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基于高效稻稈降解復合菌系LZF-12強化堆肥效應(yīng)研究

鄭國香，劉天賦，李文哲，鄭文玲,張源倍，楊杰

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030）

摘要：以秸稈和雞糞為主要原料，將預(yù)處理過的稻草秸稈和新鮮雞糞按體積比1?1的比例人工混合均勻，調(diào)節(jié)原料C/N為26，保持其含水量在65%。常溫下以稻稈降解復合菌系LZF-12為強化菌株進行定向接種，以堆肥量（重量比）的0.2%進行接種，不接菌組設(shè)置為空白對照，堆體體積為3.0 m×1.5 m×2.0 m，堆制42 d進行秸稈雞糞組合堆肥效應(yīng)研究。結(jié)果表明，微生物菌劑LZF-12能夠加速堆體總碳和總氮的轉(zhuǎn)化速度，明顯加速堆體升溫，縮短堆體達到高溫所需時間，接入復合菌系LZF-12堆體達到50℃時間比對照組提前6 d；處理組堆體中纖維素含量減少的速度和幅度明顯大于對照組，而木質(zhì)素的含量在兩組堆體中減小變化幅度很小，差異性不大。堆肥結(jié)束，處理組的纖維素和半纖維素含量分別降解60.8%和73.4%，明顯高于不接菌的對照組；衡量堆體腐熟指標GI數(shù)值顯示，對照組和處理組的GI分別為84%和94%，達到腐熟標準。

關(guān)鍵詞：微生物復合菌劑；堆肥；強化特性

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-4-23 12:59:29

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150423.1259.013.html

鄭國香,劉天賦,李文哲,等.基于高效稻稈降解復合菌系LZF-12強化堆肥效應(yīng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2015, 46(4): 59-64. Zheng Guoxiang, Liu Tianfu, Li Wenzhe, et al. Effect of strengthening compost based on complex bacterial community LZF-12 with high straw-degradation ability[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(4): 59-64. (in Chinese with English abstract)

農(nóng)作物秸稈資源化利用有效途徑可通過秸稈和禽畜糞便混合堆肥或厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣實現(xiàn)，可緩解全球面臨的環(huán)境污染和能源危機問題[1-3]。秸稈中含量高達40%~50%的纖維素大分子被木質(zhì)素包圍，木質(zhì)素分子很穩(wěn)定，使秸稈中的纖維素難于被微生物分解利用，因而定向篩選和構(gòu)建高效分解木質(zhì)纖維素菌株，使其應(yīng)用到秸稈生物轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，將對減輕廢棄物帶給環(huán)境的壓力和纖維素資源的開發(fā)利用具有重要意義[4-6]。

微生物種類將影響堆肥化過程中有機物質(zhì)的分解效率，環(huán)境條件也對反應(yīng)體系內(nèi)微生物種群和數(shù)量產(chǎn)生動態(tài)影響，因此堆肥處理是一個復雜的微生物混合種群生態(tài)系統(tǒng)變化過程[7-8]。大量微生物群如細菌和放線菌是堆肥中有機物分解轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵生物群體，在自然條件下堆肥是相對較慢的底物分解過程，如果堆肥過程中定向接種外源功能微生物菌劑，將對堆肥體系的升溫速度、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和滅火病原菌產(chǎn)生重要的影響[9-11]，在一定程度上加快堆肥腐熟。

1　材料與方法

1.1供試菌種

經(jīng)過測定不同傳代菌液發(fā)酵特性和菌種組成，確定遺傳穩(wěn)定的中溫木質(zhì)纖維素降解復合系LZF-12，自制復合菌劑。

1.2方法

1.2.1物料性質(zhì)

試驗用新鮮雞糞取自農(nóng)戶，水稻秸稈取自東北農(nóng)業(yè)大學實驗田，秸稈切割為每段2 cm備用。供試材料理化性質(zhì)見表1所示。

表1　堆肥物料的理化性質(zhì)Table 1　Physical and chemical properties of compost materials

1.2.2試驗設(shè)計

將預(yù)處理過的稻草秸稈和新鮮雞糞按一定的比例人工混合均勻，調(diào)節(jié)原料C/N為26，保持其含水量在65%左右，然后按照堆肥量（重量比）的0.2%進行接種，堆體體積為3.0 m×1.5 m× 2.0 m，堆制42 d。0、6、12、18、24、30、26、42 d分別定期取樣，所取樣品分成4份，樣品風干磨碎過60目篩，干燥保存用于理化指標測定；其中一份在105℃下烘干測定水分；在堆制過程中每5 d翻1次。以不接種任何菌劑的處理為對照（CK）。

1.3分析方法

堆體溫度每天9: 00和15: 00各監(jiān)測1次，采用多點測量取平均值的方法，同時監(jiān)測環(huán)境溫度變化。堆肥樣品的物理化學指標分析方法參見文獻[7]。生物學指標種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的測定：用去離子水稀釋堆肥樣品，固液比1?5（W/V），吸取5 mL濾液于墊有濾紙和放置10粒青菜種子的培養(yǎng)皿內(nèi)，蓋上皿蓋，培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)48 h（25℃）后測定其發(fā)芽率和根長。每個樣品3次重復，同時以去離子水做空白試驗。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）=〔（處理發(fā)芽率）×處理根長/（空白發(fā)芽率×空白根長）〕×100%；FOSS公司Fibertec 2010型纖維分析儀對稻稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素進行測定，方法參見文獻[12]。

2　結(jié)果與分析

2.1溫度變化

溫度是堆肥時間的函數(shù)，影響堆體內(nèi)微生物種群變動，同時還影響堆肥過程的其他因素，使其隨著溫度變化而變化。如圖1所示，對照組的堆體溫度上升較緩，8 d時堆層溫度接近45℃，進入高溫階段，18 d達到最高溫度55.9℃；而相比之下，接入復合菌系LZF-12處理組的堆體溫度變化明顯，大致分為3個階段：1~4 d為升溫階段，5~24 d為高溫階段，25~42 d為降溫階段。堆層6 d時溫度達到50℃以上，第8天達到最高溫度68.5℃，隨后溫度逐漸下降進入后熟階段；整個試驗期間，外界環(huán)境溫度主要處于28.4~33.5℃范圍內(nèi)波動；對照組和處理組的溫度都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。堆體溫度變化表明，微生物菌劑LZF-12強化堆肥能夠明顯加速堆體升溫，縮短堆體達到高溫所需時間。

圖1　堆體溫度隨時間的變化Fig. 1　Temperature changes during composting process with time

2.2 pH變化

微生物的降解代謝活動需要一個相對適合的微酸性或中性的環(huán)境條件，同時pH對保留堆肥中的有效成分起到重要作用[13]；通過監(jiān)測兩組堆層內(nèi)pH變化趨勢發(fā)現(xiàn)，整個堆肥期間，兩組試驗堆體內(nèi)的pH變化趨勢相似，呈現(xiàn)先升后降的變化，如圖2所示，區(qū)別在于堆肥初期，接菌處理組的pH上升速度較快，第6天時pH由最初的7.24增加到8.21，可能是堆體定向接入外來強化菌系LZF-12，可以有效加快堆肥啟動速度，有機物質(zhì)被微生物利用發(fā)生礦化和氨化作用，產(chǎn)生大量的NH3引起堆體pH升高。6~24 d堆層中pH維持在8.21~8.51之間，隨后呈現(xiàn)下降趨勢，但幅度不大。由于隨著底物的降解，溫度的變化，堆體內(nèi)的微生物優(yōu)勢菌群發(fā)生著激烈競爭，出現(xiàn)分階段變化。堆肥后期NH3的濃度因不斷揮發(fā)而減少，此外，硝化細菌利用NH3進行的硝化作用不斷加強，將NH3轉(zhuǎn)化為硝酸。同時，該階段微生物活動還產(chǎn)生大量H+和有機酸，從而引起堆層內(nèi)pH下降。堆肥結(jié)束后接菌處理組和對照組的pH分別為8.34和8.08，與堆肥腐熟時pH在8.0~9.0之間的標準相符合[14]。

圖2　堆體pH隨時間的變化Fig. 2　pH changes during composting process with time

2.3堆肥過程中電導率及含水率的變化

電導率反映堆肥提取液中離子總濃度（EC），在一定程度上可反映秸稈雞糞堆肥化的熟化程度。堆肥過程中，在多種微生物的協(xié)同作用下，堆體內(nèi)有機物質(zhì)經(jīng)歷了固態(tài)—水溶性—無機小分子和離子的變化過程。圖3顯示，堆肥期間，對照組和接菌處理組的電導率顯示急劇上升隨后逐漸下降的變化波動。堆肥初期，隨著堆肥反應(yīng)體系內(nèi)有機物質(zhì)的分解，積累大量有機酸和NH4+導致pH急速上升，隨著微生物降解活性的增強，有機酸和NH3不斷被轉(zhuǎn)化[13]，堆體內(nèi)的電導率逐漸下降趨于一定范圍值波動。接菌處理組強化接入大量外源菌系，能夠在短時間內(nèi)加速堆體內(nèi)有機物的快速分解，結(jié)果顯示，處理組電導率達到最高峰值的時間比對照組縮短6 d，堆肥結(jié)束時，處理組和對照組的電導率EC值分別維持在3.65~4.02和3.48~3.77 mS·cm-1。

圖3　堆體電導率和含水率隨時間的變化Fig. 3　Changes of EC and water content during composting process with time

水分是堆肥的關(guān)鍵控制參數(shù)之一，其能夠溶解有機物，參與微生物代謝，同時能夠起到調(diào)節(jié)堆體溫度的作用[7]；但水分過高，將會降低堆肥效率，影響堆料的氣體輸送，抑制微生物的好氧代謝過程，導致厭氧分解并產(chǎn)生臭氣以及營養(yǎng)物質(zhì)的瀝出；水分過低，會影響微生物的代謝繁殖，有機物分解歷程延遲，導致堆體溫度難以上升，從而降低反應(yīng)速度。堆肥過程中的水分變化如圖3所示，對照組和處理組水分變化趨勢相似，呈現(xiàn)下降趨勢，接種LZF-12堆體水分損失速度快于對照組，6 d時堆體的內(nèi)水分含量由最初的65%下降到55.3%，損失14.9%，可能由于外源復合菌系的加入，加快堆體中有機物質(zhì)的降解，微生物代謝加快，消耗的水分也增加。同時，堆體溫度的快速升高，也將使堆體內(nèi)自由水蒸發(fā)加強[14]，雙重效應(yīng)都將影響整個堆肥過程水含量的降低。對照和接菌處理組的水分損失主要集中在升溫和高溫期，接菌組水分損失率占總水分損失率的52.4%~87.0%。

2.4堆肥過程中總碳和總氮的變化

有機物料中起始有效態(tài)碳、氮物質(zhì)及微生物代謝產(chǎn)生的碳、氮對堆體分解和氮的生物固定影響較大。有機碳作為微生物代謝能源和碳源，一部分被微生物分解為CO2和H2O，另一部分則在微生物作用下合成穩(wěn)定的有機質(zhì)（腐殖質(zhì)）存在。堆肥過程中對照組和處理組總碳含量總體變化呈逐漸降低趨勢（見圖4A），在0~6 d時間內(nèi)，接菌處理組的總碳含量下降迅速，在第6天時達到27.1%，總碳含量降低25.3%，總碳含量下降速度逐漸下降，到腐熟期階段，堆體內(nèi)的總碳含量維持在22.0%~23.3%；對比之下，對照組的總碳含量下降速度相對平緩，堆體在發(fā)酵12 d時，總碳含量為28.3%，下降22.3%，遲后于處理組?？梢?，接種復合菌系LZF-12可以加快有機底物的降解和轉(zhuǎn)化速度，實現(xiàn)堆肥發(fā)酵的快速啟動和運行。

氮源是堆肥過程中微生物直接利用合成蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、酶等細胞生長所需物質(zhì)的重要元素。有機物料中起始有效態(tài)氮素物質(zhì)及分解過程中產(chǎn)生的氮素物質(zhì)影響堆肥過程中物質(zhì)分解和氮的生物固定[7]。圖4B所示，對照組和接菌處理組內(nèi)有機物料的總氮含量變化自最初的堆肥啟動階段均呈現(xiàn)下降趨勢。其中接菌組在0~12 d，總氮由1.76%下降到0.86%，降低幅度為51.1%。隨后堆體內(nèi)的總氮出現(xiàn)上升趨勢，到底30 d堆層內(nèi)的總氮為1.35%，隨后逐漸下降趨于平穩(wěn)。對照組的堆體總氮呈現(xiàn)下降-上升-平穩(wěn)的變化，相對于接菌處理組，對照組總氮的變化波動幅度較小，42 d堆體內(nèi)的總氮含量為1.18%。

2.5堆肥過程中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的變化

本試驗堆肥利用的物料以雞糞和秸稈為主，因此，在整個生物降解過程中微生物對堆體物料中富含木質(zhì)纖維素的秸稈分解和轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。作物秸稈的主要成分是大量的粗纖維和無氮浸出物，還有一部分粗蛋白、粗脂肪、灰分和少量其他成分。秸稈和雞糞混合一起，這些富含纖維素的物質(zhì)，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素連接在一起構(gòu)成很難分解的物質(zhì)復合體。自然界中野生型的纖維素分解菌的降解活性低，影響底物的分解速度，致使發(fā)酵時間長，堆肥化效率較低[15]。因此，定向篩選和投加高效降解木質(zhì)纖維素的復合菌劑是縮短堆肥周期的有效方法之一。

圖4　堆肥中總碳總氮的變化Fig. 4　Content Change of total carbon and total nitrogen during composting process

圖5A結(jié)果顯示，對照組的纖維素含量在整個發(fā)酵過程中降低相對較少，從最初的26.0%降到20.1%，纖維素含量降低22.7%，而接菌處理組的纖維素含量是從堆肥初始的26.3%減少到14.7%，減少44.1%，降解幅度是對照組的1.94倍。

木質(zhì)素在纖維類物質(zhì)中占有一定的比例，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性和復雜性，很難被微生物降解轉(zhuǎn)化。圖5B的結(jié)果顯示，木質(zhì)素含量在兩個不同試驗組的變化趨勢相似，相對含量呈現(xiàn)上升趨勢，但木質(zhì)素的含量數(shù)值變化較小，接入復合菌系LZF-12處理組的木質(zhì)素在整個堆肥過程中的含量變化呈現(xiàn)下降-上升-穩(wěn)定的狀態(tài)，與纖維素、半纖維素含量相比，木質(zhì)素含量變化較小，本試驗結(jié)果和?？×岬慕Y(jié)果相似。

半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，這些糖是五碳糖和六碳糖，其中半纖維素木聚糖在木質(zhì)組織中占總量的50%，結(jié)合在纖維素微纖維表面，并且相互連接，這些纖維構(gòu)成堅硬的細胞相互連接的網(wǎng)絡(luò)，相比而言，半纖維素結(jié)構(gòu)比纖維素簡單，易于被微生物分解利用。圖5C的結(jié)果顯示，接菌試驗組和對照組堆體中半纖維素含量在整個過程中的下降均比較明顯。其中，接入LZF-12菌系的實驗組，堆體內(nèi)的半纖維含量在高溫期階段前半程（6~12 d）下降幅度和速度高于對照組，堆肥結(jié)束時，處理組的半纖維含量為4.6%，由最初的17.3%下降73.4%，是對照42.4%的1.73倍?？梢娞幚斫M接入功能稻桿降解復合菌系可以加速堆體纖維類物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，有利于微生物對底物營養(yǎng)物質(zhì)的進一步利用和消化，加快堆體的腐熟度。

2.6發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化

種子發(fā)芽率是評價堆肥腐熟程度指標之一，即通過對堆肥浸提液的生物毒性進行測試確定堆肥化的腐熟級別。有機物質(zhì)堆肥轉(zhuǎn)化過程中，經(jīng)微生物分解代謝產(chǎn)生一些中間具有生物毒性的代謝產(chǎn)物，如有機酸、多酚類化合物等物質(zhì)，將對植物種子發(fā)芽和植物生長產(chǎn)生一定的抑制作用[16-17]。研究表明，GI值達到80%~85%時，堆肥基本達到腐熟程度。本試驗的兩組堆肥后的種子發(fā)芽結(jié)果顯示（見圖6），添加微生物菌劑FLZ-12的處理組GI值在整個堆肥過程中呈現(xiàn)快速上升趨勢，上升幅度和速度明顯高于對照組，24 d時GI值達到83%，是對照組（GI=57%）的1.45倍。堆肥結(jié)束時，接菌處理組GI值為94%，完全達到腐熟指標。而對照組GI值在堆肥結(jié)束時為84%，低于接菌處理組，基本達到腐熟指標，需進一步發(fā)酵方可使堆體內(nèi)的物料完成腐熟?？梢姡ㄏ蛱砑油庠磸秃暇鷦㎜ZF-12能夠有效加速堆體內(nèi)有毒有害物質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化。

圖6　堆肥中發(fā)芽指數(shù)（GI）的變化Fig. 6　Change of GI during composting process

3　結(jié)　論

a.本試驗并未出現(xiàn)添加外源菌劑LZF-12與堆料中土著微生物競爭激烈的現(xiàn)象，微生物菌劑LZF-12在堆肥初期定向投加可明顯加速堆體反應(yīng)體系升溫，縮短堆體達到高溫所需時間，即接入復合菌系LZF-12堆體達到50℃時間比對照組提前6 d，加快以雞糞和秸稈為主要原料進行肥料轉(zhuǎn)化的啟動時間。

b. pH是微生物生長的重要條件，堆肥結(jié)束后接菌處理組和對照組的pH分別為8.34和8.08，達到堆肥腐熟時pH標準。對照組和處理組水分變化趨勢相似，呈現(xiàn)下降趨勢，由于外源菌劑LZF-12的定向強化，接菌處理組的堆體水分損失速度明顯快于對照組。

c.外源菌劑LZF-12的添加能夠加快有機物質(zhì)總碳和總氮的轉(zhuǎn)化速度，0~6 d時間內(nèi)，接菌處理組總碳和總氮含量下降迅速，在第6天時分別下降25.3%和36.4%，分解總碳和總氮的速度是對照組的1.85倍和3.7倍，前期的快速底物轉(zhuǎn)化有利于堆肥化進程縮短。

d.菌劑LZF-12是一組能高效降解富含木質(zhì)纖維素類物質(zhì)的微生物復合體，在堆肥初期定向接入復合菌劑LZF-12，接菌組纖維素和半纖維素含量減少的速度和幅度明顯大于對照組。堆肥結(jié)束，處理組的纖維素和半纖維素含量分別降解60.8%和73.4%，明顯高于不接菌的對照組。

e.添加稻稈降解復合菌系LZF-12能夠明顯加速堆體內(nèi)部分可降解物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，處理組GI值在整個堆肥過程中呈現(xiàn)快速上升趨勢，上升幅度和速度明顯高于對照組，24 d時GI值達到83%，是對照組（GI=57%）的1.45倍。處理組達到基本腐熟時間為24 d，比對照組達到腐熟時間提前18 d。

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Effect of strengthening compost based on complex bacterial community LZF-12 with high straw-degradation ability

/ZHENG Guoxiang, LIU Tianfu, LI Wenzhe, ZHENG Wenling, ZHANG Yuanbei, YANG Jie(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:The aim of this research was to study the influence of complex microbial community LZF-12 on the biodegradation in a controlled composting test. The compost inoculums were prepared by mixing biowaste-mainly comprising straw and fresh chicken manure-composting for 42 days and the composting volume was 3.0 m×1.5 m×2.0 m. As strengthening strains, the bacterial inoculums of LZF-12 were mixed with the sample at a ratio of 0.2% (dry weight ratio). Compared to the experimental group, the blank control group contained only compost raw materials. The results showed that the time reaching 50℃was fewer 6 days than that of control group, indicating the composting microbial system could accelerate the conversion of total carbon and total nitrogen, quicken temperature increment and shorten the time required to reach high temperature of compost. The speed and amplitude of the content of cellulose and hemicellulose decreased significantly higher than the control group, but the lignin could hardly be degraded and there was a little difference on variation of lignin content between

experimental group and control group, indicating the complex bacterial community had little effect on lignin's degradation. By the end of fermentation, the degradation rate of cellulose and hemicellulose in treated group were 60.8% and 73.4%, respectively, which significantly higher than those of control group. The index GI of control group and experimental group were 84% and 94% respectively, they all reached maturity. Our results demonstrated that it is benefit to decompose toxic and harmful substances by adding microbial inoculants during composting.

Key words:complex microbial inoculants, compost, strengthen characteristic

作者簡介：鄭國香（1972-），女，教授，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程。E-mail: zgx720331@126. com

基金項目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計劃項目（2013BAJ12B02）

收稿日期：2014-11-04

文章編號：1005-9369（2015）04-0059-06

文獻標志碼：A

中圖分類號：X705