是，在堆肥开始后的0～11 天，接种组的纤维素酶活性均高于对照组；从第11 天以后直到堆肥结束，对照组的纤维素酶活性高于接种组。马等人［18］在污泥堆肥过程中添加腐熟堆肥时也发现了类似的现象，添加腐熟堆肥在升温阶段提高了纤维素酶含量，而在降温阶段降低了纤维素酶的含量。在升温期（堆肥前24h）和高温期，接种组的纤维素酶活性高于对照组，这可能是加速堆肥过程，强化纤维素降解，提高堆肥腐殖化程度的重要因素。

图7 微生物菌剂对堆肥过程中纤维素酶活性的影响

3 结论

本文的研究结果表明接种木质纤维素分解菌可以快速启动堆肥，延长堆肥的高温期和增加峰值温度，加速堆肥的腐熟，从而缩短堆肥周期，降低堆肥能耗和成本。与对照组相比，接种木质纤维素分解菌处理组高温期延长了4 天，峰值温度增加了10.5℃。此外，接种木质纤维素分解菌对堆肥体系的pH 值、电导率、含水率、可溶性化学需氧量、挥发性固体有机物、氨氮含量、发芽指数以及纤维素酶活性都有不同程度的影响。总体来看，接种处理提高了最终堆肥产品的腐殖化水平和腐熟度，可以在西藏地区进行推广应用。