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(中国农业大学资源与环境学院，北京沃土天地生物科技有限公司，北京 1 00193)
堆肥是指在人工控制下，在一定的水分、C／N比和通风条件下通过微生物的发酵作用，将废弃有机物转变为肥料的过程。通过堆肥化过程，有机物由不稳定状态转变为稳定的腐殖质物质，其堆肥产品不含病原菌，不含杂草种子，而且无臭无蝇，可以安全处理和保存，是一种良好的土壤改良剂和有机肥料。堆肥的原料是城乡大量产生的有机固体废弃物，包括农村养殖粪便、作物秸秆、厨余垃圾、市政生活污泥、糖厂药厂废渣等。据估算，我国目前每年约产生各类有机固体废弃物36亿吨(鲜重)，并以年均约3亿吨的速度增长着。其中每年畜禽粪便产生量约25亿吨，秸秆产生量约7亿多吨，城市生活垃圾1．5亿吨，生活污泥1400万吨，另外每年还产生各类食品加工下脚料如糖厂滤泥、酒精废渣、药厂废渣等1000万吨以上。有机固体废弃物的处理与资源化利用已成为我国城乡环境治理与生态产业发展的重要方向。有机废弃物堆肥有着悠久的历史，自古以来我国农村地区就普遍将秸秆、落叶、野草、动物粪便及垫圈料等堆积在一起，进行发酵制成肥料。但是，真正对堆肥技术进行科学的探讨则始于20世纪初。根据美国公用事业协会(APWA) 报道，最早的堆肥工程工艺起于1925年的印度，当时英国的霍华德(Albert Howard) 先生开始把落叶、垃圾、动物及人的粪尿在土坑内堆成约1．5米高的堆体，经过 6个月两次的翻堆，即可获得腐殖质这样的产品，此法称为印多尔法(Indorc)。它之所以成功是因为堆体会像预言的一样可以发热，而且不会腐败。该方法的科学性表现在基质有了配方，另外有了操作的步骤描述。后来为了促进堆肥的好氧发酵，又提出了贝盖洛尔法(Beccari)，即将固体废物和人粪肥分层交替堆积，并使翻堆由一二次改为多次翻堆(堆积4．6个月)。20世纪70年代以后，许多堆肥工艺不断开发出来，如1972～1973年间美国农业部马里兰州的农业研究中心开发的通气静态堆工艺，也称贝特斯维勒(BELTSVILLE)工艺，还有如垂直通风搅拌固体床托马斯(EARP—THOMAS)工艺，日本的立式多层搅拌床式工艺(即塔式工艺)，爱温森(EWESON)转鼓式反应器系统以及比尔德(Beard)筒仓工艺等。据统计，国内外堆肥工艺多达百余种，仅不同密闭式反应器工艺就有45种之多。相对于西方发达国家现代堆肥业的快速发展，中国堆肥尚处在分散农户堆肥日益减少和工厂化堆肥开始起步这样一个阶段。总体上，由于长期忽视对固体废物的管理以及技术装备等的不足，·我国的堆肥产业目前仍处在一个发展初期，堆肥规模、堆肥厂的数量以及堆肥工艺水平基本停留在一个粗放式的简单加工阶段。但是面对每年大量产生的有机废弃物，未来处理任务将十分庞大，也预示着这一产业必将有着广阔的发展空间。
堆肥是一个生物学过程，在这一过程中，涉及的微生物数目巨大，种类繁多，不同的微生物可利用不同的碳源，每一类微生物都需要适合自身生长繁殖的环境条件，并且对某一种或某一类特定的有机物的分解起作用。堆肥过程中参与的微生物主要有：细菌、放线菌和真菌(包括霉菌和酵母菌)。从各种废弃物堆肥过程中分离到的微生物细菌主要有18种、放线菌16种、真菌 37种，具体名称详见下表。 其中，每克堆肥中细菌数目为108～109、放线菌数目为104～108、真菌数目为 103～106，藻类数目<104。 ><104。 整个堆肥过程中微生物的种群随温度的变化发生如下的交替变化：低、中温菌群为主转变为中、高温菌群为主，中高温菌群为主转变为中、低温菌群。 Wasksman等(1939)研究发现：堆肥温度在50℃时，中温真菌、细菌和放线菌非常活跃；65"C时，真菌极少，细菌和放线菌占优势；75"C时仅有产孢细菌是唯一存活的微生物。官家发(2000)研究的结论基本与Wasksman等的结论相同。 Wasksman和Cordon(1939)报道：在28℃以下和65℃以上，高温放线菌几乎不生长，50℃为生长最旺盛。陈华癸(1962)指出堆肥初期，是微生物旺盛繁殖并释放出热能来不断提高堆肥温度的发热阶段。Chang和Hudson(1967)也认为堆肥温度达到70"C时，中高温真菌都减少，当温度降低到65"C以下时高温真菌开始繁殖并在45℃时达到高峰。Safwat(1980)发现中温细菌数量高于高温细菌数量；纤维素降解细菌随温度的升高而增加，随后减少直到无法检出。刘婷(2002)等认为：细菌是中温阶段的主要作用菌群，对发酵升温起主要作用；放线菌是高温阶段的主要作用菌群；芽孢杆菌、链酶菌、小多孢菌和高温放线菌是堆肥过程中的优势种。冯明谦(1999)等认为：高温好氧堆肥能杀灭大多数的细菌，细菌和霉菌是堆肥的优势类群，芽孢杆菌和曲霉菌是堆肥的优势种。刘玉珠(2002)认为：随时间的进展，细菌逐渐减少，放线菌逐渐增多，霉菌和酵母菌在堆肥的末期显著减少。 K．Ishii等(2000)采用PCR扩增和DGGE分析法对堆肥过程中微生物群落的演替进行了较详细的研究，将堆肥化过程分为四个阶段：常温(o__4 d)、高温(仁13 d)、降温(13—32 d)、腐熟(32—5 d)。实验发现随着堆肥过程的进行，DGGE条带发生很大的变化：随着温度的升高，条带数减少，当温度降低时，条带数又逐渐增多，表明条带所代表的微生物种类也发生相应的变化。在堆肥初期的中温阶段，DGGE图谱中DNA条带分别与四种革兰氏阴性发酵菌的碱基序列相似；高温期的微生物分别与芽孢杆菌的Bacillus sp．，I&dibacillus和 Gracilibacillus具有很高的相似性；中温段的发酵菌消失，温度达到最高值时，凝结芽孢杆菌(日．coagulans)优势，该菌能够水解蛋白质，产生氨使pH上升。在降温阶段，高温段中的菌消失，出现新的条带，与S．multivorum，A．otitis， CI．fervidus，C1．filimentosum和Alcalige sp．相似，当易降解物质被分解后，这些菌可以降解残存的复杂组分：另外专性厌氧菌的出现表明堆肥中出现了适于厌氧微生物生存的厌氧环境。 在腐熟期，DGGE条带图谱更加复杂，出现了新的条带，与节杆菌属 (Arthrobacter)有关的绝大多数是土壤微生物。这些结果表明，堆肥末期的环境与土壤的寡营养环境相似。堆肥初期样品中DNA顺序与DNA数据库中的相关顺序具有很高的相似性，而末期相似性较低，表明早期出现的微生物易于分离，且研究得比较透彻，降温期、腐熟期出现的微生物难于培养和分离，对其研究较少，缺乏相关DNA顺序的数据。 Sabine Peters等(2000)用基于小亚基r RNA基因剖面的单链多态性PCR 技术检测了高温堆肥中微生物菌群的演替规律，结果与K．Ishii等的基本一致。 在整个堆肥中，微生物的活动主要分为三个时期：糖分解期、纤维素分解期、木质素分解期。堆制初期主要是氨化细菌、糖分解菌等无芽孢细菌为主，对糖分等水溶性有机物以及蛋白质类进行分解，称为“糖分解期”。当堆内温度升高到 50℃～70℃的高温阶段，高温性纤维素分解菌占优势，除继续分解易分解的有机物质外，主要分解半纤维素、纤维素等复杂有机物，同时也开始了腐殖化过程，这一阶段称为“纤维素分解期”。当堆肥温度降至50℃以下时，高温分解菌的活动受到抑制，中温性微生物显著增加，主要分解残留下来的纤维素、半纤维素、木质素等物质，称为“木质素分解期”。 堆肥化过程是一个微生物生态群落消长演替的过程，在这一过程中，随着温度、pH等环境条件的变化，微生物种群数量也会发生变化，并在不同的发酵阶段形成各异的优势菌群，从而对不同的有机物进行分解消化。
堆肥接种是指从多样化的环境或物料中分离驯化具有不同功能作用的优势微生物菌株，并通过培养发酵形成菌剂，然后将菌剂接种到堆料当中的一类方法。传统的堆肥腐熟过程主要是一个由自然微生物参与的生理生化过程，因而可以通过添加外源微生物来加速该过程。其原理是通过增加堆肥初期微生物的群体数量来加速有机物质的分解活动，产生大量的热量，使堆体迅速升温，从而缩短堆肥时间，降低对环境的不良影响，提高产品质量。 国外关于堆肥接种的研究始于半个多世纪前，并在日本、美国、韩国以及我国台湾地区得到广泛应用。美国加州大学伯克利分校卫生工程研究实验室的 Clarence G Golueke教授在西方最早开展了堆肥接种的研究。1954年，他与实验室其他研究人员利用马粪、已堆肥物料、微生物培养物和土壤作为接种剂进行堆肥，实验结果表明尽管接种剂富含大量微生物，但是对堆肥进程和产品质量均无显著效果，对于已经存在的土著微生物菌系而言，外源细菌的加入是多余的。究其原因主要是堆肥物料中优势微生物种群数量大，接种的微生物种群还未来得及繁殖成为优势种，堆肥物料中原优势微生物种已迅速繁殖，抑制了接种的微生物种群。另外堆肥有机物质的种类多，成分复杂，堆肥物料中优势微生物种已经对这些有机物有了较好的适应及分解利用能力；而接种的微生物种群还需适应这些有机物或对这些有机物分解利用不充分，从而达不到一定的效果。 20世纪30年代，我国土壤肥料学家彭家元与陈禹平根据好热性纤维分解菌的特点，研究了农村有机肥的快速堆制发酵方法，并成功富集培养出高温纤维分解菌，定名为“元平菌”，发表了《元平式速成堆肥》一文。文章认为，传统沤式堆肥法养分损失严重，堆制时间长，往往经过四五个月才达到全部腐熟，且常须翻堆，工作量大；而速成堆肥法则利用从土壤分离得到的好热性纤维分解菌，接种于堆肥，在高温下使堆肥纤维成分迅速分解，三周即可完全腐熟。另外前东北农科所推广的札札菌，是从厩肥、堆肥或马粪中分离出来的好热性纤维素分解芽孢杆菌，将这类菌加富培养制成菌剂，也可以加速堆肥的腐熟。我国早期的这些堆肥接种研究得出了与西方早期完全不同的实验结果，其原因由于实验过程描述有限、测定指标不一而难以给出科学评价。 近年来，国内外在堆肥接种研究方面取得了较大的进展。学者们主要针对接种剂对堆肥的作用、优质高效菌株及菌群筛选以及菌剂的接种量和接种时间等几方面问题进行了研究。khida(2001)等认为土著微生物种群可以降解畜禽废物，但是用羽毛降解专性菌则可以加快降解进程。电镜扫描结果表明，接种细菌比不接种细菌的处理角蛋白降解更完全，生物被膜形成的更早。Shanna等人(2009) 将筛选得到的丝状真菌接种于以麻风树外皮为原料的堆体中，结果发现，接种的处理具有较高的木质纤维素酶活性，在一个月内接种丝状真菌有利于麻风树外皮的腐熟；堆肥四个月时，发现由于丝状真菌木质纤维素酶作用，降低了堆肥中植物毒性，接种丝状真菌无论在麻风树外皮的腐熟还是降低植物毒性均有显著效果。从我们统计到的15篇国外研究文献中大部分表明接种是有效的，仅有3篇效果不佳。 近年来，我国学者广泛进行了堆肥接种研究，其中涉及到的微生物种类包括乳杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞杆菌属、固氮菌属、微杆菌属、木霉属、曲霉属、白腐真菌、裂殖酵母属、链霉菌属和高温放线菌属等，这些微生物多从自然界中分离获得，并在堆肥应用中取得了良好的效果。陈世和(1990)提出在原有的土著微生物基础上添加微生物菌剂或酶制剂能缩短堆肥周期。李国学等(1999)用鸡粪、稻壳和猪粪堆肥，添加质量分数为0.5％的快速发酵菌剂，可以加速稻壳堆肥进程，显著缩短发酵时间，一般堆制14～2ld即达到腐熟要求。庞金华等(1999) 在猪粪堆肥制作时，加入两种微生物制剂，可以快速提高堆肥升温速度，促进发酵腐熟，缩短堆制时间。席北斗等(2001)把复合菌剂加入到生活垃圾堆肥和污泥堆肥中，堆肥时间缩短18d。冯明谦(2000)筛选比较了625株细菌、153株霉菌、27株放线菌对果胶、淀粉、纤维素和半纤维素的降解能力。选用了降解能力和抗逆能力均强的芽孢杆菌、霉菌和放线菌各l株作为种子，进行了人工接种堆肥试验，试验表明，接种1．5％能缩短发酵时间16h。李季等(2000)筛选出9 株具有不同功能作用、繁殖速度快的细菌、真菌、酵母菌等，并经过组合，研制出能广泛用于畜禽粪便、市政污泥等有机废物堆肥的VT菌剂；席北斗(2003) 利用从环境中分离的微生物，通过诱变培育出活性较高的纤维素分解菌株，并将康氏木霉、白腐菌、变色栓菌与E M菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌按一定比例组合成高效复合微生物菌剂，应用于有机堆体，加速了堆肥温度升高与原料腐熟。胡菊等(2005)在堆体中接入VT菌剂后，与空白对照堆体相比较，C／N的降低的多，并且VT菌剂对堆肥有机碳分解及肥力的提高有一定的促进作用。李淑芹 (2008)从牛粪中筛选到一株耐低温的纤维素降解真菌，最适生长温度为20．25 ℃，能作为低温条件下堆肥的外加菌剂使用。籍宝霞(2009)在冬季使用低温发酵菌剂对鸡粪进行，研究表明在日平均温度为4．9-7．1℃，48-72h即可启动发酵。 根据我们对国内近10年70篇堆肥接种文献统计，接种菌剂效果普遍表现明显，只有8篇反映效果不明显。 堆肥接种效果主要表现为：加快升温，使高温持续时间延长；加速有机物分解；减少氮素损失，提高养分含量：提高堆肥过程中纤维素酶、脲酶等的活性和峰值；提高堆肥的腐熟度，缩短腐熟时间；提高堆肥产品肥效等作用。虽然目前一些学者对堆肥接种持怀疑态度，但许多研究结果对堆肥过程中接种菌剂的促进作用还是充分肯定的。另外菌剂的接种量一般为0．05％～5％，文献中所述的接种量大多为0．1％-1％，接种时间多为堆肥初期。
堆肥微生物属于环境微生物研究的一个分支，如同土壤、废水微生物研究一样，堆肥微生物过程及机理研究仍处于探索阶段。 堆肥过程是由多组微生物群落交替完成的，这些微生物群落的组成及动态过程许多是未知的，它们的有机物代谢过程也很少被研究。外源微生物引入堆肥后的变化过程也值得探讨，它们与内源微生物如何发生联系以及如何发挥作用目前尚属一个谜团。堆肥及生物堆肥对土壤的改良作用，特别是在土壤生物多样性提高、抗病性增强以及提升土壤质量和保障土壤持续性方面的作用已得到大量田间试验证实，但堆肥中的微生物如何参与这一过程并发挥作用还值得探讨。 在堆肥微生物应用方面也存在着众多研究课题。什么样的堆肥微生物组合才是一个有效的组合?不同微生物菌株构成的微生物菌剂如何实现功能的最大化?堆肥接种时间及接种效果如何保证?如何开发适宜于不同地区、不同原料的发酵菌剂?这些均需要进一步的研究。 可以预见的是，随着我国有机废弃物生物处理及资源化的推进，基于堆肥微生物研究的堆肥工业、土壤有机质提升和持续农业发展将前景广阔。 |
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