周萬海，魏琴，王濤，馮瑞章，杜永華，龐建義

1(固態(tài)發(fā)酵資源利用四川省重點實驗室，四川宜賓，644000)2(宜賓學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，四川宜賓，644000)

醋渣是釀造食醋生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品。研究表明，每生產(chǎn)1 t標準的固態(tài)發(fā)酵二級食醋，就有600～700 kg醋渣產(chǎn)生［1］。醋渣由于含水量大、酸度大、腐爛慢、養(yǎng)分含量低、難分解物質(zhì)含量高等特點，常規(guī)方法處理有一定的難度。以醋渣為主要原料進行好氧堆肥是一條可供選擇的有效途徑［2］。

影響堆肥腐熟進程的因素很多，如溫度、C/N、堆肥物料等，而微生物是堆肥的主體，決定著堆肥的質(zhì)量和腐熟進程［3－4］。傳統(tǒng)的堆肥方法主要利用堆料自身存在的微生物進行自然發(fā)酵，但發(fā)酵時間長、肥效低。研究表明，通過人為接種各類微生物菌劑可增加堆料中微生物數(shù)量，調(diào)節(jié)堆肥菌群結(jié)構(gòu)，提高微生物活性，從而加速堆肥進程和提高肥效［5－7］。目前，對醋渣堆肥化技術(shù)的研究尚處于起步階段，成熟的技術(shù)也很少。鑒于此，本實驗以醋渣和一定量的油菜籽粕為原料，通過接種固氮菌和纖維素分解菌研究堆肥過程中堆體溫度、水分、pH值、總有機碳、粗纖維素及種子發(fā)芽指數(shù)的變化，探討微生物菌劑對加速醋渣堆肥腐熟和提高堆肥質(zhì)量的效果，以期為食醋釀造生產(chǎn)中醋渣堆肥的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

醋渣收集于四川省宜賓市天工釀造廠，油籽粕餅購自植物油品加工廠，供試材料理化性狀見表1;微生物由本實驗室選育、保藏，分別為纖維素分解菌(Bacillus aryabhattai)及固氮菌(Bacillus anthrac)。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)Table 1 Properties of materials in the compost

1.2 實驗設(shè)計

實驗于2012年5～6月在宜賓學(xué)院發(fā)酵資源與應(yīng)用四川省高校重點實驗室外進行。堆制前將醋渣與油籽粕餅以質(zhì)量比4∶1混合，調(diào)節(jié)混合物料的總含水率在59%～61%，尿素調(diào)節(jié)C/N為25左右，用生石灰調(diào)節(jié)pH值為7.0～7.1。實驗共設(shè)4個處理，處理1為不接菌的空白對照(CK);處理2為接種固氮菌(nitrogen-fixation bacteria，NF);處理3為接種纖維素分解菌(cellulose-decomposing bacteria，CD);處理4為纖維素分解菌和固氮菌1∶1混合接種(NF+CD)。處理2至4以體積比0.5%添加菌劑，處理1(對照)中加入等量滅菌培養(yǎng)基。將所有物料混合均勻后堆成堆體約1.5 m3，呈高為1 m的錐體，每個處理設(shè)3次重復(fù)。

1.3 實驗管理及樣品采集

堆肥開始后前2周，每3天翻堆1次，以后每7天翻堆1次;每天上午10:00和下午15:00分別測定堆肥溫度和環(huán)境溫度。堆肥溫度為堆體表面、中部和底部溫度平均值，環(huán)境溫度為堆肥裝置周圍1 m處溫度平均值。堆肥周期為56 d，每7天采樣1次，采樣方式為五點采樣法，即在中心及四角部位采集樣品共約400～500 g，充分混合后，分成2份，即新鮮樣品(貯存于4℃的冰箱中備用)和待風(fēng)干樣品。風(fēng)干樣品磨碎后過0.25 mm篩，用于總有機碳、全氮和粗纖維素含量的測定，鮮樣用于測定含水量、pH值和種子發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)。

1.4 測定方法

總有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定;全氮采用凱氏定氮法;粗纖維含量采用自動纖維素分析儀;含水量采用烘干法;pH值測定采用電極法測定。所有測定項目均設(shè)3次重復(fù)。

種子發(fā)芽指數(shù)測定:堆肥新鮮樣品與水按1∶10(質(zhì)量比)比例混合振蕩1 h，浸提液經(jīng)濾紙過濾后待用。把2片直徑為9 cm的濾紙放入干凈無菌的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中均勻播入25粒飽滿露白的小麥種子，用移液槍吸取10.0 mL上述堆肥濾液于培養(yǎng)皿中，同時以超純水為對照，每個樣品重復(fù)3次。將所有的培養(yǎng)皿放置于25℃培養(yǎng)箱中進行暗培養(yǎng)48 h，統(tǒng)計發(fā)芽率并測定根長，然后計算堆肥浸提液的種子發(fā)芽指數(shù) GI［8］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有實驗數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值和標準差，采用SPSS(13.0)軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物菌劑對堆肥溫度的影響

堆體溫度是微生物生命活動的重要標志，其變化能反映堆肥內(nèi)部微生物的活動，因此是反映堆肥成敗的一個重要物理參數(shù)和綜合性指標［9－10］。如圖1所示，各處理堆體溫度變化都經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期和穩(wěn)定期4個階段。NF+CD、NF、CD處理的堆體分別在第5、第7和第8天溫度升高到50℃以上，CK在第11天時達到50℃以上的高溫;NF+CD處理堆體的最高溫度為70.1℃，NF、CD處理最高溫度低于NF+CD處理(分別為68.1℃、66.4℃)，但高于CK處理(64.2℃);接種NF+CD、NF、CD菌劑處理的堆體55℃以上高溫持續(xù)時間分別為8 d、9 d和6 d，對照處理堆體55℃以上高溫持續(xù)時間為5 d;NF+CD處理從堆肥第19天開始，堆體溫度基本與環(huán)境溫度接近，直至堆肥結(jié)束，說明該處理在第19天時基本完成腐熟，進入后熟階段，NF和CD菌劑處理分別在24天和25天基本完成腐熟，而CK處理在32天時才基本完成腐熟。以上結(jié)果表明接種微生物菌劑增加了堆體中初始微生物數(shù)量，較自然堆肥能夠明顯加速堆體升溫，縮短堆體達到高溫所需時間和維持較長的高溫期，有利于堆體中有機成分的降解，特別是固氮菌和纖維素分解菌混合接種的處理效果更為明顯。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Changes of temperature during composting

2.2 微生物菌劑對堆肥水分含量的影響

堆肥過程中的水分具有保持微生物活性，溶解有機物及通過蒸發(fā)調(diào)節(jié)堆體溫度等多種作用，因此是堆肥工藝的另一重要物理參數(shù)［11］。由圖2可知，堆肥過程中各處理堆體含水率均呈逐漸降低的趨勢，但不同處理的堆肥含水率變化存在差異。堆肥結(jié)束時，NF+CD、NF、CD、CK各處理堆體含水率較堆肥前分別降低了42.7%、40.2%、38.7%和33.4%。分析各處理堆置過程的水分變化動態(tài)發(fā)現(xiàn)，NF+CD菌劑處理的水分損失主要發(fā)生在0～21 d，大約占整個堆肥過程水分損失總量的71.3%;其他3個處理的水分損失主要發(fā)生在0～28 d，28天時的水分損失量約占水分損失總量的69.2%～76.9%。含水率的降低與堆體的溫度、高溫持續(xù)時間及堆肥材料等因素有關(guān)，特別是升溫期和高溫階段堆體產(chǎn)生的大量生物熱將水分蒸發(fā)散失，是水分散失最快的階段［12－13］。

2.3 微生物菌劑對堆肥pH值的影響

適宜的pH值是微生物有效降解有機質(zhì)的重要環(huán)境因素，pH值的變化可以有效反映堆體中微生物的降解活動，反過來微生物的分解活動也會影響堆肥pH值的變化，進而影響堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量和腐熟度［14－15］。由圖3可見，堆肥過程中各處理的 pH值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中NF+CD處理在第7天即達到 8.2，CD和NF處理在第14天分別達到8.1和8.2，CK在第21天達到8.2;達到最高值后，隨著堆肥的繼續(xù)進行，各處理堆體pH值逐漸下降，堆肥后期各處理的pH值均穩(wěn)定在7.2左右。堆肥初期各處理堆體的pH值升高可能是因為該時期微生物氨化作用加強，有機氮大量轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3引起，接種微生物菌劑的各處理堆體pH值上升速度較快可能與微生物菌劑加速堆體升溫導(dǎo)致的氨化作用強烈有關(guān)［16］;堆肥后期有機物分解減少、蛋白質(zhì)等含氮物質(zhì)減少、氨氣的揮發(fā)及有機酸產(chǎn)生等原因?qū)е赂魈幚矶洋w的pH值在堆肥結(jié)束時降至7.2左右［6］。

圖2 堆肥過程水分含量值變化Fig.2 Changes of water content during composting

圖3 堆肥過程pH值變化Fig.3 Changes of pH value during composting

2.4 微生物菌劑對堆肥總有機碳及纖維素含量變化

由表2可知，在堆肥初期，堆體總有機碳含量為775.2 g/kg，堆肥結(jié)束時，NF+CD、NF、CD 和 CK 4 個處理總有機碳含量分別較堆肥前降低46.22%、40.49%、41.53%和32.2%，總體表現(xiàn)為有機碳含量的降低。在堆肥過程的升溫階段，微生物主要分解結(jié)構(gòu)簡單、易分解的有機物質(zhì)，4個處理的堆體在高溫階段有機碳降解的速率均較快，且與對照相比，接種微生物菌劑的3個處理有機碳降解更快，其中以NF+CD處理下降幅度最大，該處理在14天時有機碳含量為534.4 g/kg，較堆置前降低了31.1%，占整個堆肥過程有機質(zhì)碳降解率的67.2%;NF和CD處理在21天時的有機碳含量分別較堆置前降低了30.3%和30.1%，分別占整個堆肥過程有機碳總降解率的74.8%和72.4%，說明接種微生物菌劑能較好地促進有機物的降解，提高堆肥中有機物的降解率，加快了堆肥的進程。

表2 堆肥過程中總有機碳及纖維素含量變化Table 2 Changes of total organic carbon and coarse fibers during composting

堆肥物料中存在的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)是影響好氧堆肥進程的一個重要制約因素，由表2可知，本研究中4個處理的粗纖維含量在堆肥過程中都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其中，NF+CD處理變化最為顯著，其粗纖維含量由初始的26.7%降低到56 d后的16.2%，總降解率達39.2%;其次為單獨接種纖維素分解菌的處理，堆肥結(jié)束時的粗纖維素含量降低到16.9%，總降解率36.8%;單獨接種固氮菌的處理的總降解率為31.3%，對照處理變化較小，總降解率為28.1%;以上結(jié)果表明接種微生物菌劑有利于堆肥中纖維素類大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化，提高堆肥中可溶性小分子有機物質(zhì)的含量，促進碳素循環(huán)，提高堆肥品質(zhì)，原因可能是微生物菌劑的添加增加了堆肥初期微生物的群體數(shù)目，提高了菌群質(zhì)量，增強了微生物的降解活性［17－18］，從而表現(xiàn)接種微生物菌劑的處理其纖維素降解能力均高于對照。接種纖維素分解菌以后，在纖維素酶的作用下，堆料中難降解性物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，纖維素類物質(zhì)完全或部分降解［19］;而固氮菌和纖維素分解菌同時接種，固氮菌利用纖維素分解菌分解纖維產(chǎn)生的葡萄糖作為碳源，纖維素分解菌利用固氮菌固定的氮作為氮源，二者相互利用、相互依存［20］，加速有機物質(zhì)的分解和纖維素類物質(zhì)的降解，表現(xiàn)為NF+CD處理的總有機碳分解和纖維素降解率最高。

2.5 微生物菌劑對堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)

由圖4可知，隨著堆肥時間的延長，4個處理的GI值均呈現(xiàn)先降低再上升的趨勢，堆置前堆料浸提液處理的小麥種子發(fā)芽率約為16%，到堆肥第7天時4個處理的GI值均降低到7%左右，隨后接種微生物菌劑的3個處理GI值逐漸升高，CK的GI值繼續(xù)降低;堆肥結(jié)束時，固氮菌和纖維素分解菌同時接種的處理GI值達到89%，單獨接種固氮菌和纖維素分解菌的處理其GI值都為84%，CK處理為81%。用種子發(fā)芽指數(shù)來評價堆肥腐熟度，能更有效地反映堆肥對植物毒性大小，當(dāng)GI值達到80% 時，可認為堆肥已沒有植物毒性或已經(jīng)腐熟，而未腐熟堆肥的植物毒性主要來自于小分子有機酸、大量的 NH3和多酚等物質(zhì)［8，21］。本試驗中，接種微生物菌劑的3個處理其GI值均高于不接種處理，且與CK相比，NF+CD處理提前14 d，NF和CD處理均提前7 d達到腐熟水平，說明添加微生物菌劑處理對有機酸、胺類和多酚等物質(zhì)的降解比自然發(fā)酵快［22］。

圖4 堆肥過程種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig.4 Changes of germination index during composting

3 結(jié)論

本實驗結(jié)果表明，接種微生物菌劑可以加速堆體升溫，促使堆肥提前達到高溫期，從而加速堆肥過程，與對照處理相比，固氮菌和纖維素分解菌混合接種的堆肥腐熟時間可以縮短13 d左右，單菌接種的堆肥腐熟時間可以縮短7～8 d左右。堆肥過程中物料的水分含量持續(xù)降低，其中以固氮菌和纖維素分解菌混合接種的處理水分下降速率最快，且該處理的水分損失主要發(fā)生在0～21 d，其他3個處理的水分損失主要發(fā)生在0～28 d。pH值均呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢，到堆肥結(jié)束時，各處理的pH值均穩(wěn)定在7.2左右。與堆肥前相比堆肥結(jié)束時各處理的總有機碳含量降低32.2%～46.22%，粗纖維素含量降低28.1%～39.2%，接種微生物菌劑的處理其有機質(zhì)分解和粗纖維素降解率均高于不接種對照，其中NF+CD處理的效果最好。隨著堆肥時間的延長，4個處理的種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先降低再上升的趨勢，堆肥結(jié)束時各處理的GI值均大于80%，以NF+CD處理的發(fā)芽指數(shù)最高，且與CK相比，該處理提前14 d，NF和CD處理均提前7 d達到腐熟水平。因此，添加微生物菌劑能加速堆肥物料的有機物質(zhì)的分解和纖維素類物質(zhì)的降解，提高堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)，提前進入腐熟期，縮短堆肥時間，且混菌接種的效果高于單菌接種。

由于醋渣中難分解物質(zhì)含量高，養(yǎng)分含量低，因此，加強有機物質(zhì)的分解、營養(yǎng)成分的積累及纖維素的降解是醋渣堆肥充分腐熟的關(guān)鍵。研究表明，在經(jīng)過一次發(fā)酵后的初級堆肥上再接種菌劑，可以使堆溫又一次上升至60℃，并維持4 d以上，進行二次發(fā)酵，從而加速纖維素和木質(zhì)素的徹底分解，充分提高堆肥腐熟度［26］;此外，接種量、微生物種類及接種方式都決定著堆肥的腐熟進程。因此，在醋渣堆肥中這些因素均尚待進一步研究。

［1］蔣愛國.醬油渣醋渣加工優(yōu)質(zhì)飼料技術(shù)［J］.農(nóng)村新技術(shù)，2008(10):32－38.

［2］馮瑞章，魏琴，周萬海，等.醋渣高溫堆肥利用研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2014，40(6):172－175.

［3］任春曉，席北斗，趙越，等.有機生活垃圾不同微生物接種工藝堆肥腐熟度評價［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2012，25(2):226－231.

［4］Ros M，García C，Hernández T.A full-scale study of treatment of pig slurry by composting:kinetic changes in chemical and microbial properties ［J］.Science Direct，2006(26):1 108－1 118.

［5］李成學(xué)，宋建群，郭建芳，等.微生物菌劑“榕風(fēng)”在油枯堆肥中的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27(21):203－206.

［6］張曉倩，許修宏，王晶.添加木質(zhì)素降解菌對堆肥中酶活性的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31(4):843－847.

［7］殷培杰，孫軍德，石星群，等.微生物菌劑在雞糞有機肥料堆制發(fā)酵中的應(yīng)用［J］.微生物學(xué)雜志，2004，24(6):43－46.

［8］馮致，李杰，張國斌，等.不同微生物菌劑對玉米秸稈好氧堆肥效果的影響［J］.中國蔬菜，2013(12):82－87.

［9］李琬，許修宏.外源微生物對堆肥理化性質(zhì)及酶活影響的研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29(3):592－596.

［10］匡石滋，李春雨，田世堯，等.復(fù)合菌劑對香蕉莖稈堆肥中微生物和養(yǎng)分含量的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27(6):182－187.

［11］Riffaldi R，Levi-Minzi R，Pera A，et al.Evaluation of compost maturity by means of chemical and microbial analyses［J］.Waste Management and Research，1986(4):387－396.

［12］龔建英，田鎖霞，王智中，等.微生物菌劑和雞糞對蔬菜廢棄物堆肥化處理的影響［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2012，6(8):2 813－2 817.

［13］WEI Z，XI B，ZHAO Y，et al.Effect of inoculating microbes in municipal solid waste composting on characteristics of humic acid［J］.Chemosphere，2007，68(2):368－374.

［14］Liang C，Das K C，McClendon R W.The influence of temperature and moisture content sregimes on the aerobic microbial activity of a bio solids composting blend［J］.Bioresource Technology，2003，86(2):131－137.

［15］勾長龍，高云航，劉淑霞，等.微生物菌劑對堆肥發(fā)酵影響的研究進展［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，56(6):1 244－1 247.

［16］Nakasaki K，Yaguchii H，SasakiY，et al.Effect of pH control on composting of garbage［J］.Waste Management and Research，1993，11(2):117－125.

［17］匡石滋，李春雨，田世堯，等.高效纖維素分解菌在香蕉莖稈堆肥中的應(yīng)用研究［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29(25):194－198.

［18］Khalil A I，Beheary M S，Salem E M.Monitoring of microbial population and their cellulolytic activities during the composting of municipal solid waste［J］.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2001(17):155－161.

［19］趙小蓉，林啟美，孫焱鑫，等.纖維素分解菌對不同纖維素類物質(zhì)的分解作用［J］.微生物學(xué)雜志，2000，20(3):12－14.

［20］蒲一濤，鐘毅滬，周萬龍.固氮菌和纖維素分解菌的混合培養(yǎng)及其對生活垃圾降解的影響［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，1999(1):15－18.

［21］Zucconi F，F(xiàn)orte M，Monac A，et al.Evaluating toxicity of immature compost［J］.Biocycle，1981(22):54 －57.

［22］Wong M H.Phytoxicity of refuse compost during the process of maturation［J］.Environmental Pollution(Series A)，1985，37(2):159－174.

［23］Chefetz B，Hatcher P G，Hardar Y，et al.Chemical and biological characterization of organic matter during composting of municipal solid waste［J］.Journal of Environmental Quality，1996，25(4):776－785.

［24］王曉娟，李博文，劉微，等.不同微生物菌劑對雞糞高溫堆腐的影響［J］.土壤通報，2012，43(3):637－642.