梅麗娜,姚 拓,劉雯雯,王小利,孟軍江

(甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅蘭州 730070)

蘑菇渣是生產蘑菇過程中產生的有機固體廢物。在各大中城市的城鄉(xiāng)接合地分布著大量蘑菇生產基地,蘑菇生產過程中產生的廢棄物,尤其是蘑菇渣得不到較好的處理,污染了居住環(huán)境,并且影響了蘑菇的規(guī)?；a[1]。

有機廢物堆肥有著悠久的歷史[2],自古以來我國農村地區(qū)普遍將秸稈、落葉、野草、動物糞便及墊圈料等堆積在一起,進行發(fā)酵制成肥料。通過有機堆肥可以將令人討厭的廢物轉變?yōu)橐子谔幚淼奈锪?也可創(chuàng)造有價值的商品即堆肥產品。堆肥是有機物穩(wěn)定化的過程,影響堆肥化進程和堆肥質量的因素很多,除了水分、溫度、pH 值及通氣條件等因素外,微生物也發(fā)揮著不可替代的作用[3-5]。微生物的種類、數(shù)量影響著堆肥化進程和堆肥質量。許多學者從多樣化的環(huán)境或物料中分離出具有不同功能作用的微生物,并篩選出優(yōu)勢菌株,通過培養(yǎng)馴化,用于堆肥接種,以達到縮短發(fā)酵周期、減輕或消除物料臭味,提高堆肥產品質量的目的。本試驗以蘑菇渣廢棄物為原料,研究接種外源微生物對蘑菇渣堆肥過程中一些指標的影響,旨在為蘑菇渣利用和改善環(huán)境提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 菌糠 采收種完平菇后的新鮮廢料,主要成分為棉籽殼。pH6.56,有機質44.5%,全N 1.58%,C/N 28.1。菌糠預處理:將新鮮菌糠粉碎過2 cm篩,加水至能夠手捏成形,指縫有水跡?；旌暇鶆蛑缶殖?堆。

1.1.2 外源微生物 聯(lián)合固氮菌W5、C6和W6;溶磷菌P191,P92和P170,甘肅農業(yè)大學草地微生物多樣性實驗室提供。

1.2 方法

1.2.1 外源微生物接種液制作 菌種純化之后進行擴大培養(yǎng),固體和液體培養(yǎng)基均為 LB培養(yǎng)基。擴大培養(yǎng)24 h后,在波長660 nm下調節(jié)OD值(OD值＞0.5,即活菌數(shù)＞108),并用無菌水調節(jié)使各處理OD值相同。

1.2.2 菌糠接種堆肥 將調節(jié)好OD值的固氮菌菌液1 000 mL、溶磷菌菌液1 000 mL分別加入2個堆體中,分別攪拌均勻。另設不加菌液的處理為對照,共計3個堆體。堆肥地點為甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院試驗地,堆體橫截面為梯形,堆體大小為高 80 cm,寬80 cm,長 150 cm 。

1.2.3 堆肥管理 試驗設置3個處理,即N處理(聯(lián)合固氮菌混合接種物)、P(溶磷菌混合接種物)和對照CK(不接種)。于2007年6月3日開始堆肥,堆置期2個月。每天早8:00,晚20:00在堆體上、中、下3點測定堆體溫度 ,并在堆制的第 3、16、26、46、60 d進行人工翻堆。在堆置過程中每天觀察水分的散失情況,如水分小于60%立即補水。

1.2.4 采樣與測定 在堆置前及每次翻堆時采樣,從堆體上中下各分 5點進行采樣,采樣1 kg,縮份至100 g,然后進行pH值、E4/E6值的測定。取樣10 g,固液比1∶10,160 r/min振蕩20 min,取上清液測定pH值;E4/E6值采用吸取上清液在波長465 nm,665 nm下測定吸光值,大于2時稀釋,其比值不變。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度變化

3個處理在堆肥第3 d,即48 h之后溫度均達到50℃,在50℃以上保持了5 d(圖1)。3個處理均是良好的堆肥系統(tǒng),高溫維持時間也達到了標準,起到了殺滅治病微生物的作用,滿足堆肥無害化衛(wèi)生標準的要求。各處理在堆肥過程中的溫度變化趨勢基本相同,但是,接種固氮菌的處理在前期溫度上升最快,并且在環(huán)境溫度較低時,仍然能保持較高溫度,說明接種固氮菌的處理具有較好的保溫作用。堆肥后期,3個處理的溫度趨于相同。

圖1 菌糠堆肥溫度變化Fig.1 Changes of temperature in different composts

2.2 堆肥過程中pH值變化

堆肥初始pH值相對較高,這是因為在初期加入了生石灰,以使棉籽殼更有利于食用菌的生長。隨著時間延長,各處理pH值下降,到第3 d達到最低,可能堆肥初期,微生物利用易分解的有機質快速繁殖,大量有機酸產生,導致pH值迅速下降,之后由于有機酸的揮發(fā)和氨的產生,各處理pH值回升,到堆肥后期緩慢上升并趨于穩(wěn)定(圖2)。這種變化趨勢可以說是堆體中微生物群落演替和主要代謝產物變化的結果。隨著堆體溫度的升高,其中嗜熱微生物會逐漸代替中溫微生物成為優(yōu)勢菌群,出現(xiàn)了堆體內微生物群落的演替,而不同的微生物菌群產生的主要代謝產物其酸堿性有所不同,從而使得pH值波動。但從整個過程來看,3個處理之間差異不顯著,而且趨勢相同。

2.3 堆肥過程中的腐殖化

由于堆肥過程中伴隨著腐殖化的過程,研究各腐殖化參數(shù)的變化是評價腐熟度的重要方法。腐熟度就是堆肥腐熟的程度,即堆肥中有機質經過礦化、腐殖化過程最后達到穩(wěn)定的程度。由于堆肥原料、堆肥條件、堆肥工藝、對堆肥產品的要求的復雜性,堆肥的腐熟度也變得相當復雜。自20世紀60年代以來,國外就開始研究堆肥腐熟度問題,我國(1988年)才有1篇關于堆肥腐熟的研究報告。但直到現(xiàn)在還沒有制定出統(tǒng)一的權威的評價堆肥腐熟度的標準參數(shù)和方法。

圖2 菌糠堆肥pH值變化Fig.2 Changes of pH value in different composts

3個處理的E4/E6值總體均呈現(xiàn)降低的趨勢,符合腐殖化的規(guī)律(圖3)。在堆肥第2～16 d這一階段,3個處理差異較大。固氮菌處理的E4/E6值從初始的2.31迅速降低到1.74,之后又回升到1.84;溶磷菌處理從初始的2.31平緩下降到2.22,之后降低到1.97;對照CK從初始的2.31迅速下降到1.92后一直保持較平緩的變化趨勢。說明在堆肥第1階段,即高溫階段,堆肥腐殖化的速度依次為N、CK、P。在堆肥的第2階段,即后熟階段,固氮菌處理的E4/E6值一直保持在最低水平,當堆肥進行到第46 d之后,小分子化合物基本完全轉化為大分子化合物,堆肥的腐殖化進程基本結束,E4/E6值趨于穩(wěn)定。通常堆肥接種會加快腐殖化進程,但是與CK相比,固氮菌處理有明顯的加快腐殖化的作用,而溶磷菌處理的變化不是很明顯。

圖3 菌糠堆肥過程中E4/E6值的變化Fig.3 Changes of E4/E6 value in different composts

各種腐殖化系數(shù)包含一種以上的指標測定,涉及到的指標比較多,且各種腐殖質的測定都比較繁瑣。為此選擇一個描述腐殖酸品質和芳構化程度的重要指標E4/E6值來描述堆肥腐殖化作用大小,即堆肥腐殖酸在波長465和665 nm處吸光度比值,稱為E4/E6值。E4/E6值不與腐殖酸分子數(shù)量有關,而與腐殖酸分子大小與分子的縮和度大小有直接關系,通常隨腐殖酸分子量的增加或縮和度增大而減小。隨著堆肥進程的延長,一些大分子的腐殖酸逐漸形成,E4/E6比值呈降低趨勢[6-9]。

3 討論與結論

(1)堆肥的溫度變化是反映發(fā)酵最直接、最敏感的指標。堆肥過程分為升溫、高溫和降溫階段3個[10]。在升溫階段,堆體溫度逐步從環(huán)境溫度上升到45℃,主導微生物以嗜溫性微生物為主,包括真菌、細菌和放線菌,分解底物以糖類和淀粉為主。堆溫升至45℃以上高溫階段,在這一階段,嗜溫微生物受到抑制甚至死亡,而嗜熱微生物則上升為主導微生物。堆肥中殘留的和新形成的可溶性有機物質繼續(xù)被氧化分解,復雜的有機物如半纖維素-纖維素和蛋白質也開始被強烈分解。現(xiàn)代化堆肥生產的最佳溫度一般為55～60℃[13],這是因為大多數(shù)微生物在該溫度范圍內最活躍,最易分解有機物,而病原菌和寄生蟲大多數(shù)可被殺死。高溫階段必然造成微生物的死亡和活動減少,之后進入低溫階段。在這一階段,嗜溫性微生物又開始占據優(yōu)勢,對殘余較難分解的有機物做進一步的分解,但微生物活性普遍下降,堆體發(fā)熱量減少,溫度開始下降。接種外源微生物菌群的目的是為了使堆體溫度快速上升,在50～60℃高溫區(qū)維持一段時間,有機物充分降解并最大程度地殺滅病原菌。

試驗表明,N處理是良好的堆肥系統(tǒng),高溫維持時間也達到了標準,滿足堆肥無害化衛(wèi)生標準的要求。接種固氮菌的處理在前期溫度上升最快,并且在環(huán)境溫度較低時,仍然能保持較高溫度,說明接種固氮菌的處理具有很好的保溫作用。

(2)pH值是影響微生物生長繁殖的重要因素之一,影響整個堆肥過程。雖然不同研究得出的堆肥微生物適宜的pH值范圍存在差異[10],但大量研究結果表明,多數(shù)堆肥微生物適合在中性或偏堿性環(huán)境中繁殖與活動。有機物料堆積過程中,堆內酸堿度是變化的,微生物的降解活動,需要一個微酸性或中性的環(huán)境條件,pH值過高或過低都不利于微生物的繁殖和有機物的降解。本試驗中接種外源微生物對pH值影響較小。在堆肥初期,微生物利用易分解的有機質快速繁殖,大量有機酸產生,導致3個處理的pH值迅速下降,之后由于有機酸的揮發(fā)和氨的產生,各處理pH值回升,到堆肥后期緩慢上升并趨于穩(wěn)定。這種變化趨勢可以說是堆體中微生物群落演替和主要代謝產物變化的結果。

(3)堆肥過程中伴隨著腐殖化的過程[7]。3個處理的E4/E6值總體均呈現(xiàn)降低的趨勢,符合腐殖化的規(guī)律。在堆肥第1階段,即高溫階段,堆肥腐殖化的速度依次為N、CK、P。多數(shù)研究者和堆肥者認為,用于堆肥接種的微生物都是通過壓力篩選,比絕大多數(shù)土著微生物具有更強的抗逆性、更好的適應性,繁殖速度快,因此,堆肥接種能大幅度地提高產品質量,但本次堆肥試驗中,雖固氮菌處理有明顯的加快腐殖化的作用,但溶磷菌處理的變化不是很明顯。對蘑菇渣堆肥接種本試驗室提供的外源微生物,固氮菌混合接種物對堆肥保持較高溫度有好處,具有較好的保溫作用;但接種外源微生物對pH值影響較小;接種固氮菌處理在堆肥進行的46 d內,E4/E6值一直保持在最低水平,較對照明顯加快腐殖化作用。而溶磷菌混合接種物對堆肥的影響較小,與對照差異不顯著。

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