李 妍，石 巖，吳 迪

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300384）

隨著我國(guó)人民生活質(zhì)量的極大提高，生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的有機(jī)類(lèi)廢棄物的規(guī)模也逐年增多，形成了巨大的環(huán)境壓力。2020 年6 月8 日，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合發(fā)布的《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》[1]顯示：2017 年，全國(guó)干污泥產(chǎn)生量1 026.71 萬(wàn)t，處置量為1 000.59 萬(wàn)t；秸稈產(chǎn)生量為8.05 億t，秸稈利用量5.85 億t；畜禽養(yǎng)殖排放化學(xué)需氧量604.83 萬(wàn)t。廢棄資源的安全高效利用已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。蚯蚓被達(dá)爾文稱(chēng)之為“世界上最有價(jià)值的動(dòng)物”。蚯蚓作為一種養(yǎng)殖成本低、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好的動(dòng)物，具有很大的推廣應(yīng)用前景，在我國(guó)廣大農(nóng)村和城市進(jìn)行蚯蚓的養(yǎng)殖及開(kāi)發(fā)利用市場(chǎng)十分廣闊。蚯蚓在生態(tài)系統(tǒng)中的功能主要表現(xiàn)在: 1）影響所在環(huán)境中有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)等關(guān)鍵過(guò)程；2）影響所在環(huán)境的理化性質(zhì)； 3）通過(guò)挖掘、吞食和排泄作用，與所在環(huán)境中的植物、微生物及其他動(dòng)物相互影響[2]。在蚯蚓-微生物共生系統(tǒng)中，蚯蚓主要起調(diào)控作用，通過(guò)腸道消化，尤其可加速污染物的降解，影響系統(tǒng)中微生物量、活性及群落結(jié)構(gòu)[3?4]。蚯蚓堆肥是利用蚯蚓和微生物，將有機(jī)類(lèi)廢棄物進(jìn)行快速有效地分解并將其轉(zhuǎn)換成腐殖質(zhì)的一種生態(tài)環(huán)境友好的堆肥技術(shù)，被應(yīng)用于污泥、畜禽廢棄物和秸稈等廢棄物治理領(lǐng)域[5?7]，可有效降低固體廢棄物對(duì)環(huán)境帶來(lái)的危害和風(fēng)險(xiǎn)[8]。在蚯蚓堆肥過(guò)程中為保證其生長(zhǎng)與繁殖環(huán)境，常添加各種物料來(lái)改善污泥等廢棄物的理化性質(zhì)，主要采用的物料有牛糞、生物炭、水稻殼、粉煤灰和甘蔗渣等[9?12]，還有的采用沸石、膨潤(rùn)土等化學(xué)調(diào)理劑[13]?，F(xiàn)有參考文獻(xiàn)常用牛糞馴化養(yǎng)殖后的蚯蚓來(lái)開(kāi)展不同物料配比消納試驗(yàn)研究，而利用污泥馴化后的蚯蚓作為試驗(yàn)研究對(duì)象較少提及。因此，本研究以污泥馴化后的大平2 號(hào)蚓作為供試蚯蚓，探討了腐熟秸稈、牛糞和污泥的不同配比對(duì)蚯蚓和蚯蚓糞理化性質(zhì)、蚯蚓生長(zhǎng)繁殖和蚯蚓腸道群落結(jié)構(gòu)組成的影響，為蚯蚓堆肥技術(shù)提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蚯蚓為經(jīng)喂食污泥馴化的大平2 號(hào)，取自天津市某蚯蚓養(yǎng)殖場(chǎng)；污泥取自天津市靜海區(qū)某污水處理廠；牛糞取自天津市武清區(qū)某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)；腐熟秸稈是由蔬菜尾菜和玉米秸稈經(jīng)高溫好氧發(fā)酵過(guò)程，經(jīng)二次腐熟后過(guò)2 mm 篩制得，取自天津市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地廢棄物資源化試驗(yàn)站。實(shí)驗(yàn)裝置為頂部無(wú)蓋、底部無(wú)孔洞藍(lán)色周轉(zhuǎn)箱（670 mm×420 mm×175 mm）以利于蚯蚓的全量收集。

1.2 試驗(yàn)日期及地點(diǎn)

本次試驗(yàn)于2019 年7 月～2020 年3 月在天津市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束后取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)分析。

1.3 試驗(yàn)方法

將3 種物料按照比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))將牛糞和腐熟秸稈分別與污泥進(jìn)行混合，每箱加入30 .00kg 物料，用去離子水使混合物料含水率達(dá)到60%，每個(gè)處理重復(fù)3次。向每個(gè)處理加入大小均勻總質(zhì)量1.00 kg帶有明顯環(huán)帶的蚯蚓,物料比例見(jiàn)表1。

表1 不同處理原料配比

將所有裝置整齊擺放在溫室避光處，進(jìn)行為期60 d 的堆肥處理。實(shí)驗(yàn)期間控制溫度在(22±5) ℃，并且定期向物料噴水，保證含水率在60%左右。培養(yǎng)結(jié)束后，把所有蚯蚓從混合物中分離出來(lái)，觀察生長(zhǎng)狀況，統(tǒng)計(jì)蚯蚓收集量，稱(chēng)重，并測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。混合后不同處理的物料理化性狀，見(jiàn)表2。

表2 不同處理原料理化性狀

1.4 檢測(cè)指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理

原料、蚯蚓、蚯蚓糞的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分（N%+P2O5%+K2O%）、pH 和電導(dǎo)率等測(cè)定采用農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法[14]。糞大腸菌群數(shù)測(cè)定采用多管發(fā)酵法，蛔蟲(chóng)卵死亡率測(cè)定采用濾膜法。蚯蚓腸道微生物群落結(jié)構(gòu)組成采用百邁客生物科技公司的高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)行測(cè)定分析。試驗(yàn)結(jié)果采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 蚯蚓糞理化性狀分析

蚯蚓堆肥過(guò)程結(jié)束后蚯蚓糞的理化性狀，見(jiàn)表3。T1～T5 蚯蚓糞的容重在0.49～0.55 g/cm3之間，糞大腸菌群值和蛔蟲(chóng)卵死亡率均達(dá)到《有機(jī)肥料：NY/T525—2021》標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比表2、表3 數(shù)據(jù)可知，經(jīng)蚯蚓過(guò)腹轉(zhuǎn)化后，蚯蚓糞只有T1、T4 總養(yǎng)分含量增加，T2、T3 和T5 總養(yǎng)分含量均低于初始值，且以T5 降低最多。DOMINGUEZ et al[15]研究表明，原料的養(yǎng)分含量、配比會(huì)影響蚯蚓的進(jìn)食和消化，促使蚯蚓的糞便、黏液、體液和酶等進(jìn)入到物料中，并加速養(yǎng)分礦化，從而使蚯蚓糞養(yǎng)分增加，反之則降低。與初始值相比，不同處理組的蚯蚓糞有機(jī)質(zhì)、pH 均呈下降趨勢(shì)，且pH 后期接近中性，而電導(dǎo)率均呈升高趨勢(shì)。KHARRAZI et al[16]認(rèn)為蚯蚓在堆肥過(guò)程中通過(guò)自身活動(dòng)加速了有機(jī)質(zhì)的分解與礦化，在此過(guò)程中，促進(jìn)了原料中礦物鹽和無(wú)機(jī)離子的釋放，以及形成一些中間產(chǎn)物，從而會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降低，pH、電導(dǎo)率升高。NDEGWA et al[17]研究認(rèn)為，蚯蚓糞pH 的變化與氮、磷礦化和產(chǎn)生有機(jī)酸有關(guān)。本試驗(yàn)蚯蚓糞的有機(jī)質(zhì)、pH 和電導(dǎo)率的降幅與增幅變化并不規(guī)律，可能是由于原料理化性狀差異所導(dǎo)致?？傮w來(lái)看，蚯蚓對(duì)純污泥(T1)的過(guò)腹轉(zhuǎn)化使有機(jī)質(zhì)降低最多，pH 降幅最大，蚯蚓糞的養(yǎng)分含量增加最多。與T1 純污泥組對(duì)比，秸稈和牛糞的添加不利于蚯蚓生物過(guò)腹轉(zhuǎn)化，其中添加秸稈的處理養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效果最差。

表3 不同處理蚯蚓糞理化性狀

2.2 蚯蚓理化性狀分析

不同處理組所收集的蚯蚓體含水率在78.36%～79.37%，差異不大。養(yǎng)分變化范圍在11.76%～12.31%，pH 5.40～6.05,添加秸稈的處理組（T2、T5）＞添加牛糞處理組（T3、T4）＞純污泥處理（T1）。蚯蚓收集質(zhì)量從高到低依次是T1＞T4＞T5＞T3＞T2，T1、T4 蚯蚓體收集量最多，分別達(dá)到了3.11 和3.07 kg，相較于初始蚯蚓投放量，增量超過(guò)了2 倍。蚯蚓個(gè)體的長(zhǎng)度和直徑也優(yōu)于其他處理，長(zhǎng)度分別達(dá)到了6.01 和5.43 cm，蚯蚓體直徑也分別達(dá)到了3.16和2.83 mm，見(jiàn)表4。

表4 不同處理蚯蚓體理化性狀

LIM et al[18]和蔡玉琪等[19]認(rèn)為利用新鮮污泥堆肥效果不佳。李英凱等[20]研究表明高比例的污泥會(huì)對(duì)蚯蚓的生長(zhǎng)起到抑制作用，甚至發(fā)生死亡現(xiàn)象，而從本試驗(yàn)5 組不同處理得出相反結(jié)果，以純污泥飼養(yǎng)的蚯蚓收集量最高?？赡苁怯捎谕斗诺尿球窘?jīng)過(guò)純污泥馴化，已適應(yīng)污泥的理化性狀，純污泥和高比例的污泥（T1、T4）配方中的養(yǎng)分及環(huán)境條件適宜蚯蚓的生長(zhǎng)與繁殖，而其他處理可能由于添加了牛糞和腐熟秸稈，改變了原有食源性狀，導(dǎo)致蚯蚓過(guò)腹轉(zhuǎn)化速率降低，繁殖能力下降。劉佳等[21]認(rèn)為只有當(dāng)可利用、易分解的物質(zhì)被完全降解后，蚯蚓才會(huì)利用較難降解的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如纖維素含量較高的有機(jī)物，因此添加腐熟秸稈對(duì)蚯蚓的繁殖影響較大，蚯蚓繁殖能力最低。

2.3 蚯蚓腸道微生物群落結(jié)構(gòu)組成變化

蚯蚓腸道是蚯蚓堆肥發(fā)生的主要場(chǎng)所[22]。本次試驗(yàn)對(duì)收集的蚯蚓體進(jìn)行腸道剝離，分析了不同處理的蚯蚓腸道中微生物種群的組成，考察不同食源對(duì)蚯蚓腸道內(nèi)微生物群落組成的影響。

2.3.1 細(xì)菌OTU 分析 在97% 的相似度水平下，得到了每個(gè)樣品的OTU 個(gè)數(shù)，見(jiàn)圖1。

圖1 OTU Venn 圖

圖1 展示了5 個(gè)處理之間共有、特有OTU 數(shù)目，表現(xiàn)出樣品間OTU 的重合情況。特有OTU 數(shù)T4＞T1＞T2 = T5＞T3，而T2、T3 和T5 的OTU 數(shù)目均低于1 個(gè)。

2.3.2 Alpha 多樣性指數(shù)分析 使用Mothur（version v.1.30）軟件，對(duì)樣品Alpha 多樣性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估。各樣品Alpha 多樣性指數(shù)值統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表5。

表5 Alpha 多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)

表5 可知，測(cè)序覆蓋深度均在0.99 以上，說(shuō)明測(cè)序結(jié)果代表了樣本中微生物的真實(shí)情況。Chao1指數(shù)常用來(lái)估計(jì)物種總數(shù)，即指數(shù)越大菌群豐度越高。Chao1 指數(shù)T4＞T1＞T3＞T5＞T2，表明T4、T1 蚯蚓腸道細(xì)菌物種豐度要高于T3、T5 和T2。Shannon 指數(shù)指示了樣品的細(xì)菌多樣性程度，數(shù)值越高，表明細(xì)菌群落的物種多樣性越高，分布越均勻。5 個(gè)處理的Shannon 指數(shù)從高到低依次為T(mén)4＞T1＞T3＞T5＞T2。T4 對(duì)蚯蚓腸道的細(xì)菌的物種豐度和物種多樣性高于其他處理，而以T2 喂食蚯蚓則最低，這與張瑩[23]的研究結(jié)果基本一致。

2.3.3 細(xì)菌多樣性分析 蚯蚓腸道菌群對(duì)蚯蚓穩(wěn)定自身身體機(jī)能、參與元素循環(huán)以及重金屬、農(nóng)藥等污染物的降解轉(zhuǎn)化發(fā)揮著非常重要的作用[24]。門(mén)水平上豐度水平前十的物種，見(jiàn)圖2。

圖2 門(mén)水平上的物種分布

圖2 可知，5 個(gè)處理的主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為變形菌門(mén)（Proteobacteria）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、放線菌門(mén)（Acitinobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）和藍(lán)細(xì)菌門(mén)Cyanobacteria）。黃魁等[24]的研究結(jié)果認(rèn)為以城市污泥為原料的蚯蚓腸道主要以變形菌門(mén)為主，可能由于厚壁菌門(mén)參與代謝活動(dòng)增強(qiáng)，因而成為腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)物種[25]。隨著原料中牛糞比例的增加，厚壁菌門(mén)減少，而變形菌門(mén)、放線菌門(mén)和擬桿菌門(mén)占比逐漸增加，這與YASIR et al[26]的研究結(jié)果一致。當(dāng)原料中添加了不同比例的腐熟秸稈，蚯蚓腸道內(nèi)變形菌門(mén)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次為厚壁菌門(mén)，變形菌門(mén)隨著腐熟秸稈添加量的增加而略有減少。有研究表明，蚯蚓能夠通過(guò)增加群落生物量來(lái)增加纖維素的降解效率[27]，蚯蚓消化道微生物和分泌的黏液、酶也能夠促進(jìn)纖維素的降解[28?30]。鄧艷芹等[31]認(rèn)為蚯蚓體表液對(duì)纖維素降解菌抑制作用較小而腸液促進(jìn)作用較大時(shí)，該纖維素降解菌株在蚯蚓腸道內(nèi)數(shù)量較多。從本研究的結(jié)果來(lái)看，蚯蚓在食用添加腐熟秸稈的原料后，蚯蚓腸道內(nèi)變形菌門(mén)為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌，有可能主要為纖維素降解菌，這類(lèi)菌及某些因素可能抑制了其他菌的生存，導(dǎo)致腸道內(nèi)微生態(tài)失調(diào)，引起蚯蚓腸道菌群處于失衡狀態(tài)，而導(dǎo)致這一結(jié)果的原因還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）蚯蚓對(duì)5 種不同配比的原料能夠進(jìn)行過(guò)腹生物轉(zhuǎn)化，尤其以100%污泥和70%污泥+30%牛糞的消納效果最好。污泥中添加牛糞和腐熟秸稈均能夠降低蚯蚓糞的有機(jī)質(zhì)和pH,而使電導(dǎo)率升高。蚯蚓過(guò)腹轉(zhuǎn)化純污泥和70% 污泥+30% 牛糞能夠使蚯蚓糞總養(yǎng)分含量增加。

（2）5 個(gè)處理的蚯蚓收集量以蚯蚓采食100%污泥后增殖量最高，50%污泥+50%腐熟秸稈蚯蚓則最低。在污泥中添加一定比例的牛糞和腐熟秸稈，蚯蚓均能夠繁殖，添加牛糞的處理要高于添加腐熟秸稈的處理，且投加腐熟秸稈比例達(dá)到50%效果最差，因此添加腐熟秸稈不宜比例過(guò)大。

（3）添加牛糞和腐熟秸稈會(huì)引起蚯蚓腸道微生物群落組成的變化。70% 污泥+30% 牛糞處理OTU 數(shù)高于其他處理，而50%污泥+50%腐熟秸稈處理則最低。喂食100%污泥的蚯蚓腸道內(nèi)細(xì)菌以厚壁菌門(mén)為主；隨著原料中牛糞比例的增加，厚壁菌門(mén)減少而變形菌門(mén)、放線菌門(mén)和擬桿菌門(mén)占比逐漸增加；而添加腐熟秸稈的原料后，腸道內(nèi)變形菌門(mén)成為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌。