微生物在农作物秸秆好氧堆肥过程中的研究进展

聂晓瑀，于春静，卢 倩，崔继哲

（哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，哈尔滨 150025）

0 引言

农作物秸秆是指农作物主产品在收获后所遗留下的茎、杆和叶等附属产品。中国是传统的农业生产大国，农业废弃物秸秆资源十分丰富。中国每年农作物秸秆资源理论产量约为9.0亿t，约占世界秸秆总产量的20%～30%[1]；2019年的产量已位居世界第一位，超过了10.4亿t，其中玉米、水稻和小麦三大粮食作物所产生的秸秆数量之和占到秸秆资源总量的80%左右[2]。虽然中国每年产生数量巨大的农作物秸秆，但是秸秆的利用率很低，大量秸秆被简单弃置或焚烧处理。废弃秸秆占用土地空间、浪费资源，焚烧秸秆不仅可能会诱发火灾，而且还会产生大量的烟雾、灰尘和有害气体，严重影响空气质量，污染环境。近些年来，国家对环境保护方面的重视程度逐年加大，“绿水青山就是金山银山”这一理念逐渐深入人心，如何科学高效的利用秸秆，使其变废为宝，已经成为一个亟待解决的问题。

农作物秸秆的主要成分是木质纤维素，它主要由纤维素、半纤维素、木质素3种物质组成[3]，含有大量的碳、氮、磷、钾等各种元素以及蛋白质和脂肪等营养物质，是一种宝贵的生物资源[4]，将其进行堆肥利用是一个重要的发展方向。秸秆堆肥主要是在一定的营养物质、温度、水分等环境条件下，堆体中广泛存在的微生物大量生长繁殖，促进秸秆分解的过程。

根据对氧气需求的不同，堆肥一般分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥是通过微生物的降解作用来利用农业废弃物秸秆的一种重要方法，在这个过程中，微生物通过生长代谢等生命活动，将作物秸秆中的有机物降解转化成稳定的有机腐熟肥料[5]。与传统的秸秆就地焚烧或者直接就地还田等秸秆处理方法相比，好氧堆肥因其具有降解快、成本低、操作简单、绿色环保等优势，是实现秸秆废弃物资源化、减量化、无害化的一种有效途径[6-7]，具有十分广阔的应用前景。本研究从农作物秸秆的好氧堆肥降解及其影响因素，好氧堆肥过程中微生物的降解作用高酶活外接菌剂的降解效果等几方面进行综述，以期为秸秆好氧堆肥过程中微生物的作用机制研究提供参考。

1 农作物秸秆的好氧堆肥降解及其影响因素

作物秸秆好氧堆肥是多种微生物在适宜的理化条件下对堆肥原料中的有机物进行腐殖化的过程，这一过程包括复杂的物理、化学以及生物变化[8]。在好氧堆肥过程中，秸秆中容易吸收的可溶性有机物质，微生物会将其通过细胞壁和细胞膜直接吸收利用；对于难以直接吸收的固体和胶状有机物质，微生物会把它们吸附在体外[9]，通过微生物合成分泌的一些胞外酶会将其降解为简单的有机物和无机物，同时合成一些新的物质，包括腐殖质等[10]。秸秆降解酶主要包括纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶。纤维素酶是降解纤维素及其衍生物的一系列酶的总称，主要包括内切葡聚糖酶(EG)、外切葡聚糖酶(CBH)和β-葡萄糖苷酶(BG)，3种酶协同作用下将纤维素降解成葡萄糖单体[11]。半纤维素酶主要以木聚糖酶和甘露糖酶为主，其中木聚糖酶发挥最关键的作用[12]。木质素酶一般是由真菌分泌产生的一系列胞内酶和胞外酶[13]。发挥主要作用的3种木质素降解酶是：以多酚氧化酶为主的漆酶(LaC)以及以血红素糖蛋白为主的锰过氧化物酶(MnP)和木质素过氧化物酶(LiP)[14]。这些酶通过相互之间的协同作用来达到降解木质纤维素的目的。研究并利用这些由降解菌产生的多种多样的降解酶，将会为进一步促进木质纤维素的降解提供十分重要的理论依据。

温度是影响秸秆好氧堆肥的一个重要因素，通常情况下，堆温在40～65℃较为适宜[15]。堆肥产生的高温能够有效杀死秸秆堆料中可能存在的一些病原菌及寄生虫以及杂草种子等有害物质，最终得到无害的有机堆肥产品[16]。根据温度变化，好氧堆肥过程一般分为4个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段以及腐熟阶段[17]。堆肥开始的1～3天为升温阶段，堆温一般在15～45℃之间，堆体中含有的有机物如可溶性糖、可溶性蛋白以及脂肪等被一些优势微生物（即嗜温菌）迅速降解利用，嗜温菌大量繁殖，产生了一些小分子物质如H2O、CO2、有机酸等，同时释放了大量热量，之后随着堆肥的进程，堆温迅速升高[18]。当堆温上升到45℃以上时，就标志着进入了堆肥的高温阶段，这一阶段通常持续10～20天左右。随着堆温陆续升高，嗜温微生物生命活动受到抑制甚至出现大量死亡，而一些嗜热微生物生长旺盛，成为了这个阶段的优势菌群。上一阶段残存以及新生成的可溶性有机物继续降解，作物秸秆中像纤维素、果胶、木质素等难降解的化合物也陆续开始分解。好氧堆肥开始进入了比较稳定的状态，腐殖质开始形成[19]。在高温阶段，秸秆堆体中纤维素等大部分高分子量有机物已经基本被完全降解，只剩木质素类等难降解的有机物及部分新形成的腐殖质。由于缺乏适宜的营养物质，嗜热微生物的活性大幅降低甚至大量死亡，微生物代谢释放的热量减少，堆温随之下降，有机物的组成渐渐趋于稳定，即进入降温阶段[20]。随着堆温持续下降，堆肥进入腐熟阶段，在该阶段嗜温微生物又开始活跃起来，它们大量繁殖重新形成优势菌群。在微生物作用下，堆体中残余的部分复杂的难降解物质会被进一步降解，腐殖质含量进一步增多，堆肥腐殖化程度进一步提高。通常腐熟阶段持续20～30天左右。当堆温下降到40℃左右时，作物秸秆堆肥基本达到了稳定状态[21]。

除温度外，秸秆好氧堆肥过程还受到其他因素的影响，例如含水率、pH值、C/N、有机质含量、含氧量、堆料的颗粒度、堆体大小、添加剂等[8,22]。在实际生产应用中，若进行大规模农作物秸秆堆肥，须根据实际情况调节控制各个好氧堆肥因素，以保证堆肥过程高效进行，最终获得优质堆肥产品。

作为一种有机腐熟肥料，堆肥的应用具有极大的发展空间和发展潜力，但如果将未腐熟的堆肥施加到农田中，可能会导致植物缺氧不能正常生长发育甚至出现对农业生产造成极大损害的局面[23]，因此，用腐熟度对堆肥成品的质量进行评估十分必要。目前主要有物理学指标、化学指标和生物指标3种评判标准。常见的物理学指标主要包括堆温、堆料气味以及堆体颜色变化等。达到腐熟标准的堆肥，温度接近环境温度，没有难闻的异味，堆体的颜色转变成黑褐色或者棕黑色[24]。常见的化学指标有pH值、C/N和胡富比(E4/E6)等。有研究表明，堆料完全稳定腐熟后，pH值在8.0～9.0之间，C/N＜20，E4/E6值在3.0～4.0之间[25]。常用的生物学指标有微生物量、酶活性、种子发芽指数(GI)等。据报道，不同种类的微生物数量、不同酶活的变化情况可用于评估腐熟度。有学者认为，评估腐熟度时，GI最重要，最有说服力，当GI＞50%时，堆肥基本无毒性，基本稳定腐熟；当GI＞80%，堆肥无毒，完全稳定腐熟[26]。在应用秸秆堆肥前，建议对该堆肥进行两个或者两个以上腐熟度指标的测量以评估其是否安全可靠。

2 好氧堆肥过程中微生物的降解作用

在农作物秸秆好氧堆肥过程中，多个影响因素综合发挥作用，最终作物秸秆被降解转化为稳定的腐殖质。在众多影响因素中，微生物发挥着决定性作用。然而由于秸秆的结构组成十分复杂，就微生物对农作物秸秆的降解机理而言，目前仍然尚未研究透彻。

2.1 农作物秸秆降解微生物

根据农作物秸秆降解的主要对象，降解微生物主要分为纤维素降解菌、半纤维素降解菌和木质素降解菌三大类。

2.1.1 纤维素降解菌 据报道，自然环境中分布广泛的细菌、真菌、放线菌等微生物对纤维素都具有良好降解能力[27]。目前已知能有效降解纤维素的细菌种类较多，主要包括芽孢杆菌属(Bacillus)、梭菌属(Clostridium)、纤维单孢菌属(Cellulomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)和梭状芽胞杆菌属(Clostridium)等[28]。吴婧等[29]从土壤中筛选出1株嗜酸性纤维素降解菌株N3，为固氮螺菌(Azospirillumzeae)；江高飞等[30]以水稻秸秆为唯一碳源，筛选出2株具有高纤维素酶活的菌株B-7和B-11，分别为短小芽孢杆菌(Bacilluspumilus)和嗜热脂肪芽孢杆菌(BacillusThermophilus)；KARTHIKA等[31]筛选得到9株不动杆菌(Acinetobacterbaumannii)，经实验验证，它们都具有较高的纤维素降解能力。真菌的菌丝体可以穿透秸秆的表层结构，破坏到难以降解的木质素蜡质层，此外真菌分泌的酶多为胞外酶，酶活性高于细菌和放线菌，因此真菌具有十分强大的纤维素降解能力，在秸秆纤维素降解中发挥主导作用[32]。可降解纤维素的真菌一般为嗜温真菌，典型的如木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)和根霉(Rhizopus)等[33]。于慧娟等[34]从土壤中筛选4株高效纤维素降解真菌。放线菌是具有多细胞菌丝的微生物，它可以分解一些纤维素，并溶解木质素，此外，它们比真菌能忍受更高的温度和pH值，因而尽管放线菌降解纤维素的能力并没有真菌强，但有研究表明，放线菌是堆肥过程中降解木质纤维素的优势菌群[35]。目前已知的能有效降解纤维素的放线菌主要有链霉菌属(Streptoources)、诺卡氏菌属(Nocardia)和热单孢菌属(Thermomonospora)等[27]。李林超等[36]从玉米秸秆堆肥中筛选2株可以高效降解纤维素的链霉菌(Streptoources)C31和C37。

2.1.2 半纤维素降解菌 与纤维素相比，半纤维素易于被生物降解利用，并且纤维素降解菌同时也能够降解半纤维素。在自然界中，具有半纤维素降解能力的微生物分布极其广泛。常见的半纤维素降解菌有：黑曲霉(Aspergillus niger)、焦曲霉(Aspergillus pyogenes)、绿色木霉(Trichoderma viride)、烟色曲霉(Aspergillus fumigatus)以及纤维单胞菌(Cellulomonas)等[37]。赵龙妹等[38]从青藏高原高寒草甸土壤中筛选出1株半纤维素高效降解菌XC70，通过鉴定XC70为草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)。

2.1.3 木质素降解菌 木质素结构复杂，不易水解，是农作物秸秆好氧堆肥中有机物降解的最主要限速物质[39]。木质素完全降解，需要细菌、真菌、放线菌以及一些其他相关微生物共同作用，其中真菌起主要作用[40]。现已发现可降解木质素的真菌有灵芝菌(Ganoderma)、鬼伞茵(Coprinus)、平革菌(Phanerochaete)、多孔菌(Polyporbls)以及侧耳菌(Pleurotus)等[12]。马英辉等[41]从污泥中筛选出1株木质素高效降解菌，经形态学和分子生物学鉴定该菌是灰略红链霉菌(Streptoources griseorubens)；尹静等[42]从土壤中分离出1株粉红粘帚霉菌(Clonostachys rosea)YZC3，其对木质素的降解率高达79.2%；张漾泓等[43]分离筛选出的1株具有潜在木质素降解能力的菌株Z-1，通过形态学和系统发育分析鉴定其为云芝栓孔菌(Pterococcus yunzhi)。

综上，在秸秆好氧堆肥过程中，秸秆主要成分纤维素、半纤维素和木质素的降解是在细菌、真菌和放线菌等多种微生物共同作用下完成的。目前对秸秆降解菌株的筛选鉴定等相关研究已取得了一些较好的效果，但是获取更多针对性更强的，降解能力更高的秸秆降解菌株仍然是一项亟需进行的具有重要意义的研究工作。

2.2 农作物秸秆降解微生物菌群的群落演替

对农作物秸秆而言，好氧堆肥是一条资源化、综合化利用的高效途径。在这一过程中，堆肥温度通常呈现出先升高后降低的变化趋势[44]，堆温的变化对发挥关键降解作用的降解微生物（主要为细菌、真菌以及放线菌）的生长繁殖造成了重要的影响：一部分降解菌由于受温度影响不能再适应当下所在堆体环境，数量大量减少甚至死亡；而一部分降解菌对于温度的耐受性更高，能够在短时间内快速适应目前的生存环境，它们大量繁殖，从而演变成了堆体中的优势菌群[45]。堆温不同，堆肥所处阶段也不同。在不同堆肥阶段，降解菌的种类、数量等也会明显不同，即在农作物秸秆好氧堆肥过程中，秸秆降解菌是在不断发生着变化的，存在明显的迅速的群落演替现象[46]。了解和掌握堆肥过程中微生物群落动态变化，对于发现新的降解优势菌群、提高堆肥效率以及揭示秸秆降解机制都具有极其重要的理论意义和应用价值。

MARTINS等[47]第一次使用高通量测序技术，通过对堆肥中的微生物总DNA进行测序，发现该生境中的优势菌为乳酸杆菌(Lactobacillus)；郭亚萍等[48]通过PCR-DGGE技术，分析以玉米和水稻秸秆为堆肥原料的双孢菇堆肥中的群落演替情况，数据表明堆肥期间优势菌为放线菌(Actinoourcetes)、变形菌(Proteobacteria)以及厚壁菌(Firmicutes)；WEI等[49]在研究玉米秸秆堆肥过程中功能微生物的演替中发现，厚壁菌(Firmicutes)是高温阶段明显的优势菌；LI等[50]分析了猪粪-玉米秸秆联合堆肥过程中细菌群落结构组成，结果显示，黄杆菌(Flavobacterium)以及不动杆菌(Acinetobacter)等在堆肥各阶段均占据优势地位；Zhang等[51]在对绿豆壳-玉米秸秆混合堆肥腐熟过程中微生物的动态变化的研究中发现，优势微生物由链孢菌科细菌(Neurosporiaceae)转变为毛壳菌科真菌(Chaetomium)。

综上，农作物秸秆好氧堆肥过程实际上是一个动态过程，并且这动态主要是由多个降解菌快速进行群落演替而实现的。目前，对秸秆堆肥过程中群落演替的相关研究工作已取得了一些突破性进展，但仍有不足。进一步加深了解秸秆堆肥过程中微生物的组成与变化，对于揭示各种微生物在堆肥过程中的具体作用，对于最终全面地揭示农作物秸秆的降解机理，进而对农作物秸秆的科学高效利用都具有重要意义。

3 高酶活外接菌剂的降解效果

好氧堆肥是一种可以高效利用农作物秸秆的方法策略，然而传统的秸秆堆肥方法主要是依赖堆料自身所带的一些有益土著微生物来对木质纤维素进行降解，而只靠这些土著微生物，堆温较难达到腐熟所需温度，堆肥过程变得十分缓慢，最终得到的腐熟有机肥料肥效也比较低下[9]。大量研究表明，在好氧堆肥过程中，人为添加一些具有一定功能的高酶活的外源菌剂，可以快速提高堆温，明显缩短堆肥周期，有效提高堆肥养分，大大改善堆肥品质[52-53]。通常情况下，用于堆肥的外接菌剂通常由具有分泌各种降解酶的单一菌株或多种菌株组成，由此外接菌剂分类为单一菌剂和复合菌剂。（1）单一菌剂应用情况。WEI等[54]将1株嗜热放线菌添加到小麦、大豆和玉米秸秆堆肥中，结果显示放线菌的接种明显促进了木质纤维素的降解；尹静等[42]将粉红粘帚霉菌(Clonostachysrosea)YZC3接种到猪粪-落叶混合堆肥中，实验结束后该菌株对木质素的降解率高达79.2%；刘心吾等[55]将细菌鲁皮缺氧杆菌(Anoxybacillus rupiensis)X-08和热链地芽孢杆菌(Geobacillus thermocatenulatus)M-17分别等量添加到玉米秸秆堆肥中，结果这两株单菌对纤维素的降解率分别达到了20.47%和24.51%；吴桐等[56]在水稻秸秆堆肥中添加曼氏假单胞菌(Pseudomonas mandelii)QL-1和烟曲霉(Aspergillus fumigatus)QL-4，堆肥第10天时秸秆降解率达到最高，分别为9.48%和13.91%，是未接菌的空白对照组的2.49倍和3.66倍。（2）复合菌剂应用情况。王天生等[57]将降解细菌DX-5和DX-9按照2:3的比例配制复合菌系，并对其进行降解能力测试，实验表明该复合菌系对纤维素的降解率高达87.96%；魏阳等[58]在甘蔗渣-污泥联合堆肥中接种将以细菌、真菌构建的复合功能菌Y123，经过28天后接菌组的纤维素与木质素含量分别降低了58.51%和51.19%，与空白处理组相比，降解率提高了5倍以上；WU等[59]将实验室前期筛选得到五株降解细菌等比例（各20%）混合为复合菌剂，水稻秸秆芬顿预处理后再进行堆肥实验，在水稻秸秆堆肥中添加该复合菌剂，结果显示预处理和接菌的耦合处理极大地促进腐殖质的形成，并且细菌的群落结构和多样性也发生了显著变化；付冰研等[60]将实验室前期获得的两株芽孢杆菌(Bacillus)B01和B02菌株按照7.5:2.5的比例混合配制复合菌剂SB012，并将其添加到在园林废弃物好氧堆肥中，分析实验数据发现，与CK处理组相比，SB012处理组腐殖质含量、纤维素降解率和木质素降解率分别提高了15.67%、46.82%和49.74%。

综上，已有大量实验结果表明，在秸秆好氧堆肥过程中添加外源菌剂，不论是单一菌剂还是复合菌剂都有利于缩短堆肥时间，有利于提高纤维素、木质素等难降解有机物的降解效率，进而使腐熟肥料的品质性能得到较大的改善。简言之，高酶活外接菌剂对农作物好氧堆肥具有重要作用，并且近几年国内外对微生物菌剂的研发与应用发展迅速，已取得了一些相关研究成果，但这方面的相关研究工作仍然任重道远。

4 展望

科学高效的综合利用秸秆资源具有极其重要的现实意义，好氧堆肥作为一种操作简单且绿色环保的秸秆处理方法，已成为一个研究热点。目前对于秸秆好氧堆肥的研究工作已经取得了较好的成果，但仍存在以下有待解决的技术问题：（1）好氧堆肥最佳条件的研究：堆肥受到多个环境因子的影响，并且不同作物秸秆堆肥的最佳条件也不同，如何寻找最佳的堆肥条件并根据实际情况调节控制各个堆肥因素，使产生的腐熟肥料安全可靠，是秸秆堆肥需要解决的一个重要课题；（2）降解微生物菌剂的筛选鉴定及其降解效果的研究：目前在实验室条件下已筛选鉴定了一些高酶活的微生物降解菌，今后的研究方向可以为探究各种菌株之间的协同及拮抗作用，获得最佳的菌种混合比例，将得到的外源菌剂接种到秸秆好氧堆肥中，实现秸秆的高效降解；（3）堆肥过程中微生物降解作用的研究。目前对堆肥过程中微生物的研究主要集中在微生物酶活性的变化以及微生物群落演替两方面，从分子水平上解释农作物秸秆的降解机理的相关研究则相对较少。进一步研究挖掘在农作物秸秆好氧堆肥过程中发挥关键功能的降解菌、降解酶以及降解基因，进一步开展微生物对作物秸秆降解机制研究工作，对于实现农作物秸秆资源化、减量化和绿色化具有重要的现实意义。