趙愷凝趙國柱國輝王曉旭朱勝男徐銳

（1.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 山東省泰安市林業(yè)局，泰安 271000）

園林廢棄物堆肥化技術(shù)中微生物菌劑的功能與作用

趙愷凝1趙國柱1國輝1王曉旭1朱勝男2徐銳1

（1.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 山東省泰安市林業(yè)局，泰安 271000）

園林廢棄物的日益增加給環(huán)境帶來了巨大壓力。微生物菌劑接種于園林廢棄物中堆肥，可以加速堆肥的腐熟度，增強(qiáng)肥效，改善并促進(jìn)資源利用效率，在園林廢棄物再利用方面已顯示較好的應(yīng)用前景。從園林廢棄物目前的處理方法和菌劑在堆肥化技術(shù)方面的應(yīng)用著手，介紹了微生物在園林廢棄物堆腐中和發(fā)酵成微生物菌肥后的功能與作用，闡述了目前監(jiān)測(cè)堆肥腐熟程度的重要參數(shù)以及檢測(cè)發(fā)酵過程中菌群變化的技術(shù)手段，最后對(duì)微生物菌劑接種于園林廢棄物堆肥化技術(shù)的前景進(jìn)行了展望，旨為相關(guān)領(lǐng)域的研究與開發(fā)提供參考和借鑒。

微生物菌劑；堆肥化技術(shù)；檢測(cè)技術(shù)；資源開發(fā)

園林廢棄物是指園林綠化植物自然凋落或人工修剪、園藝操作過程中所產(chǎn)生的枯枝、落葉、草屑、花敗、樹木與灌木剪枝以及其他植物殘?bào)w［1］。隨著城市化進(jìn)程的加快以及城市園林綠地面積的持續(xù)增加，園林廢棄物成為城市固體廢棄物的重要組成之一，給環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展帶來巨大的壓力。園林廢棄物中包含大量木質(zhì)纖維成分，目前處理的方法主要有直接填埋、焚燒、粉碎粗回收、熱化學(xué)處理、生產(chǎn)垃圾燃料及直接堆放腐熟等，常常造成二次環(huán)境污染和巨大的資源浪費(fèi)。如何合理高效地將其轉(zhuǎn)化利用已成為當(dāng)前研究和資源開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

利用微生物高效降解轉(zhuǎn)化的堆肥化技術(shù)具有成本低、無污染、產(chǎn)品肥效長(zhǎng)和利于土壤改良等優(yōu)點(diǎn)，能夠充分實(shí)現(xiàn)廢棄物的無害化、減量化、資源化利用［2］。通過施加高效降解的微生物菌劑對(duì)園林廢棄物進(jìn)行生物好氧發(fā)酵處理，可以大大縮短腐熟時(shí)間、增加肥效、減少環(huán)境污染和安全隱患，實(shí)現(xiàn)資源的高效再利用，對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和資源的循環(huán)利用具有重要意義。

1 微生物堆肥技術(shù)中的功能微生物區(qū)系

高效降解的微生物菌劑在農(nóng)業(yè)堆肥生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用，但在園林廢棄物堆肥中的功能和作用尚有待于進(jìn)一步研究和開發(fā)。園林廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物以及部分城市生活垃圾主要是由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、蛋白質(zhì)、脂類等按不同比例組成的混合物，含豐富的有機(jī)物和植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素如N、P和K及微量元素Cu、Zn、Fe和Mn等。微生物堆肥處理過程實(shí)質(zhì)上是微生物將復(fù)雜的有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成植物可以吸收和利用的營(yíng)養(yǎng)成分。根據(jù)反應(yīng)過程不同階段對(duì)氧氣需求的不同，常將堆肥分為好氧和厭氧兩種。厭氧堆肥主要分為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個(gè)階段，產(chǎn)生的氨氣、硫化氫以及其他還原性氣體易揮發(fā)產(chǎn)生惡臭氣味具有較高熱值，但需要專用發(fā)酵設(shè)備以便收集，設(shè)備投資較大。利用微生物進(jìn)行好氧發(fā)酵為研究重要方向，按照分類和功能的不同，好氧發(fā)酵中的微生物主要可分為如下幾類。

在好氧發(fā)酵系統(tǒng)中，細(xì)菌是重要微生物區(qū)系，因其菌體較小，具有較大的比表面積，可迅速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中以生長(zhǎng)繁殖，數(shù)量明顯多于真菌。不同堆肥環(huán)境中分離的細(xì)菌也存在差異，例如，假單胞菌屬（Pseudomonas）、克雷伯氏菌屬（Klebsiella）和芽孢桿菌屬（Bacillus）等是重要的解脂肪菌，而芽孢桿菌屬同時(shí)還具有高效降解蛋白質(zhì)、淀粉的功能，是有機(jī)物的重要分解者。堆肥發(fā)酵腐熟是一個(gè)逐漸升溫的過程。發(fā)酵初期，嗜溫細(xì)菌作為主要的優(yōu)勢(shì)菌群，隨著溫度升高，嗜熱細(xì)菌則隨之增多，成為堆肥高溫階段的優(yōu)勢(shì)菌群［3］。其中多數(shù)為芽孢菌，如枯草芽孢桿菌（B. subtilis）和地衣芽孢桿菌（B. licheniformis）等，該類細(xì)菌因能形成很厚的芽孢壁而耐受高溫、腐蝕及營(yíng)養(yǎng)物缺乏等不良環(huán)境條件，其在80℃左右的堆溫下生長(zhǎng)繁殖，是高溫堆肥腐熟降解的主要菌群。

放線菌主要利用半纖維素并能溶解木質(zhì)素類復(fù)雜有機(jī)物，在高溫下分解纖維素、角質(zhì)素等。放線菌在園林廢棄物堆肥技術(shù)中可用于樹皮等堅(jiān)硬物質(zhì)的分解，作用甚廣。鏈霉菌（Streptomyces）、諾卡氏菌（Nocardia）及高溫放線菌（Thermoactinomyces）等都是堆肥高溫階段中常見的嗜熱放線菌，在堆肥過程高溫階段對(duì)木質(zhì)纖維素以及其他物質(zhì)的分解起著重要作用［4］。

真菌中的白腐菌、褐腐菌對(duì)堆肥中極難降解的木質(zhì)纖維具有高效降解作用。真菌可通過其分泌的胞外酶，促進(jìn)有機(jī)物的生物降解。如木霉（Trichoderma）能降解纖維素，曲霉（Aspergillus）能夠降解果膠、纖維素等，假絲酵母菌（Candida）能降解半纖維素等，但在高溫堆肥環(huán)境中可以耐受一定高溫的真菌才能高效降解木質(zhì)纖維素。因此，高溫真菌對(duì)于堆肥物料中的木質(zhì)素、纖維素等的分解轉(zhuǎn)化具有十分重要意義。

另外，堆肥中的功能微生物還包括固氮、解磷、解鉀、生防及促生菌等，它們能有效促進(jìn)堆肥中碳、氮循環(huán)，將土壤中難以被植物吸收的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為植物可吸收的營(yíng)養(yǎng)元素，增加土壤肥力，還林還田后對(duì)植物的生長(zhǎng)、抗逆性、生物防治等都具有明顯作用。因此，通過了解堆肥成分及好氧發(fā)酵過程的動(dòng)態(tài)變化，篩選獲得合理的功能微生物進(jìn)行處理，促成有機(jī)物的有效動(dòng)態(tài)分解，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物資源化利用的重要途徑［5］。

2 園林廢棄物堆肥化過程中微生物的功能與作用

微生物是堆肥過程中最重要的生物因素，采取適合的調(diào)節(jié)措施促進(jìn)堆肥微生物的生長(zhǎng)代謝可能提高堆肥效率與產(chǎn)品質(zhì)量。在微生物菌劑中，主要微生物菌種的功能及應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)，如表1所示。根據(jù)園林廢棄物的組成特點(diǎn)以及功能微生物在堆肥中的作用，對(duì)其進(jìn)行微生物堆肥化處理，應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面。

2.1 木質(zhì)纖維降解微生物

園林廢棄物含有大量的有機(jī)木質(zhì)纖維碳物質(zhì)及一些可溶性糖、有機(jī)酸和淀粉等。其中，木質(zhì)纖維主要包括木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，在自然條件下降解非常緩慢，是制約園林綠化廢棄物高效轉(zhuǎn)化的重要因素。降解園林廢棄物中的木質(zhì)素、纖維素，縮短堆肥腐熟時(shí)間、提高堆肥的生產(chǎn)效率，使其成為循環(huán)再利用的物質(zhì)是接種微生物菌劑的首要目的［6］。

表1 微生物菌劑中常見菌種及應(yīng)用

植物枯枝、落葉等天然木質(zhì)素的完全降解通常依賴于自然界真菌、細(xì)菌、放線菌及其產(chǎn)生的多種降解酶系的共同作用，其中真菌起著主導(dǎo)作用［7］。白腐菌是目前公認(rèn)的最高效的木質(zhì)素降解微生物，不產(chǎn)生色素，能在木質(zhì)材料中形成白色腐朽殘余物，降解木質(zhì)素的能力遠(yuǎn)高于其降解纖維素的能力［8］。白腐菌與褐腐菌、軟腐菌等共同作用，其中，褐腐菌和軟腐菌將木質(zhì)纖維基質(zhì)中的纖維素分解，白腐菌再通過分泌相應(yīng)的木質(zhì)素降解酶將大量木質(zhì)素降解。研究最多的木質(zhì)素降解酶有3種，即木質(zhì)素過氧化物酶（LiP）和錳過氧化物酶（MnP）及漆酶（Laccase）［9］。LiP催化通過自由基調(diào)節(jié)C-C鍵的斷裂造成木質(zhì)素分子中Ca-Q3鍵斷裂，從而分解木質(zhì)素結(jié)構(gòu)；MnP廣泛存在于白腐菌中，主要依靠催化Mn2+轉(zhuǎn)為高度活性的Mn3+，利用Mn3+去氧化木質(zhì)素酚型結(jié)構(gòu)，使α碳原子被氧化、烷基苯基鍵斷裂、C-C鍵斷裂木質(zhì)素裂解；Lac在酚類底物存在的情況下，能由Mn2+產(chǎn)生Mn3+螯合物，并在Lac和MnP兩種酶協(xié)同作用下有效降解木質(zhì)素［10］。

在纖維素降解微生物中，真菌種類也明顯多于細(xì)菌和放線菌，如木霉屬能分泌豐富的纖維素酶系并具有極高的酶活力［11］。纖維素酶是多酶組分的一個(gè)復(fù)雜酶系，主要分為外切葡聚糖酶（CBH）、內(nèi)切葡聚糖酶（EG）和β-葡萄糖苷酶（CB）3大類［12］。協(xié)同理論目前被大多數(shù)學(xué)者普遍接受，該理論認(rèn)為：纖維素降解是由多種酶共同作用的結(jié)果［13］。內(nèi)切葡聚糖酶首先進(jìn)攻纖維素的非晶區(qū)，形成游離末端，然后外切纖維素酶從多糖鏈的非還原端切下纖維二糖單位，β-葡萄糖苷酶再水解纖維二糖單位形成葡萄糖［14］。但協(xié)同理論并沒有對(duì)該作用的起始反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行說明，特別是對(duì)結(jié)晶區(qū)的降解機(jī)制沒有很好的解釋。

木質(zhì)纖維是自然界最大的可再生的生物質(zhì)資源和能源，也是園林廢棄物的主要組成部分。因此，了解木質(zhì)纖維的降解機(jī)理篩選高效的降解微生物是園林廢棄物堆肥化技術(shù)中的關(guān)鍵因素之一。

2.2 參與氮素循環(huán)微生物

氮素是土壤肥力和植物生長(zhǎng)的主要成分。園林廢棄物雖然含有豐富的有機(jī)物及碳元素，但其中的氮素成分含量卻很少，無法為植物提供大量的氮素營(yíng)養(yǎng)。堆肥化過程伴隨著有機(jī)氮的礦化（NH3的揮發(fā)）、硝化及反硝化作用（釋放N2O），同時(shí)也進(jìn)行著無機(jī)氮的生物固定作用，各種作用相互轉(zhuǎn)化相互依存，都是復(fù)雜的微生物活動(dòng)過程。這個(gè)過程最大的負(fù)面影響是氨氣揮發(fā)，導(dǎo)致氮素?fù)p失、降低堆肥肥效［15］。氮含量的減少同時(shí)也意味著營(yíng)養(yǎng)元素的損失，研究堆肥中的氮素微生物生理群的變化有助于了解氮素轉(zhuǎn)化、控制氮素形態(tài)和損失情況［16］。

堆肥中氮的形態(tài)主要有銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)氮，其中有機(jī)氮占總氮90%左右，是氮素的主要存在形態(tài)。微生物是氮素循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者，在堆肥體系的氮素循環(huán)中扮演著極其重要的角色［17］。氮素生理菌群包括固氮菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等［18］。堆肥中通過添加氮轉(zhuǎn)化和固氮微生物，一方面可以增加堆肥腐熟過程中氮的吸收轉(zhuǎn)化，提高氮素肥效；另一方面，施用到田間或林間，其中的微生物可以長(zhǎng)期繼續(xù)參與環(huán)境中氮的轉(zhuǎn)化吸收和利用，起到持效增肥的作用。固氮微生物如固氮菌屬（Azotobacter）、根瘤菌屬（Rhizobium）等利用固氮酶固定空氣中的N2，打開N2分子的三鍵，生成氨態(tài)氮，再通過氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌的作用生成亞硝酸鹽。硝化細(xì)菌如亞硝酸菌屬（Nitrosomonas）、硝酸菌屬（Nitrobacter）等將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽等植物可以吸收利用的氮肥。另外，有機(jī)質(zhì)降解時(shí)，氨的釋放和氨化作用也是細(xì)菌參與氮循環(huán)增加氮肥效的有效途徑。

2.3 其他功能微生物

2.3.1 促生菌 微生物菌肥中的促生菌可以調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)和促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)吸收［19］。微生物作用于植物可以產(chǎn)生植物激素，如細(xì)胞分裂素、吲哚乙酸等從而調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和其他生命活動(dòng)。乙烯是一種天然植物激素，它在植物開花、果熟、衰老和脫落過程中起著重要作用，它對(duì)植物次生代謝產(chǎn)物的形成存在抑制和促進(jìn)雙重調(diào)控效應(yīng)，這種調(diào)控效應(yīng)是乙烯與細(xì)胞內(nèi)外多種因子共同作用的結(jié)果［20］。菌肥中多種微生物，如芽孢桿菌類細(xì)菌可以產(chǎn)生1-羧基-1-氨基環(huán)丙烷，降低植物激素乙烯的水平，抑制乙烯對(duì)植物的不利影響，保證植物正常生長(zhǎng)發(fā)育。此外，吲哚乙酸（IAA）也是植物生長(zhǎng)素的信號(hào)物質(zhì)，在植物體內(nèi)普遍存在。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中約一半以上的細(xì)菌可以產(chǎn)生IAA，如固氮螺菌（Azospirillum）、克雷伯氏菌（Kleebsiella）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）等。篩選產(chǎn)生IAA的微生物可為促生生物肥料的研發(fā)提供較大幫助。

微生物菌肥可以改善土壤生態(tài)，提高土壤中微生物的數(shù)量，增加土壤肥力。曹恩暉等［21］通過番茄盆栽試驗(yàn)，向土壤施用復(fù)合微生物菌劑，對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生的綜合效應(yīng)顯著優(yōu)于空白處理，且經(jīng)主成分分析得到影響土壤質(zhì)量的主要土壤環(huán)境指標(biāo)也普遍優(yōu)于單純施用化肥、單一功能菌和簡(jiǎn)單固氮菌組處理的結(jié)果。

2.3.2 生防菌 菌肥中的有益菌不僅能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增加作物產(chǎn)量，還能提高植物抗病能力、增強(qiáng)抗逆性。菌肥中放線菌如鏈霉菌（Streptomyces），可以通過產(chǎn)生抗生素抑制病原菌的生長(zhǎng)；木霉屬（Trichoderma）真菌可以寄生大麗輪枝孢（Verticillium dahliae），利用微生物進(jìn)行棉花黃萎病的防治，是目前最有效的方法之一［22］；許多微生物與植物存在互生關(guān)系，可以誘導(dǎo)植物的系統(tǒng)抗病性，從而抵抗病原菌的入侵；菌肥中的嗜鐵細(xì)菌能產(chǎn)生嗜鐵素吸收土壤中的鐵元素形成鐵-嗜鐵素復(fù)合體，進(jìn)而抑制病原微生物的生長(zhǎng)繁殖［23］；菌肥還田或還林后，促生菌能在植株根部定殖并利用根際分泌物，搶占病原菌生長(zhǎng)位點(diǎn)，使病原菌無法在植株附近生存。

在微生物菌肥中，芽孢桿菌是一類十分重要的細(xì)菌。它不僅耐高溫對(duì)生物質(zhì)具有極強(qiáng)的降解能力，同時(shí)對(duì)植物具有顯著的生防作用。研究表明，芽孢桿菌BRF21能通過分泌的多種代謝產(chǎn)物對(duì)植物病原真菌具有很強(qiáng)的拮抗活性［24］；通過基因工程改造的芽孢桿菌，生防效果更加明顯。張新建等［25］將外源幾丁質(zhì)酶基因?qū)刖薮笱挎邨U菌（Bacillus megaterium）發(fā)現(xiàn)，該工程菌株對(duì)病原真菌的拮抗能力明顯提高。此外，芽孢桿菌能夠分泌一種抑菌蛋白，在酸性或弱堿性條件下具有較強(qiáng)的抗菌活性，但在高溫條件下抑菌效果會(huì)明顯下降。另外，許多微生物能分泌氫氰酸等酶類物質(zhì)，抑制病原真菌的生長(zhǎng)繁殖。

雖然微生物菌肥在生物防治方面有顯著作用，但許多問題仍然需要進(jìn)一步研究。菌肥中許多放線菌分泌次級(jí)代謝產(chǎn)物，在殺死病原菌的同時(shí)也可能影響促生菌的正常生長(zhǎng)，從而影響菌肥對(duì)植物的促生作用。另外，菌肥中大量微生物雖然可與植物形成互生或共生關(guān)系，但同時(shí)也有許多與植物存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用。因此，微生物菌劑接種至堆肥中時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格篩選控制菌種，從而保證植物的正常生長(zhǎng)。

3 堆肥中微生物菌劑的改良

3.1 微生物菌劑成分的改良

纖維素類物質(zhì)的降解往往需要多種微生物的聯(lián)合作用，研究表明向堆肥中同時(shí)接種含有真菌和細(xì)菌的微生物菌劑時(shí)，分解纖維素和木質(zhì)素效率會(huì)大大提升，明顯高于接種單一菌株的分解腐熟效率，菌肥中添加部分真菌特別是白腐真菌和霉菌，對(duì)于木質(zhì)素的降解具有顯著效果［26］。Awasthi等［27］通過分別接種綠色木霉、黑曲霉的真菌孢子懸浮液處理有機(jī)廢棄物堆肥發(fā)現(xiàn)，接種真菌孢子懸浮液并每周攪拌一次的綠色木霉組具有較高的降解率和腐熟度，真菌的添加和堆肥攪拌頻率對(duì)于有機(jī)成分的降解具有顯著影響。另外，向堆肥中加入兼性厭氧微生物和嗜熱微生物，可有效促進(jìn)高溫缺氧的堆肥內(nèi)部有機(jī)物的降解；添加活性物質(zhì)可以提高堆肥的發(fā)酵效率和腐熟度，減少氮素?fù)p耗，增加腐殖質(zhì)的含量。Liu等［28］向含有雞糞堆肥的番茄莖稈中分別加入生物炭、泥炭和沸石發(fā)現(xiàn)，加入生物炭的實(shí)驗(yàn)組堆肥發(fā)酵升溫時(shí)間大大縮短（3 d），最高溫度（56℃）明顯高于其他實(shí)驗(yàn)組（48-51℃）并持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，加入生物炭的實(shí)驗(yàn)組C/N值和揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）比值都明顯高于其他組。Zhang等［29］在堆肥中加入生物炭的同時(shí)還加入了菇渣，當(dāng)加入35%菇渣和20%生物炭時(shí)，堆肥的降解率達(dá)到最大，生產(chǎn)高質(zhì)量的堆肥產(chǎn)品的時(shí)間由傳統(tǒng)的90-270 d縮短至24 d。

但向園林廢棄物堆肥中添加其他成分時(shí)也應(yīng)考慮多種因素，如添加的成分是否會(huì)影響正常菌種的生長(zhǎng)繁殖，抑制發(fā)酵反應(yīng)；是否會(huì)增加堆肥腐熟的成本，使投入和產(chǎn)出不平衡。因此，在篩選高效菌種、添加活性物質(zhì)的同時(shí)，也要考慮所增加菌種反應(yīng)機(jī)制研究和堆肥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 微生物菌劑施加方式的改造

菌肥的施加方式也影響肥效的發(fā)揮和經(jīng)濟(jì)效益。目前正在研究對(duì)植物種子施加丸?；⑸锞?，即把菌肥包裹在種子表面，促進(jìn)種子的萌發(fā)和對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收。在園林廢棄物堆肥方面，可以將大體積堆肥分為小體積，使廢棄物與菌劑接觸面積增大，促進(jìn)腐熟，但實(shí)際應(yīng)用中還存在著諸多問題，如丸?；夹g(shù)成本問題，降解時(shí)反應(yīng)條件如何調(diào)節(jié)等，需要進(jìn)一步探究。Nakhshiniev等［30］對(duì)園林堆肥進(jìn)行水熱處理，能顯著提高莖稈堆肥的穩(wěn)定性和腐熟度。但是，水熱處理后的堆肥材料作為植物栽培基質(zhì)時(shí)，依然可能產(chǎn)生植物性毒素，因此還需要進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)條件等進(jìn)行研究和處理，從而提高堆肥反應(yīng)效率。

4 堆肥工藝參數(shù)及微生物群落變化監(jiān)測(cè)技術(shù)

園林廢棄物堆肥的降解情況歸根結(jié)底是功能微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解程度。通過對(duì)堆肥工藝參數(shù)及性質(zhì)變化的檢測(cè)，以及對(duì)功能微生物檢測(cè)［31］，明確堆肥體系的反應(yīng)進(jìn)程和微生物群落的變化，以便于有效評(píng)估菌肥的腐熟度及肥效。

4.1 目前堆肥化技術(shù)中主要檢測(cè)參數(shù)

堆肥化技術(shù)目前主要從物理、化學(xué)、生物學(xué)和波譜分析等方面進(jìn)行檢測(cè)。

物理檢測(cè)方面，溫度是堆肥過程中的核心參數(shù)。作為影響微生物活性的最顯著因子，溫度對(duì)發(fā)酵反應(yīng)速率起著決定性作用，是堆肥體系中微生物生化活動(dòng)量的宏觀指標(biāo)。一般來講，堆肥經(jīng)歷升溫、維持高溫和降溫3個(gè)過程。通過測(cè)量堆肥體系中溫度的變化，可以表觀的體現(xiàn)腐熟的情況，如堆肥升溫過程的特點(diǎn)及堆肥所能達(dá)到的最高溫度，堆體熱量散失過程與溫度的關(guān)系，控制過程與溫度的關(guān)系，溫度與微生物的生長(zhǎng)繁殖及種群演替的關(guān)系等。

化學(xué)檢測(cè)方面，在廢棄物高溫堆肥過程中pH值、C/N值及有機(jī)酸含量等變化影響堆肥過程和最終腐熟產(chǎn)品的質(zhì)量。pH值變化可以比較直觀揭示堆肥反應(yīng)進(jìn)程，適宜的 pH值可使微生物有效的發(fā)揮作用并且保留堆料中有效氮成分，pH值過高或過低都會(huì)影響堆肥的效率。C/N值是最常見的判定堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，由于堆肥原材料性質(zhì)的差異，目前大多通過T=（終點(diǎn)C/N比）/（初始C/N比）來評(píng)價(jià)城市園林廢棄物的腐熟度。針對(duì)堆肥的不同材料，當(dāng)T值小于0.7時(shí)，可認(rèn)為堆肥腐熟［32］。有機(jī)酸廣泛存在于未腐熟堆肥中，隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)酸逐步減少，減少的速度與通氣狀況和原料相關(guān)，即未腐熟的堆肥有機(jī)酸含量相對(duì)較多，腐熟的堆肥有機(jī)酸含量相對(duì)較少，可通過研究有機(jī)酸的變化評(píng)價(jià)堆肥腐熟度。

生物學(xué)檢測(cè)方面，在各類堆肥研究中，微生物量的變化大致趨勢(shì)相同。微生物量均在發(fā)酵初期迅速增大，隨后大大降低，約一個(gè)月之后再次明顯上升，堆肥發(fā)酵末期時(shí)因可代謝營(yíng)養(yǎng)物的缺乏而微生物生長(zhǎng)明顯減弱。微生物往往先利用易降解的有機(jī)物來維持生長(zhǎng)，該有機(jī)物殆盡后生長(zhǎng)減緩，再轉(zhuǎn)向以較難降解有機(jī)物為主要營(yíng)養(yǎng)物繼續(xù)生長(zhǎng)，至此碳源殆盡生長(zhǎng)繁殖再次降低。種子發(fā)芽指數(shù)GI被認(rèn)為是最能反映植物毒性大小的腐熟度指標(biāo)［33］，通過檢測(cè)，當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)GI達(dá)到50%時(shí)，表明堆肥已達(dá)腐熟，其植物毒性降至植物能夠耐受的水平；當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)GI達(dá)到80%時(shí)，其植物毒性基本消失。

近年來，波譜分析法開始應(yīng)用，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)角度去評(píng)價(jià)和分析堆肥過程和腐熟度問題，如紅外光譜法和C-核磁共振法［34］。紅外光譜法可以辨別化合物的特征官能團(tuán)，核磁共振法可提供有機(jī)分子骨架的信息，能更敏感地反映碳核所處化學(xué)環(huán)境的細(xì)微差別，為測(cè)定復(fù)雜有機(jī)物成分變化提供幫助。但由于堆肥中微生物種類和數(shù)量的差異，以及堆肥原料和發(fā)酵條件的差異，其有機(jī)成分的轉(zhuǎn)化情況存在較大差異，用波譜法測(cè)定堆肥腐熟程度，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4.2 功能微生物的監(jiān)測(cè)技術(shù)

功能微生物是堆肥發(fā)酵過程中的關(guān)鍵因素，其種群、數(shù)量等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律可以反應(yīng)堆肥腐熟變化狀況。因此，對(duì)于堆肥中功能微生物的鑒定及環(huán)境微生物群落的多樣性分析顯得尤為重要。目前廣泛應(yīng)用的生物技術(shù)有DGGE、Roche 454及Illumina MiSeq等［35］。這些技術(shù)能較好的揭示堆肥及環(huán)境樣品中微生物種類，它們之間的相對(duì)豐度和變化關(guān)系等［36］，在探討不同腐熟階段微生物多樣性以及微生物群落變化、明確功能微生物在堆肥化技術(shù)中所起到的作用方面具有重要意義。

DGGE即變性梯度凝膠電泳，是堆肥化技術(shù)中微生物群落變化和不同菌群差異檢測(cè)最廣泛的一種手段。其原理是根據(jù)樣品中DNA濃度的差異在變性劑中解鏈行為的不同而導(dǎo)致電泳遷移率發(fā)生變化，將不同的DNA片段分開［37］，在生物多樣性調(diào)查、基因突變檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但該技術(shù)往往只能反應(yīng)出樣品中少數(shù)優(yōu)勢(shì)菌的信息，分辨率和重復(fù)性較差、工作量大，應(yīng)用越來越少。

高通量測(cè)序技術(shù)為微生物的大量快速檢測(cè)鑒定提供了較好的平臺(tái)，MiSeq即是其中較為先進(jìn)的技術(shù)，它以Illumina公司邊合成邊測(cè)序技術(shù)為基礎(chǔ)，通過專一的可逆終止試劑對(duì)數(shù)百萬個(gè)片段同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模平行測(cè)序。該技術(shù)具有方便、快捷、成本低、通量高和信息豐富等特點(diǎn)［38］。當(dāng)每個(gè)dNTP加入時(shí)，對(duì)熒光標(biāo)記的終止子成像，隨后切割，允許下一個(gè)堿基的摻入。由于每個(gè)測(cè)序循環(huán)中4種可逆終止子結(jié)合的dNTP都存在，所以自然競(jìng)爭(zhēng)讓摻入偏差最小化，根據(jù)每個(gè)循環(huán)的熒光信號(hào)測(cè)定并檢出堿基，與其他技術(shù)相比大大降低了原始錯(cuò)誤率，實(shí)現(xiàn)了可靠的堿基檢出。Liu等［39］在“營(yíng)養(yǎng)添加劑對(duì)功能細(xì)菌的密度和生物有機(jī)肥料的微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響”實(shí)驗(yàn)中，通過Illumina-MiSeq測(cè)序技術(shù)利用16S rDNA庫，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中微生物群落的變化進(jìn)行分析，在保證測(cè)序精確度的同時(shí)，大大提高了測(cè)序及檢測(cè)效率。此外，Roche 454測(cè)序法、HiSeq 2500技術(shù)等都是目前較為先進(jìn)的測(cè)序技術(shù)［40］，在功能微生物的鑒定，堆肥體系菌群動(dòng)態(tài)變化方面發(fā)揮著重要作用。高通量測(cè)序技術(shù)大大提高了大樣本微生物的檢測(cè)分析效率，全基因組測(cè)序技術(shù)將會(huì)像PCR 技術(shù)一樣成為微生物學(xué)檢測(cè)鑒定等常規(guī)的研究手段［41］。

5 問題與展望

目前，我國園林廢棄物堆肥產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還處在起步階段，存在技術(shù)成本高、原料來源分散、降解菌種單一及降解機(jī)制研究不深入，基礎(chǔ)研究脫離生產(chǎn)實(shí)踐等問題［42］。例如，根瘤菌的固氮作用研究十分深入，有些方面已達(dá)到分子水平，但對(duì)于植物根際或園林植物殘枝上存在的自身固氮菌以及其他功能的促生菌還缺乏深入研究［43］；微生物菌劑接種于園林廢棄物中的反應(yīng)條件仍需要進(jìn)一步探索，接種量與堆肥成本、堆肥效率之間的平衡關(guān)系、接種時(shí)間以及菌種數(shù)量和活性的保持，堆肥生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量檢測(cè)等方面都需要深入研究。但不容置疑，隨著生態(tài)園林城市的快速發(fā)展，園林綠色廢棄物微生物菌劑堆肥處理作為一個(gè)新興的行業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市已經(jīng)開始對(duì)園林植物廢棄物進(jìn)行集中收集，并進(jìn)行堆肥化處理，如北京、上海、深圳等已頒布了相關(guān)政策，鼓勵(lì)綠色廢棄物生產(chǎn)者進(jìn)行簡(jiǎn)易堆肥處理，同時(shí)免費(fèi)為其提供堆肥技術(shù)，鼓勵(lì)其建設(shè)堆肥廠。

總之，對(duì)園林廢棄物進(jìn)行微生物堆肥處理是實(shí)現(xiàn)資源的高效循環(huán)再利用和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，需要更多的研究者和生產(chǎn)者參與其中，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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（責(zé)任編輯狄艷紅）

The Function and Role of Microbial Agents in Composting Technology of Garden Waste

ZHAO Kai-ning1ZHAO Guo-zhu1GUO Hui1WANG Xiao-xu1ZHU Sheng-nan2XU Rui1
（1. College of Biological Sciences and Biotechnology，Beijing Forestry University，Beijing 100083；2. Tai’an Forestry Administration，Tai’an 271000）

The increase of garden waste causes severe pressure to environment. Microbial agents inoculated in garden waste compost can accelerate the maturity of composting， enhance the fertilizer’s efficiency and improve the utilization ratio of resources， which has shown favorable application prospect in terms of garden waste reuse. Starting from the current processing methods and applications of microbial agents in composting technology， the function and role of microorganisms in the composting of garden waste and fermented microbial fertilizer were introduced， and the important parameters of monitoring compost maturity and the technical methods of detecting the changes of microorganism’s community in fermentation process were described. Finally， the application of microbial agents inoculated in the composting technology of garden waste was prospected， which is expected to provide a reference for the research and development of related areas.

microbial agents；composting technology；detection technology；resource development

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.01.008

2015-04-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（J1103516，31093440，31493010，31493011），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（TD2012-03）

趙愷凝，女，碩士研究生，研究方向：資源與環(huán)境微生物；E-mail：kaixiaoning@163.com

趙國柱，男，博士，副教授，研究方向：資源與環(huán)境微生物；E-mail：zhaogz@im.ac.cn國輝，女，博士，研究方向：環(huán)境微生物學(xué)；E-mail：guohuiya@126.com