微生物菌剂对堆肥发酵影响的研究进展

摘要：堆肥处理是目前实现畜禽粪便无害化处理及资源化利用的重要手段之一，通过接种高效微生物菌剂克服了传统堆肥处理方法诸多不足。对微生物菌剂在堆肥中的应用情况，微生物菌剂对堆肥各项指标、堆肥品质、重金属的影响以及在堆肥中的应用前景进行了综述，以期为养殖业废弃物的无害化处理及资源化利用相关研究提供一定的参考。

关键词：微生物菌剂；好氧堆肥；粪便

中图分类号：S141.3；S144.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）06-1244-04

随着现代农业产业结构的不断调整以及规模化畜禽养殖业的迅猛发展，如何进行畜禽粪便等废弃物的无害化处理及资源化利用成为亟待解决的问题。目前，中国对畜禽粪便的加工处理方法主要有化学法、物理法和生物法。生物处理法又分为好氧生物处理法和厌氧生物处理法。在众多的畜禽粪便处理方式中，由于好氧堆肥处理方法成本低、无害化程度高、处理能力大、处理后的产品方便运输且适于农田施用，适合现代农业持续发展而备受关注。传统堆肥方法利用原料中土著微生物降解有机物质，由于堆肥初期有益微生物数量相对较少，需要一定时间才能大量繁殖，存在发酵周期长、效率低等缺点。同时在堆肥过程中存在氮素损失现象，有恶臭气味，并且粪便中残留的重金属及抗生素等有害物质还存在环境污染的可能。沈根祥等[1]的研究表明，利用筛选的微生物可以加速堆肥基质的发酵，有效提高堆肥的温度，加快腐熟进程。陈华癸[2]指出，在堆肥过程中通过人为接种分解有机物能力强的微生物菌剂，可提高初期堆料中有效微生物总数，加速堆肥材料的腐熟，形成的高温条件有利于杀灭粪便中的病原体、虫卵和杂草种子等。近年来一些学者对畜禽粪便堆肥的工艺条件、影响因素、使用不同微生物接种菌剂等方面进行了深入研究[3]，但对粪便堆肥快速发酵及其机制的研究还远远不够。因此如何充分利用微生物间的协同作用，快速分解粪便中的有机物，实现粪便处理的资源化利用具有十分重要的意义。

1 微生物菌剂在堆肥中的应用

复合微生物菌剂是将两种或两种以上的微生物以一定的比例混合培养，充分发挥微生物群成员之间的联合协同作用，以获取能达到最佳应用效果的一种微生物制剂。微生物菌剂来源主要有利用天然微生物优化处理的微生物菌剂和人工构建的高效菌种两种。

1.1 微生物菌剂在国内外应用的概况

国内外对于堆肥接种微生物菌剂的研究已取得较大进展。20世纪40年代，美国通过在堆肥的原料中接种细菌使堆肥时间缩短1～3 d；20世纪70年代，日本研制出EM菌剂， 10～15 d就可以把垃圾腐熟，加快了堆肥降解的效率。近年来有许多学者致力于研究堆肥中不同作用的微生物，并进行了优质高效菌种的筛选和接种。张陇利等[4]在污泥堆肥试验中加入VT复合微生物菌剂，结果表明添加菌剂的堆体升温速率和温度最高值明显高于对照组，并且促进了有机质分解和加快了水分散失。秦莉等[5]通过在堆肥中添加具有降解纤维素和金霉素功能的外源复合菌剂，来研究接种外源菌对堆肥的降解效率及抗生素类药物降解效果的影响。结果表明，添加的外源菌剂对纤维素降解有明显的促进作用，接种复合菌剂堆体中的金霉素降解率也显著高于对照组。宁志刚等[6]通过在猪粪的堆肥中添加固氮菌、溶磷菌、解钾菌三者同比例混合的复合微生物菌剂，研究其对猪粪堆肥的作用效果，结果表明复合菌剂接种量为1.5%、2.0%时，猪粪气味基本去除，作用效果明显。Vargas-Gare等[7]在堆肥试验中添加芽孢杆菌作为堆肥接种菌种，结果表明不同的堆肥原料对接种微生物堆肥的效果有不同的影响。目前利用新型微生物菌剂处理畜禽粪便已成为废弃物资源化领域的研究热点。

1.2 低温菌剂的应用

在冬季尤其是北方冬季低温状态下，堆肥发酵过程难以启动，而市场上的发酵剂均是常温或高温发酵剂，15 ℃以上才能应用，因此微生物菌剂在北方的推广受到了较大限制，而低温菌剂的出现很好地弥补了这一缺陷。籍宝霞等[8]把低温发酵剂添加到鸡粪的堆肥中，结果表明在日平均气温4.9～7.1 ℃情况下，使用低温发酵剂48～72 h即可启动废弃物发酵。采用好氧发酵方法，10 d内发酵温度可达70℃，发酵时间维持48 h以上。路伟明等[9]从冻土中筛选出低温纤维素分解菌并进行纤维素降解率测定，一菌株最高降解率达49.1%，并且该菌株可在20～30 ℃时较好地生长，在一定时间内能够维持堆体温度，易于启动自然存在于牛粪里的中温生物。由此可知在低温下使用低温菌对堆肥发酵的影响较大。

2 微生物菌剂对有氧发酵指标的影响

2.1 对温度的影响

温度的变化是反映堆体内微生物活性变化的一个重要指标，能很好地呈现堆肥过程所达到的状态。EPA（美国环境保护署）制定的相关标准[10]指出，堆体温度在50 ℃以上保持5～7 d，能够杀灭堆料中的致病微生物，是保证堆肥的卫生指标合格和堆体腐熟的重要条件。李玉红等[11]的试验结果表明，在堆肥初期添加微生物菌剂促进了堆体快速升温，较对照组提前1～4 d到达高温阶段（>50 ℃），添加菌剂能起到快速升温的作用，有效促进有机物料的腐熟进程。耿冬梅等[12]的试验表明，向堆料中接种微生物菌剂，能增加堆层中微生物总数，微生物通过协同作用，使堆层中的高温微生物迅速繁殖，提前实现堆肥的高温期。黄懿梅等[13]的研究结果表明，在堆肥中添加一定量的微生物菌剂，虽然对堆肥温度升高的作用不明显，但能加快堆肥发酵速度，缩短堆肥时间。由此可知，添加微生物菌剂对堆肥温度具有明显的促进作用，加速堆肥进程。

2.2 对水分的影响

水分是影响堆肥效果的一个重要参数[14]。在堆肥过程中，水分是微生物生长所必需的条件， 50%～65%的含水率最有利于微生物的分解。堆肥中的水分含量以一种热量的调节剂影响着堆肥微生物的活动[15]。施宠等[16]研究表明，接种微生物制剂的堆体水分下降速度最快。张金金等[17]通过人工接种Mix F-3菌剂对猪粪前期性质的变化进行研究，其中人工接种Mix F-3菌剂堆肥、添加灭活菌剂堆肥和自然堆肥含水率分别下降36.75%、33.54%和40.63%。由此可知，添加微生物菌剂可使堆肥中微生物活性增强，促进了微生物的新陈代谢，从而导致堆肥温度升高，加速水分蒸发。

2.3 对pH的影响

pH的变化是反映堆肥过程中微生物活性的另一个重要指标。一般认为，最佳pH为8.0左右，此范围内可显著提高初期的反应速度，缩短堆肥达到高温所需时间，堆肥可获得最大效率，亦可避免由堆肥反应时间过长所造成的臭味问题[18]。施宠等[16]的研究表明，添加菌剂的试验组pH一直处于较低水平，堆肥结束时堆体稳定在pH 8.0～8.1，符合腐熟堆肥pH 8.0～9.0的标准。王晓娟[19]通过对添加微生物菌剂的牛粪堆肥中各项指标的测定表明pH变化幅度较小，各处理组间差距不明显。由此说明接种微生物菌剂对pH的影响不大，但对堆肥中的pH具有调节和稳定作用，有利于堆肥中的微生物生长。

2.4 对碳氮比的影响

碳氮比（C/N）是影响堆肥效果的重要因素，碳是堆肥生化反应的能量来源，氮是控制生物合成的主要因素，也是反应速度的控制因素，堆肥过程的理想C/N比为20～35∶1[20]。刘克锋等[21]向猪粪的堆肥中添加不同的微生物，所有接菌处理的C/N比在第20天即降至20以下，并有7个处理的C/N比降至16以下，表明接菌对促进猪粪堆肥腐熟效果明显。由此可知，添加菌剂可以显著加快有机质的分解。

3 微生物菌剂对堆肥品质的影响

3.1 对氮含量的影响

在堆肥过程中，有机氮主要分布于微生物群落和腐殖质库中。在堆肥前期，堆肥微生物矿化分解有机氮，产生氨气，堆体产生的生物热量使氨气大量挥发，造成氮素损失的同时还产生了大量的恶臭气味。Martins等[22]的研究表明，粪便堆肥中NH3的损失高达79%。如何控制氮素的损失、提高堆肥的养分价值是研究的关键。Tiwari[23]分别比较添加纤维分解真菌、固氮菌及溶磷菌对堆肥总氮和C/N比的影响，结果表明，与对照相比，添加纤维分解真菌使不同底物堆肥含氮量提高8.3%～57.1%；添加固氮菌使不同底物堆肥含氮量提高10.3%～59.5%。李国学等[24]在鸡粪的堆肥中添加EM和FM菌剂，结果表明，两种外源菌明显促进了水溶性氨态氮的转化和水溶性有机氮的形成，对氮素保存有较好的效果。由此可知，添加微生物制剂可以调控堆制过程中的碳氮代谢，减少氮类物质以气态挥发控制臭味的产生，同时可提高堆肥产品总氮含量。

3.2 对磷、钾含量的影响

在牛粪堆肥各种处理中，牛粪中的P、K不可能通过挥发等形式损失，因此全磷、全钾含量最终不会有太大变化。堆肥过程中含磷化合物在微生物制剂作用下可以发生矿化，产生一部分可溶性磷，加之微生物分解代谢、有机态磷分解和堆体浓缩，使速效磷含量呈略增趋势。黄懿梅等[13]的研究表明，发酵剂可以提高堆体高温期发酵温度，堆体被浓缩，而钾在堆肥过程中损失较少，全钾含量明显增加。赵明梅等[25]分别将产于上海、山东、沈阳的3种菌剂加入到鲜牛粪中，结果表明，3种菌剂原始堆料和腐熟堆料的P、K含量相差很小。由此说明，添加微生物菌剂对于P、K保持是有益的。

4 微生物菌剂对堆肥中重金属的影响

近年来人们对污泥、牛粪等固体废弃物堆肥过程中的重金属污染状况比较关注。粪便中含有Cu、Zn等重金属元素，毒性较大，长期大量施用会使土壤和作物存在潜在的污染风险[26]。据谷杰等[27]的研究报道，当土壤中有效态Cu和Zn分别达到100～200 mg/kg和100 mg/kg时会造成土壤Cu、Zn污染。黄国锋等[28]研究了猪粪堆肥过程中重金属含量和形态的变化，发现堆肥处理能降低猪粪中重金属的有效性。重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由其形态分布所决定。刘浩荣等[29]采用Tessier法对重金属形态进行分级，得到了普遍认可与应用。解开治等[30]的研究表明，堆肥添加腐熟促进剂可极显著降低堆肥中有效态Cu的含量。因此，在堆肥中添加腐熟促进剂可以降低重金属有效态的浓度，减轻Cu对土壤的污染。由此说明，常用的微生物菌剂一般具有较强吸附性，通过对重金属进行有效吸附，可以降低其生物有效性。

5 微生物菌剂在堆肥中的应用前景

添加微生物菌剂可以加快堆肥过程，将粪便中有毒、有害物质转化为有机肥成分，这样既能提高粪便利用率，又能减轻环境污染，为实现畜禽废弃物的无害化处理和资源化利用提供了很好的条件。但由于微生物菌剂价格相对昂贵，从而增加了堆肥的成本，尚不能得到广泛的应用。因此价格低廉、高效的微生物菌剂对于废弃物处理具有很好的市场应用前景。另外，由于中国北方地区受地域温度等因素的影响，冬季低温状态下动物粪便的处理成为一个难题，严重影响了畜牧业的发展。而低温微生物菌剂罕有报道，因此在低温下进行堆肥发酵以及低温微生物菌剂的研发具有很大的发展潜力。

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