接种内外源微生物菌剂对堆肥效果的影响

接种内外源微生物菌剂对堆肥效果的影响

徐 智1,张陇利1,张发宝2,梁丽娜1,李 季1* (1.中国农业大学资源与环境学院,北京 100193；2.广东省农业科学院土壤肥料研究所,广东 广州 510631)

摘要：在严格控制堆肥条件的堆肥反应器中,以鸡粪为堆肥基础原料,内源微生物M37和外源微生物VT为接种剂,研究了堆肥过程中温度、氧气浓度、C/N、水溶性碳(WSC)、发芽指数(GI)以及蛋白酶和脱氢酶的活性动态变化.结果表明,接种M37后,堆肥升温速度加快,且升温期氧气浓度下降速度最快.接种VT后能够增加堆肥高温期的温度,且高温期氧气浓度最低.接种内外源微生物菌剂,C/N下降速度快,WSC浓度相对高.堆肥结束时,GI值显著高于CK,有利于加快堆肥腐熟进程.M37有利于堆肥升温期的蛋白酶和脱氢酶的积累,在高温期,VT处理的蛋白酶和脱氢酶活性最强,促进堆肥的氧化还原反应. 关键词：堆肥；接种剂；酶活性；堆肥反应器

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2009)08-0856-05

Effects of indigenous and exogenous microbial inocula on composting in a bioreactor.XU Zhi1, ZHANG Long-li1, ZHANG Fa-bao2, LIANG Li-na1, LI Ji1* (1.College of Resources and Environmental Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China；2.Soil and Fertilizer Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510631, China ). China Environmental Science, 2009,29(8)：856~860

Abstract：Composting with chicken manure as raw material was carried out to study the effects of indigenous and exogenous inoculation on temperature, oxygen concentration, C/N ratio, water-soluble carbon (WSC), germination index (GI), as well as protease and dehydrogenase activity in different composting stages by using a composting bioreactor. The treatment with indigenous microbial inocula had higher temperature and lower oxygen concentration at the beginning of composting. Meanwhile, treatment with exogenous microbial inocula showed higher temperature and lower oxygen concentration at the high-temperature stage. Both treatments showed lower C/N ratio, higher WSC concentration and GI than CK in the end of composting. Indigenous microbial inocula increased the protease and dehydrogenase activity at the beginning stage of composting, and the same happened to the exogenous microbial inocula at the high–temperature stage of composting.

Key words：composting；inoculum；enzyme activity；bioreactor

堆肥化处理是将有机固体废弃物转化为有机质和氮等营养物质的有效途径,但是堆肥工厂化的发展受到因堆肥时间和场地带来的成本问题的困扰.为促进堆肥化的进程,一些学者相继开

-展了功能微生物接种剂方面的研究[13].有研究

-表明[48],堆肥过程中添加微生物菌剂能够迅速分解堆料中的有机物,使堆肥腐熟时间提前.也有

-学者[912]认为,接种微生物对加快堆肥进程或提高堆肥产品的质量没有明显作用,理由是堆肥原料中本身含有大量的微生物种类和数量,而且微生物的繁殖速度非常快,只要环境条件适宜,就会在较短的时间内快速繁殖起来而达到较大的数

量;另外,接种的微生物也同样存在着环境适应性和与土著微生物竞争的问题;堆肥是低附加值产品,增加接种剂势必会增加生产成本.

本研究利用一套卧式发酵仓的实验室堆肥装置,严格控制堆肥反应条件,分别采用内源、外源菌作为微生物接种剂,研究和比较接种剂对堆肥影响效果,为微生物接种剂在堆肥快速升温和

收稿日期：2008-12-24

基金项目：北京市生态学重点学科(XK10019440);北京都市农业学科群建设项目(XK100190553);广东省农业攻关项目(2006A20302001);广东省教育部产学研结合项目 (2007B090400101) * 责任作者, 教授, liji@cau.edu.cn

8期 徐 智等：接种内外源微生物菌剂对堆肥效果的影响 857

59影响堆肥进程方面的应用提供方法和依据. 1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥原料为风干鸡粪、糠醛渣和糖渣,均来自河北省藁城,原料的主要性质见表1.

表1 堆肥原料的基本性质

Table 1 Basic physical and chemical property of the

compost materials

原料

含水率 (%)

全碳 (g/kg)

全氮 (g/kg)

碳氮比 (C/N)

146 2 3 87 图1 堆肥反应器示意

Fig.1 Schematic map of the experimental reactor

1.发酵仓 2.电机 3.减速机 4.搅拌桨(轴) 5.探头 6.排气孔 7.流量计

8.风机 9.计算机系统

1.3 试验设计

鸡粪 17.2 180 15 12

试验设3个处理. CK(不加菌)、接外源微生糠醛 46.1 350 10 35

糖渣 41.7 468 12 39 物接种剂VT(接VT)和接内源微生物接种剂 M37(接M37).根据原料性质,将风干鸡粪、糠醛渣按照微生物接种剂的来源不同,本试验将来和糖渣按照质量比4∶4∶1混合均匀,C/N约为源于堆肥系统本身的微生物称为内源微生物接25,调节水分约为55%.菌剂均按照0.5%的量添种剂,将非本堆肥系统的微生物接种剂称之为外加.混合均匀后,于堆肥反应器中进行堆肥,同时源微生物接种剂.所采用的外源微生物接种剂以3.5kg/cm2的压力向堆体中送风,通风量为VT菌剂是一种堆肥发酵专用的商业菌剂,主要30L/min,通风频率为每间隔1h通风6min,每7d由芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌等多个菌株复合而翻堆1次.堆肥时间设计为15d. 成,有效活菌数为109 cfu/mL,由北京沃土天地生1.4 采样与测定 物科技有限公司提供. 分别于第0,3,6,9,12,15d在堆肥表层10cm处

以同样的堆肥原料和环境条件,进行一次堆采样.按5点采样法的原则,充分混匀.取干样和鲜肥的预备试验,当堆肥的发酵温度达到37℃时,取样各3份.干样风干备用,鲜样储存于4℃冰箱中5g堆肥原料,用50mL无菌水浸提,离心,取上清液待用. 25mL,加入到液态细菌培养基(每L培养基中含有温度和氧气浓度通过PT 100铂电极和GNL 5g牛肉膏、10g蛋白胨、1g K2HPO4和1g CaCO3, 8100型O2传感器在线监测.有机碳采用重铬酸pH值为7.0)内,37℃振荡培养2d,得到有效活菌量钾容量法—外加热法[15]测定;全 N 采用 H2SO4- 109数量级以上的混合菌剂(M37).此时的悬浊液为H2O2消煮,凯氏定氮法[16]测定.WSC采用重铬酸本试验的内源微生物接种剂. 钾氧化法[17]测定.蛋白酶、脱氢酶活性测定参照1.2 堆肥装置 文献[18]的方法测定.种子发芽指数(GI)测定:取

-装置为自制的堆肥反应器[1314],有效容积为5g鲜样加入50mL蒸馏水,振荡1h,吸取5mL滤100L,卧式圆柱形不锈钢罐体,外壁包有厚为液,加到铺有2张滤纸的9cm培养皿中,每个培养50mm的保温层,罐体内配有搅拌桨,便于自动翻皿播20粒甘蓝种子,30℃下培养48h,测定发芽率堆.配备强制通风系统,通过高精度远传数采系统,和根长,计算GI值. 将2个温度探头(PT 100铂电极),一个氧气探头

2 结果与分析

(GNL 8100型O2传感器)与计算机连接,实现温度和氧气的在线监测、记录和堆肥过程中操作的2.1 温度和氧气浓度变化 全自动控制(图1). 由图2可见,接M37处理的升温速度加快;

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接VT处理能够使堆肥高温期保持更高的温度.堆肥反应开始后,各个处理堆体内的氧气浓度迅速降低,接M37处理的氧气浓度下降速度最快(堆肥开始1d后),随着堆肥反应的进行,接VT的堆体氧气浓度相对于其他2个处理一直保持较低水平.

70.0 60.0 50.0 温度(℃) 40.0 30.0 20.0 10.0 CK 接VT 接M37 a. 温度进行到第9d以后,接VT和M37处理的水溶性碳含量显著高于CK(P<0.05),但接 VT 和接 M37处理间无显著性差异(P <0.05).

28.026.024.0C/N 22.020.018.016.014.0036 9 12时间(d) 15a. C/N CK接VT接M37 CK接VT接M37 25.0 20.0 氧气浓度(%) 15.0 10.0 5.0 CK 接VT 接M37 b. O2浓度WSC(g/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131415

时间(d)

18.016.014.012.010.08.06.04.02.00 b. WSC36 9 12时间(d) 15 图3 堆肥过程中C/N和水溶性碳(WSC)的变化 Fig.3 Changes of C/N and WSC during composting

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131415

时间(d)

图2 堆肥过程中温度和氧气浓度的变化 Fig.2 Changes of temperature and oxygen concentration

during composting

GI(%) 2.2 堆肥腐熟进程指标变化

2.2.1 C/N和WSC变化 随着堆肥反应的进行,各个处理C/N呈下降趋势(图3a).堆肥结束后3个处理的C/N值分别为15.5,15,14.2.WSC的变化如图3b所示.一般而言,随着堆肥的进行,堆肥物料中的碳被分解,为微生物的繁衍提供碳源,被微生物利用降解,WSC含量可能与物料的分解速度和微生物的利用有关.当堆肥进行到第3d时,接M37处理的WSC含量显著低于接VT和CK(P<0.05),这可能是因为M37是内源微生物,比较适应堆肥环境,有利于微生物的快速繁衍和增殖,而将WSC作为微生物碳源消耗的结果.堆肥

10095908580757065605550 CK 接VT 接M37 0

3

6 9 12时间(d)

15

图4 堆肥过程中发芽指数值(GI)变化

Fig.4 Changes of germination index during composting

2.2.2 GI值变化 随着堆肥过程的进行,各个堆肥处理GI值总体上呈上升趋势(图4).堆肥结束时,接VT和接M37处理的GI值均高于CK(P<0.05),但是,接VT和接M37的两处理间没有显著的差异性(P<0.05).CK、接 VT接M37的

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GI值从堆肥初期约50%,到堆肥结束时分别增加到77.7%,90.1%,86.8%. 2.3 酶的变化

2.3.1 蛋白酶活性变化 由图5可见,堆肥过程中的蛋白酶活性的变化趋势随着反应的进行先上升后下降.各个处理在堆肥进行到第3d时均到达峰值,活性显著高于接VT处理的(P<0.05),接VT处理的脱氢酶活性也显著高于CK(P<0.05). 3 讨论

温度是堆肥过程中生物能量积累的重要标志,本研究表明,接种微生物菌剂以后,对堆肥过接M37的处理蛋白酶活性上升得最快,其次是接VT处理的,此时接M37处理的蛋白酶的活性显著高于接VT处理的(P<0.05);接VT处理的蛋白酶活性也显著高于CK(P<0.05).堆肥进入高温期以后(6~9d),蛋白酶的活性迅速下降,并且接VT处理的蛋白酶活性下降的速度最快,其次为接M37处理的.

3500 ])3000 CK h⋅ g性(/2500 接VTg活μ,酶计2000 接M37白酸蛋氨1500 酪以1000 [500 0 3 6 9 1215

时间(d)

图5 堆肥过程中蛋白酶活性的变化

Fig.5 Changes of protease activity during composting

900 800 ])h700 ⋅性g(/600 活gμ酶,500 氢计E400 CK 脱PT300 接VT 以[200 接M37 100 0 3 6 9 1215

时间(d)

图6 堆肥过程中脱氢酶活性的变化

Fig.6 Changes of dehydrogenase activity

during composting

2.3.2 脱氢酶活性变化 堆肥过程中脱氢酶活性的变化随着反应的进行呈先上升后下降(图6).接M37处理脱氢酶活性上升得最快,且当堆肥进行到第3d时,达到峰值,此时接M37处理的脱氢酶

程温度的上升和高温持续的时间都有利,这一点

和其他人的研究结果一致[4-8].接M37后堆肥迅速升温的效果比较明显,甚至好于接VT;但是接M37处理的持续高温的效果不如接VT处理的效果好.因此,在堆肥微生物接种剂的应用方面,可能存在微生物的适应性问题,同时也存在微生物的优化与驯化的问题.温度和氧气浓度呈极显著

负相关关系(P<0.01),接种内源和外源微生物菌

剂以后,在堆体内氧气浓度变化上的差异说明了堆肥接种剂应用上的适应性和优化的问题. 当 C/N 为(15~20)/1[19]

和(终点 C/N)/(初始C/N)值<(0.5~0.6)[20]时,认为堆肥达到腐熟.WSC是评价堆肥腐熟进程的另一个重要指标,堆肥开始时WSC含量较高;腐熟后,堆肥WSC含量不超

过2.2g/kg. GI被认为是一种有效的生物学测定堆肥毒性的方法,当GI>80%时,植物毒性消除.按照上述指标判断,接种微生物菌剂有利于堆肥的腐熟进程的加快,接VT的效果要较接M37好,可

能是因为VT菌剂是一种经过优化驯化的商业菌剂,这是其维持高温效果好的原因. 酶是微生物活动的产物,反映微生物的活性和作用.堆肥启动时,微生物最先利用的是原料中蛋白、脂肪和糖等一类相对分子量小的化合物.

蛋白酶的活性反映这类微生物的活性,接M37处

理堆肥温度上升最迅速,说明这一类微生物较适

合堆肥条件,微生物增殖快,而达到迅速升温的效

果.脱氢酶的活性涉及到微生物的呼吸链,一定程

度上反映出微生物的活性[21], Barrena等[22]

认为,脱氢酶的活性可以用来描述微生物的活性,脱氢酶的活性与静态呼吸系数(SRI)呈正相关关系.这

与本研究中脱氢酶活性与氧气浓度成极显著负相关(P<0.01)与温度成极显著正相关(P<0.01)的结果一致.内源微生物接种剂在堆肥初期的启动和升温上有一定的效果,从堆肥高温阶段和整个

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堆肥过程的效果看,外源微生物的效果要明显一些,可能是由于内源微生物直接来自该堆肥系统,没有经过筛选和驯化,优势种不明显,所以在高温期的效果不如经过驯化和筛选过的商业微生物接种剂. 4 结论

4.1 接种内、外源微生物菌剂的处理堆肥升温速度较CK快,其中接种内源微生物菌剂的升温速度最快,接种外源微生物菌剂能够提高堆肥高温期的温度.堆肥反应开始后,接种内源微生物处理的氧气浓度下降速度最快,高温期接种外源微生物接种剂的氧气浓度最低.

4.2 接种内、外源微生物菌剂有利于加快堆肥的腐熟进程,堆肥结束后,接种内、外源微生物菌剂的C/N比较CK低,GI值较CK高.

4.3 接种内源微生物菌剂有利于升温过程中蛋白酶、脱氢酶的快速积累,促进堆肥的快速启动;接种外源微生物接种剂,在堆肥高温期脱氢酶的活性增强,有利于堆肥的氧化还原反应.

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作者简介：徐 智(1980-),男,湖北人,中国农业大学资源与环

境学院博士研究生,主要从事有机固体废弃物资源化利用的研究.发表论文11篇.