聶曉瑀，于春靜，盧 倩，崔繼哲

（哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，哈爾濱 150025）

0 引言

農(nóng)作物秸稈是指農(nóng)作物主產(chǎn)品在收獲后所遺留下的莖、桿和葉等附屬產(chǎn)品。中國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈資源十分豐富。中國每年農(nóng)作物秸稈資源理論產(chǎn)量約為9.0億t，約占世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%[1]；2019年的產(chǎn)量已位居世界第一位，超過了10.4億t，其中玉米、水稻和小麥三大糧食作物所產(chǎn)生的秸稈數(shù)量之和占到秸稈資源總量的80%左右[2]。雖然中國每年產(chǎn)生數(shù)量巨大的農(nóng)作物秸稈，但是秸稈的利用率很低，大量秸稈被簡單棄置或焚燒處理。廢棄秸稈占用土地空間、浪費資源，焚燒秸稈不僅可能會誘發(fā)火災，而且還會產(chǎn)生大量的煙霧、灰塵和有害氣體，嚴重影響空氣質(zhì)量，污染環(huán)境。近些年來，國家對環(huán)境保護方面的重視程度逐年加大，“綠水青山就是金山銀山”這一理念逐漸深入人心，如何科學高效的利用秸稈，使其變廢為寶，已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。

農(nóng)作物秸稈的主要成分是木質(zhì)纖維素，它主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素3種物質(zhì)組成[3]，含有大量的碳、氮、磷、鉀等各種元素以及蛋白質(zhì)和脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種寶貴的生物資源[4]，將其進行堆肥利用是一個重要的發(fā)展方向。秸稈堆肥主要是在一定的營養(yǎng)物質(zhì)、溫度、水分等環(huán)境條件下，堆體中廣泛存在的微生物大量生長繁殖，促進秸稈分解的過程。

根據(jù)對氧氣需求的不同，堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥。好氧堆肥是通過微生物的降解作用來利用農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的一種重要方法，在這個過程中，微生物通過生長代謝等生命活動，將作物秸稈中的有機物降解轉化成穩(wěn)定的有機腐熟肥料[5]。與傳統(tǒng)的秸稈就地焚燒或者直接就地還田等秸稈處理方法相比，好氧堆肥因其具有降解快、成本低、操作簡單、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，是實現(xiàn)秸稈廢棄物資源化、減量化、無害化的一種有效途徑[6-7]，具有十分廣闊的應用前景。本研究從農(nóng)作物秸稈的好氧堆肥降解及其影響因素，好氧堆肥過程中微生物的降解作用高酶活外接菌劑的降解效果等幾方面進行綜述，以期為秸稈好氧堆肥過程中微生物的作用機制研究提供參考。

1 農(nóng)作物秸稈的好氧堆肥降解及其影響因素

作物秸稈好氧堆肥是多種微生物在適宜的理化條件下對堆肥原料中的有機物進行腐殖化的過程，這一過程包括復雜的物理、化學以及生物變化[8]。在好氧堆肥過程中，秸稈中容易吸收的可溶性有機物質(zhì)，微生物會將其通過細胞壁和細胞膜直接吸收利用；對于難以直接吸收的固體和膠狀有機物質(zhì)，微生物會把它們吸附在體外[9]，通過微生物合成分泌的一些胞外酶會將其降解為簡單的有機物和無機物，同時合成一些新的物質(zhì)，包括腐殖質(zhì)等[10]。秸稈降解酶主要包括纖維素酶、半纖維素酶和木質(zhì)素酶。纖維素酶是降解纖維素及其衍生物的一系列酶的總稱，主要包括內(nèi)切葡聚糖酶(EG)、外切葡聚糖酶(CBH)和β-葡萄糖苷酶(BG)，3種酶協(xié)同作用下將纖維素降解成葡萄糖單體[11]。半纖維素酶主要以木聚糖酶和甘露糖酶為主，其中木聚糖酶發(fā)揮最關鍵的作用[12]。木質(zhì)素酶一般是由真菌分泌產(chǎn)生的一系列胞內(nèi)酶和胞外酶[13]。發(fā)揮主要作用的3種木質(zhì)素降解酶是：以多酚氧化酶為主的漆酶(LaC)以及以血紅素糖蛋白為主的錳過氧化物酶(MnP)和木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)[14]。這些酶通過相互之間的協(xié)同作用來達到降解木質(zhì)纖維素的目的。研究并利用這些由降解菌產(chǎn)生的多種多樣的降解酶，將會為進一步促進木質(zhì)纖維素的降解提供十分重要的理論依據(jù)。

溫度是影響秸稈好氧堆肥的一個重要因素，通常情況下，堆溫在40～65℃較為適宜[15]。堆肥產(chǎn)生的高溫能夠有效殺死秸稈堆料中可能存在的一些病原菌及寄生蟲以及雜草種子等有害物質(zhì)，最終得到無害的有機堆肥產(chǎn)品[16]。根據(jù)溫度變化，好氧堆肥過程一般分為4個階段：升溫階段、高溫階段、降溫階段以及腐熟階段[17]。堆肥開始的1～3天為升溫階段，堆溫一般在15～45℃之間，堆體中含有的有機物如可溶性糖、可溶性蛋白以及脂肪等被一些優(yōu)勢微生物（即嗜溫菌）迅速降解利用，嗜溫菌大量繁殖，產(chǎn)生了一些小分子物質(zhì)如H2O、CO2、有機酸等，同時釋放了大量熱量，之后隨著堆肥的進程，堆溫迅速升高[18]。當堆溫上升到45℃以上時，就標志著進入了堆肥的高溫階段，這一階段通常持續(xù)10～20天左右。隨著堆溫陸續(xù)升高，嗜溫微生物生命活動受到抑制甚至出現(xiàn)大量死亡，而一些嗜熱微生物生長旺盛，成為了這個階段的優(yōu)勢菌群。上一階段殘存以及新生成的可溶性有機物繼續(xù)降解，作物秸稈中像纖維素、果膠、木質(zhì)素等難降解的化合物也陸續(xù)開始分解。好氧堆肥開始進入了比較穩(wěn)定的狀態(tài)，腐殖質(zhì)開始形成[19]。在高溫階段，秸稈堆體中纖維素等大部分高分子量有機物已經(jīng)基本被完全降解，只剩木質(zhì)素類等難降解的有機物及部分新形成的腐殖質(zhì)。由于缺乏適宜的營養(yǎng)物質(zhì)，嗜熱微生物的活性大幅降低甚至大量死亡，微生物代謝釋放的熱量減少，堆溫隨之下降，有機物的組成漸漸趨于穩(wěn)定，即進入降溫階段[20]。隨著堆溫持續(xù)下降，堆肥進入腐熟階段，在該階段嗜溫微生物又開始活躍起來，它們大量繁殖重新形成優(yōu)勢菌群。在微生物作用下，堆體中殘余的部分復雜的難降解物質(zhì)會被進一步降解，腐殖質(zhì)含量進一步增多，堆肥腐殖化程度進一步提高。通常腐熟階段持續(xù)20～30天左右。當堆溫下降到40℃左右時，作物秸稈堆肥基本達到了穩(wěn)定狀態(tài)[21]。

除溫度外，秸稈好氧堆肥過程還受到其他因素的影響，例如含水率、pH值、C/N、有機質(zhì)含量、含氧量、堆料的顆粒度、堆體大小、添加劑等[8,22]。在實際生產(chǎn)應用中，若進行大規(guī)模農(nóng)作物秸稈堆肥，須根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)控制各個好氧堆肥因素，以保證堆肥過程高效進行，最終獲得優(yōu)質(zhì)堆肥產(chǎn)品。

作為一種有機腐熟肥料，堆肥的應用具有極大的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿?，但如果將未腐熟的堆肥施加到農(nóng)田中，可能會導致植物缺氧不能正常生長發(fā)育甚至出現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大損害的局面[23]，因此，用腐熟度對堆肥成品的質(zhì)量進行評估十分必要。目前主要有物理學指標、化學指標和生物指標3種評判標準。常見的物理學指標主要包括堆溫、堆料氣味以及堆體顏色變化等。達到腐熟標準的堆肥，溫度接近環(huán)境溫度，沒有難聞的異味，堆體的顏色轉變成黑褐色或者棕黑色[24]。常見的化學指標有pH值、C/N和胡富比(E4/E6)等。有研究表明，堆料完全穩(wěn)定腐熟后，pH值在8.0～9.0之間，C/N＜20，E4/E6值在3.0～4.0之間[25]。常用的生物學指標有微生物量、酶活性、種子發(fā)芽指數(shù)(GI)等。據(jù)報道，不同種類的微生物數(shù)量、不同酶活的變化情況可用于評估腐熟度。有學者認為，評估腐熟度時，GI最重要，最有說服力，當GI＞50%時，堆肥基本無毒性，基本穩(wěn)定腐熟；當GI＞80%，堆肥無毒，完全穩(wěn)定腐熟[26]。在應用秸稈堆肥前，建議對該堆肥進行兩個或者兩個以上腐熟度指標的測量以評估其是否安全可靠。

2 好氧堆肥過程中微生物的降解作用

在農(nóng)作物秸稈好氧堆肥過程中，多個影響因素綜合發(fā)揮作用，最終作物秸稈被降解轉化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。在眾多影響因素中，微生物發(fā)揮著決定性作用。然而由于秸稈的結構組成十分復雜，就微生物對農(nóng)作物秸稈的降解機理而言，目前仍然尚未研究透徹。

2.1 農(nóng)作物秸稈降解微生物

根據(jù)農(nóng)作物秸稈降解的主要對象，降解微生物主要分為纖維素降解菌、半纖維素降解菌和木質(zhì)素降解菌三大類。

2.1.1 纖維素降解菌 據(jù)報道，自然環(huán)境中分布廣泛的細菌、真菌、放線菌等微生物對纖維素都具有良好降解能力[27]。目前已知能有效降解纖維素的細菌種類較多，主要包括芽孢桿菌屬(Bacillus)、梭菌屬(Clostridium)、纖維單孢菌屬(Cellulomonas)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和梭狀芽胞桿菌屬(Clostridium)等[28]。吳婧等[29]從土壤中篩選出1株嗜酸性纖維素降解菌株N3，為固氮螺菌(Azospirillumzeae)；江高飛等[30]以水稻秸稈為唯一碳源，篩選出2株具有高纖維素酶活的菌株B-7和B-11，分別為短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus)和嗜熱脂肪芽孢桿菌(BacillusThermophilus)；KARTHIKA等[31]篩選得到9株不動桿菌(Acinetobacterbaumannii)，經(jīng)實驗驗證，它們都具有較高的纖維素降解能力。真菌的菌絲體可以穿透秸稈的表層結構，破壞到難以降解的木質(zhì)素蠟質(zhì)層，此外真菌分泌的酶多為胞外酶，酶活性高于細菌和放線菌，因此真菌具有十分強大的纖維素降解能力，在秸稈纖維素降解中發(fā)揮主導作用[32]?？山到饫w維素的真菌一般為嗜溫真菌，典型的如木霉屬(Trichoderma)、曲霉屬(Aspergillus)、青霉屬(Penicillium)和根霉(Rhizopus)等[33]。于慧娟等[34]從土壤中篩選4株高效纖維素降解真菌。放線菌是具有多細胞菌絲的微生物，它可以分解一些纖維素，并溶解木質(zhì)素，此外，它們比真菌能忍受更高的溫度和pH值，因而盡管放線菌降解纖維素的能力并沒有真菌強，但有研究表明，放線菌是堆肥過程中降解木質(zhì)纖維素的優(yōu)勢菌群[35]。目前已知的能有效降解纖維素的放線菌主要有鏈霉菌屬(Streptoources)、諾卡氏菌屬(Nocardia)和熱單孢菌屬(Thermomonospora)等[27]。李林超等[36]從玉米秸稈堆肥中篩選2株可以高效降解纖維素的鏈霉菌(Streptoources)C31和C37。

2.1.2 半纖維素降解菌 與纖維素相比，半纖維素易于被生物降解利用，并且纖維素降解菌同時也能夠降解半纖維素。在自然界中，具有半纖維素降解能力的微生物分布極其廣泛。常見的半纖維素降解菌有：黑曲霉(Aspergillus niger)、焦曲霉(Aspergillus pyogenes)、綠色木霉(Trichoderma viride)、煙色曲霉(Aspergillus fumigatus)以及纖維單胞菌(Cellulomonas)等[37]。趙龍妹等[38]從青藏高原高寒草甸土壤中篩選出1株半纖維素高效降解菌XC70，通過鑒定XC70為草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)。

2.1.3 木質(zhì)素降解菌 木質(zhì)素結構復雜，不易水解，是農(nóng)作物秸稈好氧堆肥中有機物降解的最主要限速物質(zhì)[39]。木質(zhì)素完全降解，需要細菌、真菌、放線菌以及一些其他相關微生物共同作用，其中真菌起主要作用[40]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)可降解木質(zhì)素的真菌有靈芝菌(Ganoderma)、鬼傘茵(Coprinus)、平革菌(Phanerochaete)、多孔菌(Polyporbls)以及側耳菌(Pleurotus)等[12]。馬英輝等[41]從污泥中篩選出1株木質(zhì)素高效降解菌，經(jīng)形態(tài)學和分子生物學鑒定該菌是灰略紅鏈霉菌(Streptoources griseorubens)；尹靜等[42]從土壤中分離出1株粉紅粘帚霉菌(Clonostachys rosea)YZC3，其對木質(zhì)素的降解率高達79.2%；張漾泓等[43]分離篩選出的1株具有潛在木質(zhì)素降解能力的菌株Z-1，通過形態(tài)學和系統(tǒng)發(fā)育分析鑒定其為云芝栓孔菌(Pterococcus yunzhi)。

綜上，在秸稈好氧堆肥過程中，秸稈主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解是在細菌、真菌和放線菌等多種微生物共同作用下完成的。目前對秸稈降解菌株的篩選鑒定等相關研究已取得了一些較好的效果，但是獲取更多針對性更強的，降解能力更高的秸稈降解菌株仍然是一項亟需進行的具有重要意義的研究工作。

2.2 農(nóng)作物秸稈降解微生物菌群的群落演替

對農(nóng)作物秸稈而言，好氧堆肥是一條資源化、綜合化利用的高效途徑。在這一過程中，堆肥溫度通常呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢[44]，堆溫的變化對發(fā)揮關鍵降解作用的降解微生物（主要為細菌、真菌以及放線菌）的生長繁殖造成了重要的影響：一部分降解菌由于受溫度影響不能再適應當下所在堆體環(huán)境，數(shù)量大量減少甚至死亡；而一部分降解菌對于溫度的耐受性更高，能夠在短時間內(nèi)快速適應目前的生存環(huán)境，它們大量繁殖，從而演變成了堆體中的優(yōu)勢菌群[45]。堆溫不同，堆肥所處階段也不同。在不同堆肥階段，降解菌的種類、數(shù)量等也會明顯不同，即在農(nóng)作物秸稈好氧堆肥過程中，秸稈降解菌是在不斷發(fā)生著變化的，存在明顯的迅速的群落演替現(xiàn)象[46]。了解和掌握堆肥過程中微生物群落動態(tài)變化，對于發(fā)現(xiàn)新的降解優(yōu)勢菌群、提高堆肥效率以及揭示秸稈降解機制都具有極其重要的理論意義和應用價值。

MARTINS等[47]第一次使用高通量測序技術，通過對堆肥中的微生物總DNA進行測序，發(fā)現(xiàn)該生境中的優(yōu)勢菌為乳酸桿菌(Lactobacillus)；郭亞萍等[48]通過PCR-DGGE技術，分析以玉米和水稻秸稈為堆肥原料的雙孢菇堆肥中的群落演替情況，數(shù)據(jù)表明堆肥期間優(yōu)勢菌為放線菌(Actinoourcetes)、變形菌(Proteobacteria)以及厚壁菌(Firmicutes)；WEI等[49]在研究玉米秸稈堆肥過程中功能微生物的演替中發(fā)現(xiàn)，厚壁菌(Firmicutes)是高溫階段明顯的優(yōu)勢菌；LI等[50]分析了豬糞-玉米秸稈聯(lián)合堆肥過程中細菌群落結構組成，結果顯示，黃桿菌(Flavobacterium)以及不動桿菌(Acinetobacter)等在堆肥各階段均占據(jù)優(yōu)勢地位；Zhang等[51]在對綠豆殼-玉米秸稈混合堆肥腐熟過程中微生物的動態(tài)變化的研究中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢微生物由鏈孢菌科細菌(Neurosporiaceae)轉變?yōu)槊珰ぞ普婢?Chaetomium)。

綜上，農(nóng)作物秸稈好氧堆肥過程實際上是一個動態(tài)過程，并且這動態(tài)主要是由多個降解菌快速進行群落演替而實現(xiàn)的。目前，對秸稈堆肥過程中群落演替的相關研究工作已取得了一些突破性進展，但仍有不足。進一步加深了解秸稈堆肥過程中微生物的組成與變化，對于揭示各種微生物在堆肥過程中的具體作用，對于最終全面地揭示農(nóng)作物秸稈的降解機理，進而對農(nóng)作物秸稈的科學高效利用都具有重要意義。

3 高酶活外接菌劑的降解效果

好氧堆肥是一種可以高效利用農(nóng)作物秸稈的方法策略，然而傳統(tǒng)的秸稈堆肥方法主要是依賴堆料自身所帶的一些有益土著微生物來對木質(zhì)纖維素進行降解，而只靠這些土著微生物，堆溫較難達到腐熟所需溫度，堆肥過程變得十分緩慢，最終得到的腐熟有機肥料肥效也比較低下[9]。大量研究表明，在好氧堆肥過程中，人為添加一些具有一定功能的高酶活的外源菌劑，可以快速提高堆溫，明顯縮短堆肥周期，有效提高堆肥養(yǎng)分，大大改善堆肥品質(zhì)[52-53]。通常情況下，用于堆肥的外接菌劑通常由具有分泌各種降解酶的單一菌株或多種菌株組成，由此外接菌劑分類為單一菌劑和復合菌劑。（1）單一菌劑應用情況。WEI等[54]將1株嗜熱放線菌添加到小麥、大豆和玉米秸稈堆肥中，結果顯示放線菌的接種明顯促進了木質(zhì)纖維素的降解；尹靜等[42]將粉紅粘帚霉菌(Clonostachysrosea)YZC3接種到豬糞-落葉混合堆肥中，實驗結束后該菌株對木質(zhì)素的降解率高達79.2%；劉心吾等[55]將細菌魯皮缺氧桿菌(Anoxybacillus rupiensis)X-08和熱鏈地芽孢桿菌(Geobacillus thermocatenulatus)M-17分別等量添加到玉米秸稈堆肥中，結果這兩株單菌對纖維素的降解率分別達到了20.47%和24.51%；吳桐等[56]在水稻秸稈堆肥中添加曼氏假單胞菌(Pseudomonas mandelii)QL-1和煙曲霉(Aspergillus fumigatus)QL-4，堆肥第10天時秸稈降解率達到最高，分別為9.48%和13.91%，是未接菌的空白對照組的2.49倍和3.66倍。（2）復合菌劑應用情況。王天生等[57]將降解細菌DX-5和DX-9按照2:3的比例配制復合菌系，并對其進行降解能力測試，實驗表明該復合菌系對纖維素的降解率高達87.96%；魏陽等[58]在甘蔗渣-污泥聯(lián)合堆肥中接種將以細菌、真菌構建的復合功能菌Y123，經(jīng)過28天后接菌組的纖維素與木質(zhì)素含量分別降低了58.51%和51.19%，與空白處理組相比，降解率提高了5倍以上；WU等[59]將實驗室前期篩選得到五株降解細菌等比例（各20%）混合為復合菌劑，水稻秸稈芬頓預處理后再進行堆肥實驗，在水稻秸稈堆肥中添加該復合菌劑，結果顯示預處理和接菌的耦合處理極大地促進腐殖質(zhì)的形成，并且細菌的群落結構和多樣性也發(fā)生了顯著變化；付冰研等[60]將實驗室前期獲得的兩株芽孢桿菌(Bacillus)B01和B02菌株按照7.5:2.5的比例混合配制復合菌劑SB012，并將其添加到在園林廢棄物好氧堆肥中，分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與CK處理組相比，SB012處理組腐殖質(zhì)含量、纖維素降解率和木質(zhì)素降解率分別提高了15.67%、46.82%和49.74%。

綜上，已有大量實驗結果表明，在秸稈好氧堆肥過程中添加外源菌劑，不論是單一菌劑還是復合菌劑都有利于縮短堆肥時間，有利于提高纖維素、木質(zhì)素等難降解有機物的降解效率，進而使腐熟肥料的品質(zhì)性能得到較大的改善。簡言之，高酶活外接菌劑對農(nóng)作物好氧堆肥具有重要作用，并且近幾年國內(nèi)外對微生物菌劑的研發(fā)與應用發(fā)展迅速，已取得了一些相關研究成果，但這方面的相關研究工作仍然任重道遠。

4 展望

科學高效的綜合利用秸稈資源具有極其重要的現(xiàn)實意義，好氧堆肥作為一種操作簡單且綠色環(huán)保的秸稈處理方法，已成為一個研究熱點。目前對于秸稈好氧堆肥的研究工作已經(jīng)取得了較好的成果，但仍存在以下有待解決的技術問題：（1）好氧堆肥最佳條件的研究：堆肥受到多個環(huán)境因子的影響，并且不同作物秸稈堆肥的最佳條件也不同，如何尋找最佳的堆肥條件并根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)控制各個堆肥因素，使產(chǎn)生的腐熟肥料安全可靠，是秸稈堆肥需要解決的一個重要課題；（2）降解微生物菌劑的篩選鑒定及其降解效果的研究：目前在實驗室條件下已篩選鑒定了一些高酶活的微生物降解菌，今后的研究方向可以為探究各種菌株之間的協(xié)同及拮抗作用，獲得最佳的菌種混合比例，將得到的外源菌劑接種到秸稈好氧堆肥中，實現(xiàn)秸稈的高效降解；（3）堆肥過程中微生物降解作用的研究。目前對堆肥過程中微生物的研究主要集中在微生物酶活性的變化以及微生物群落演替兩方面，從分子水平上解釋農(nóng)作物秸稈的降解機理的相關研究則相對較少。進一步研究挖掘在農(nóng)作物秸稈好氧堆肥過程中發(fā)揮關鍵功能的降解菌、降解酶以及降解基因，進一步開展微生物對作物秸稈降解機制研究工作，對于實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源化、減量化和綠色化具有重要的現(xiàn)實意義。