微生物在我国农业废弃物资源化利用中的研究进展

杨浩瑜，秦洁，武晓燕，宋莉，赵斌

（中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津 300191）

近些年来，由于我国高速发展现代农业、稳步提高农产品产量，从而产生的废弃物也在随之增加，并且伴有严重的生态环境问题，给农业可持续发展造成阻碍。在2021 年国家发展改革委发布的《“十四五”循环经济发展规划》中提出，到2025 年农作物秸秆综合利用率保持在86 %以上[1]。2020 年，《第二次全国污染源普查公报》公布的数据显示，相比农作物秸秆利用率，畜禽粪便的利用率仍然偏低，解决我国农业废弃物处理的问题须臾不能放松。

1 我国农业废弃物资源概况及环境生态效应

农业废弃物是农业生产、农产品加工、畜禽养殖业和农村居民生活排放的废弃物总称。农业废弃物也称农业垃圾，按其成分主要包括植物纤维性废弃物和畜禽粪便两大类；按其来源则可分为：（1）植物源：农田和果园残留物，如秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝和其他废物等；（2）动物源：主要以畜禽粪便为主；（3）农副产品加工的衍生物：如水果及粮食作物残渣、动物加工的废料等；（4）人类生活废弃物及粪尿[2]。

焚烧是目前大部分地区对未能资源化利用的废弃物进行处理的主要形式。但是，焚烧不完全会产生有害的气体和化合物等危害大气环境[3]。如对废弃物处理不及时，其自然腐败过程中的浸出液可能会污染水资源；畜禽粪便未经处理大量堆放或直接排入环境，会污染地下水或造成水体富营养化[4]。高浓度的畜禽粪便未作科学处理直接用于施肥，会毒害作物，导致作物减产；畜禽养殖饲料中添加的重金属元素也随粪便排出进入到环境，污染土壤。

2 微生物在农业废弃物资源化利用中的作用

农业废弃物与煤碳、石油和天然气并称四大能源[5]，畜禽粪便和秸秆等废弃物一直都是农业种植与生产的重要肥源，通过科学的方法对其进行资源化利用是大势所趋。利用微生物技术，将植物源农业废弃物和畜禽粪便等动物源农业废弃物通过发酵工艺加工、发酵、堆肥，变成相应产品，达到资源化利用的目的。利用多种集成技术，深度开发农业植物纤维废弃物，整合传统农业结构调整为植物、动物、微生物三维资源整合的新型农业，是实现经济效益、社会效益和生态效益最大化的有效途径。

2.1 肥料化

堆肥发酵可以利用微生物减少农业废弃物中的挥发性物质，同时高温也可起到灭活病原菌、虫卵等有害物质的作用。堆肥得到产品不仅可以调节土壤，还能供给植物生长所需的营养[6]。张雯琪等[7]将油茶低产林改造环节中产出的剩余物（主要由油茶枝丫、植株粉碎混合而成），通过尿素和Effective Microorganisms（EM 菌）对其堆肥发酵处理后制备有机肥，不仅减少了剩余物不恰当处理时对环境产生的负面影响，还找到了制备轻基质材料的新方法，可有效降低育苗成本。张晟国等[8]通过研制的复合菌剂对鸡粪好氧堆肥过程中相关指标的监测和比较：结果使得堆肥过程升温，腐熟程度增高，堆肥产物的纤维素酶活性增强、总养分流失和氮损失率显著降低，达到了好氧堆肥高效降解转化的目的。另有宁夏的57 家有机肥生产厂家通过添加微生物菌剂对农业废弃物进行高温堆肥发酵处理后生产有机肥，年产商品有机肥超过240 万t。截至2017 年，宁夏有机肥施用面积达到14 万hm2，形成了完整的农业循环链，有效提高了微生物处理效率、资源化利用水平及当地经济效益[9]。

我国对堆肥发酵过程中接种微生物的研究起步较晚，目前市场上的菌剂产品均在一定程度上取得了良好的效果，在缩短发酵周期加快堆肥腐熟进程的同时，也控制了臭味，保存了更多养分[10-13]。由于农业废弃物中的主要有机物组分是纤维素、木质素、碳水化合物和脂肪等，这些物质在堆肥发酵处理过程中的生物可降解性存在差异，其中碳水化合物和粗脂肪的降解相对容易，所以目前相关研究难点主要以堆肥发酵过程中纤维素和半纤维素的降解为主[14-15]。

2.2 燃料化

燃料化的主要途径是沼气发酵，指秸秆等农业废弃物在厌氧环境中，经微生物分解代谢后形成以甲烷为主的混合气体。一方面沼气作为农村能源使用；另一方面沼气发酵残余物可作为有机肥料和饲料还田。利用畜禽粪便生产沼气主要以畜禽养殖废弃物作为原料，在微生物的主要作用下，经过腐熟、除臭、脱水等一些列的工艺处理，将畜禽养殖废弃物转变为沼气、沼液、沼渣等产品，以供照明、供暖、汽车燃料、有机肥料等资源化利用。农业废弃物沼气发酵技术对于解决农村地区环境污染及能源供应具有重要意义[16]。

与堆肥发酵一样，沼气发酵的技术难点同样是木质纤维素的降解问题。朱心宇等[17]利用玉米秸秆沼气发酵，投加不同浓度的强化菌株厌氧苯甲酸降解菌，甲烷产量得到了12%～20%的增加；且玉米秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素的去除率也相应提高了12%～46%。王晶晶等[18]采用高氨氮畜禽废水作为氮源以驯化稻田土壤微生物，优化其降解稻秆的初始pH 值，为稻杆的高效能源化利用提供参考，其结果表明，驯化后的土壤微生物可有效提高稻秆的降解率及其厌氧发酵甲烷产量。Kong 等[19]从高温堆肥样品中成功筛选到一种可高效降解农业秸秆的厌氧菌群TC-5，经实验验证，稻秸和麦秸的降解率分别达到46.7%和54.5%，甲烷产量分别提高了22.2%和36.6%。另外厨余垃圾堆肥过程中添加适当玉米秸秆可有效改善物料的含水率和孔隙度，提高堆肥过程的通风、升温效果，均衡堆肥产物的营养物质，进而提高堆肥产物质量[20]。

2.3 饲料化

通过微生物转化农业废弃物并制成蛋白饲料和青贮饲料等，可以实现生物质废弃物的高值利用，有助于推动并实现碳达峰、碳中和。

菌体蛋白又称单细胞蛋白（SCP）或微生物蛋白，主要是指通过单细胞微生物利用工农业废弃物为营养基质，人工培养得到的菌体蛋白质。菌体蛋白中蛋白质含量高，氨基酸种类齐全，是蛋白饲料的主要来源。国内许多学者以果渣、麸皮等废弃物为原料，酿酒酵母为菌种，进行发酵获得菌体蛋白，为开发菌体蛋白饲料的生产原料提供理论依据[21～22]。由于果渣经微生物发酵后纤维素等大分子物质降解成小分子化合物，不仅提高了营养价值及利用率，还改善了畜禽的适口性，因此广泛被当作饲料使用。有研究表明，在日粮中适当添加果渣发酵饲料，一方面可以代替抗生素用来改善仔猪健康，另一方面可以提高生猪平均日增重和高猪肉品质[23～24]。在家禽日粮中添加一定量的果渣发酵饲料，不但可以有效改善肉鸡健康情况，降低血液中总胆红素、血红蛋白、尿酸等水平，还可以提高产蛋率和增加蛋重[25～26]。

秸秆、作物秧苗以及尾菜等农业废弃物含有丰富的纤维素、半纤维素、糖类和蛋白质等营养成分，如果将其合理加工转化为动物饲料，不仅可以变废为宝解决我国部分地区牧草、饲料不足的问题，还能减少农业废弃物的堆积问题。但是部分青贮原料木质素含量高，使得植物细胞壁中纤维素和半纤维素的降解效率大大降低，阻碍了植物细胞壁中的多糖被酶水解，其饲料利用率较低，所以乳酸菌和酵母菌等微生物的添加可以提高青贮品质[27]。在青贮过程中添加乳酸菌可降低青贮饲料pH 值，抑制其他有害菌体的生长，同时提高青贮饲料品质，提高木质纤维素的分解率，降低总氮和丁酸的生成[28-29]，且通过对体外模拟瘤胃发酵特性的相关研究表明，维持瘤胃正常发酵且有助于饲料养分的消化吸收[30]。

2.4 基料化

农林废弃物经过适当的处理如发酵、堆腐、好氧-厌氧交替发酵、高温惰化、热解气化等，即可成为基质材料、能源材料等一系列的可持续能源[31-33]。好氧堆肥过程中，微生物分解农业废弃物中的有机物形成以腐殖酸为主的稳定物质，富含腐殖酸的堆肥产品可以有效提高土壤肥力，改良土壤性质，以及具有保水保肥的功能[34-35]。

栽培基料是食用菌生产的必备要素之一，它可以给菌体提供生长所需的水分和营养[36]。近几年，出现一些新型栽培基料如废棉、香蕉茎叶、菌糠、核桃壳、芦苇、北方树叶等[37-40]，均通过实验验证得到了喜人的结果，在提高了食用菌的生物学效率和产量的同时，也为当地资源合理利用、经济可持续发展分享了宝贵经验。湖北省十堰市的食用菌工厂化企业利用玉米秆、烟杆等几种农业废弃物替代木屑，建设标准化食用菌生产基地130 hm2，使得项目区农民增收3.2 亿元[41]。福建省农业科学院农业生态研究所构建了农业废弃物—菌渣栽培—菌渣堆肥—回田、柑橘套种竹荪—菌渣回田、设施蔬菜套种食用菌的空间（碳）互补技术等农菌废弃物多级循环农业模式，5 年时间内建立食用菌栽培核心区超5 万m2；累计辐射推广超600 万m2；新建肥料生产线4 条，年产有机肥近7 万t[42]。经济、社会和生态效益显著。

3 微生物在农业废弃物资源化利用方面的问题及建议

微生物菌剂相关技术研究为农业废弃物资源化利用提供了强有力技术支撑，是微生物领域研究的重要方向。近年来，尽管微生物在农业废弃物资源化利用方面的发展迅速，但是在微生物实际应用方面仍然存在着问题，针对我国目前的情况提出以下建议。

3.1 高效功能性菌株的筛选。目前我国农业废弃物资源化的利用的转化率偏低，主要是因为在资源化的过程中堆肥和发酵速率过慢且反应不充分，因而筛选高效功能性菌株制成微生物菌剂尤为重要。应结合实践实际需要，加强对降解纤维素、木质素、嗜热耐高温、解磷解钾固氮等功能性微生物菌剂的筛选和研发。明确相应菌株的工作机理、复合菌剂的复配比例以及最适繁殖条件等，以便于增加农业废弃物的利用效率，降低反应时间，提高产品品质。

3.2 微生物发展的多元结合。随着生态农业领域发展，微生物发酵产品需求多元化，农业废弃物资源化利用的发展也逐渐趋于多元性，比如可以构建高效微生物菌群，利用定向进化，缩短工程菌进化周期，可以迅速提升菌群功能多样性。在生物技术、高分子材料、机械工程等众多学科间有机结合，从以往的传统模式升级为多种技术系统的集成，为我国现代农业的循环经济发展带来新的机遇。

3.3 微生物菌剂的成果转化。可以通过多元化微生物发酵培养来合成多元化的目标产品，以接近市场需求。科研院所及企事业单位应结合当地农业特色，以加大宣传发展农业和能源可持续发展产业的重要性为前提，提高科研人员以及农业人员对农业废弃物资源化利用的认知，形成良好氛围与习惯。与此同时，企业应当依托高校和科研院所的技术水平和团队力量，加强产学研的合作，建设以市场为主要导向的技术创新平台，实现具有自主知识产权的成果转化，让核心技术落地，实现经济效益最大化。

微生物发酵工程是加快农业废弃物资源化利用研究成果转化为生产力，取得最佳效益的重要手段。加强微生物在农业废弃物资源化利用方向的应用，构建和完善相关领域微生物种质资源的保护体系，对于推动农业微生物科技成果的转移和转化具有重要意义。