蚯蚓堆肥中優(yōu)勢(shì)微生物作用及農(nóng)用風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

楊 林

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

當(dāng)前，我國(guó)每天會(huì)產(chǎn)生大量可生物降解的有機(jī)廢物(城鎮(zhèn)污泥、果蔬廢棄物等)，特別是污水處理副產(chǎn)物-城鎮(zhèn)污泥的產(chǎn)量在逐年增加[1]。城鎮(zhèn)污泥組分復(fù)雜且具有發(fā)酵能力，直接投入到自然環(huán)境中將會(huì)造成環(huán)境污染，而因其含有大量的可生物降解有機(jī)化合物，如果進(jìn)行資源化處理，則可以變廢為寶[2]。蚯蚓堆肥是在好氧和中溫條件下進(jìn)行生物穩(wěn)定化的過程，被認(rèn)為是處理有機(jī)廢物有用的一種技術(shù)[3]，它的產(chǎn)物含有豐富的作物所需的礦化物質(zhì)[4]，病原菌較對(duì)照組也顯著減少[5]，目前在園林廢棄物[6]、餐廚垃圾[7]等方面有諸多研究。

蚯蚓作為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，改變基質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)微生物群落產(chǎn)生直接或間接的影響。產(chǎn)物蚓糞通過掃描電鏡圖像和比表面積分析，比初始污泥變得更加緊密和破碎，蚓糞被強(qiáng)烈分解，變得更加緊密和破碎[8]。與傳統(tǒng)堆肥相比，蚯蚓堆肥促進(jìn)了有機(jī)物的轉(zhuǎn)化。細(xì)菌群落的瓶頸效應(yīng)發(fā)生在砂囊和前腸區(qū)域，主要體現(xiàn)在擬桿菌門，隨著時(shí)間的推移可以逐漸恢復(fù)和擴(kuò)大[9]。此系統(tǒng)中，微生物是有機(jī)物降解的主要菌群，且優(yōu)勢(shì)種群在有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化中起著最重要的作用[10]。其中，DOM在堆肥過程中對(duì)微生物活性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)起著重要的作用[11]。因此，這一系統(tǒng)中蚯蚓的活性和基質(zhì)的變化可能對(duì)微生物產(chǎn)生影響。并且蚯蚓堆肥可以有效減少城鎮(zhèn)污泥中抗生素抗性基因，近年來備受關(guān)注[12]。本文擬探究?jī)?yōu)勢(shì)微生物在城鎮(zhèn)污泥穩(wěn)定化過程中的作用，并對(duì)蚯蚓堆肥系統(tǒng)中抗性基因和致病菌的變化做了介紹。

2 優(yōu)勢(shì)微生物和理化指標(biāo)的關(guān)系

2.1 蚯蚓堆肥穩(wěn)定化過程

蚯蚓堆肥，按蚯蚓活動(dòng)可分為活躍階段和成熟階段，第二階段的堆肥時(shí)間由原始基質(zhì)的組分和第一階段的效率而定，反過來又決定了有機(jī)殘留物的應(yīng)用和蚯蚓的最終生物量[13]。按穩(wěn)定化過程依次為有機(jī)質(zhì)降解階段、氨化階段和硝化階段這3個(gè)階段[14]。堆肥過程中，溶解性有機(jī)碳在前期迅速降低，且EC、硝態(tài)氮、有效磷隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間呈上升趨勢(shì)，表明蚯蚓和微生物協(xié)同作用顯著加快有機(jī)質(zhì)礦化過程。基于光譜學(xué)分析，蚯蚓堆肥可以減少易降解有機(jī)物，如醇類，增加腐殖型物質(zhì)等。結(jié)束時(shí)，蚯蚓處理組DOC、氨氮和微生物生物量及活性值較低，蚓糞相對(duì)穩(wěn)定，pH降低的原因可能是穩(wěn)定過程中N和P化合物的礦化和有機(jī)酸的釋放；同時(shí)可降低污泥中銅、鎘的生物利用度，提高污泥中有效營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。Fu等將新鮮的顆粒化脫水污泥用于蚯蚓基質(zhì)，節(jié)省了蚯蚓過篩前的預(yù)處理時(shí)間，表明是一種可行的污泥垂直化預(yù)處理方法[15]。

2.2 堆肥結(jié)束時(shí)的優(yōu)勢(shì)微生物群落

微生物群落的演替與蚯蚓腸道和可利用的有機(jī)基質(zhì)有關(guān)。蚯蚓腸道對(duì)微生物具有瓶頸效應(yīng)，但是受影響的細(xì)菌能夠在后腸回復(fù)，腸道內(nèi)的厭氧環(huán)境和豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)促進(jìn)某些厭氧微生物的生長(zhǎng)。低分子量DOM(如游離氨基酸和糖)是異養(yǎng)微生物容易利用的，而高分子量DOM(如多酚和腐殖質(zhì))通常需要細(xì)胞外酶將其分解之前被微生物利用。這一系統(tǒng)中，新鮮城鎮(zhèn)污泥含有較多易利用的低分子量有機(jī)質(zhì)，微生物優(yōu)先利用低分子量有機(jī)質(zhì)，后期系統(tǒng)中多為難降解有機(jī)物。因此微生物在低分子量DOM的轉(zhuǎn)化中發(fā)揮更重要的作用，堆肥系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)也受低分子量DOM影響巨大，堆肥后期的群落結(jié)構(gòu)相比初始污泥發(fā)生了動(dòng)態(tài)變化。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，變形菌門、擬桿菌門、放線菌門這3個(gè)菌門基本的占比排名基本保持不變。堆肥后期有機(jī)物多為難降解有機(jī)質(zhì)，這一時(shí)期優(yōu)勢(shì)菌門主要是變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、浮霉菌門和厚壁菌門。

2.3 優(yōu)勢(shì)微生物在穩(wěn)定化過程中的作用

有研究指出，不同蚯蚓處理組微生物群落結(jié)構(gòu)雖然不同，但在同一堆肥時(shí)期的微生物功能卻可能相同[16]。DOM的濃度和組成能有效地反映最終堆肥的穩(wěn)定和成熟過程，堆肥不同階段中DOM的變化反映了優(yōu)勢(shì)微生物在有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化中起著最重要的作用，且堆肥后期優(yōu)勢(shì)微生物對(duì)判斷穩(wěn)定程度具有重要作用。擬桿菌門細(xì)菌通常包括各種具有很強(qiáng)水解許多大分子的能力的細(xì)菌，如淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和幾丁質(zhì)，擬桿菌門的顯著減少，說明初始污泥中可降解的有機(jī)物得到了很好的穩(wěn)定；放線菌是難降解有機(jī)物的主要降解者，堆肥后期豐富的放線菌通常也被認(rèn)為是成熟堆肥的一個(gè)重要指標(biāo)。同時(shí)，碳氮比可以作為衡量堆肥成熟度的可靠指標(biāo)，若初始基質(zhì)氮含量較高的情況下，C/N比例不再適用；當(dāng)系統(tǒng)后期DOC含量低于4mg/kg時(shí)，則堆肥產(chǎn)物已穩(wěn)定[17]。

3 抗性基因和病原菌的農(nóng)用風(fēng)險(xiǎn)

污水處理廠匯集了各種城市排水，包括居民生活污水、醫(yī)療機(jī)構(gòu)廢水、動(dòng)物排泄廢水等，這些廢水中不同程度的含有不能被動(dòng)物和人體吸收的抗生素，已有研究表明畜牧業(yè)成為環(huán)境抗生素污染的主要污染源[18]，且已有檢測(cè)到污水處理終端副產(chǎn)物剩余污泥中含有多種抗性基因，因此未經(jīng)處理，將是環(huán)境微生物耐藥性的一個(gè)潛在的來源。污泥和糞肥堆肥過程中抗性基因變化的主要原因與微生物群落演替有關(guān)。并且，在蚯蚓過程中，總大腸菌中、糞便大腸菌、腸球菌的HPB能夠顯著減少[19]。蚯蚓堆肥過程中病原體的減少可能是由于腸道酶的作用導(dǎo)致的微生物抑制、具有抗菌特性的體腔液的分泌等直接作用，以及一些間接的作用，如刺激當(dāng)?shù)氐奈⑸飳?dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)和拮抗[20]。

4 結(jié)語

蚯蚓堆肥是一種有效處置城鎮(zhèn)污泥的綠色方法，在有機(jī)廢棄物快速降解和減少抗性基因和病原菌方面具有顯著作用?，F(xiàn)從整個(gè)系統(tǒng)食物鏈角度對(duì)蚯蚓堆肥研究還較少；環(huán)境中抗性基因和病原菌問題日漸受到關(guān)注，蚯蚓堆肥作為一種生物處理技術(shù)，其特有的優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)物蚓糞的利用價(jià)值還有待挖掘。