有機固體廢物高效腐殖化微生物調控原理與技術

馬彩云，李 偉，李 杰，吳偉霞，4，唐朱睿

（1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；3.中國環境科學研究院 國家環境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012；4.桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541006）

隨著社會的發展和全球人口的增長，畜禽糞便、污泥、農林廢棄物、生活垃圾等有機固體廢物的產量逐年上升，如何處理已經成為各國尤其是發展中國家面臨的環境問題挑戰。據2017年國家統計局數據顯示，2016年生活垃圾收集和運輸量已高達2.03億噸，畜禽糞便年產生量約38億噸，農作物秸稈產生量近9億噸，市政污泥年產生量也已超過700萬噸。這些有機固體廢物若處理不當，會向周圍的土壤、空氣、地下水中釋放病菌、重金屬元素等，從而直接或間接危害人體健康，并通過物質轉移和運輸造成更大的環境污染。

堆肥作為有機固體廢物資源化處理處置的方式之一，其原理是在微生物作用下將復雜的有機物轉化為穩定、成熟的最終有機產品——腐殖質。腐殖質作為堆肥的終端產物，在土壤修復、改善植物生長力以及土壤肥力方面發揮著重要作用。但目前有機固體廢物腐殖化效率低是制約堆肥技術發展的瓶頸，主要表現在以下兩方面：一是木質素、纖維素和半纖維素等有機物的降解效率低；二是C、N等元素大量流失使得礦化程度高，降低了堆肥產品的質量。因此，提高有機固體廢物腐殖化效率既可提升堆肥產品的質量，又可削弱礦化作用，抑制堆肥過程中CO等的排放，避免增強溫室效應，具有經濟和環境雙重效益。

堆肥是以微生物為主導的生物化學過程。因此，通過調控微生物促進腐殖質形成對于提高有機固體廢物腐殖化效率更為有效。腐殖化微生物調控方法包括生物強化調控、微環境調控和調理劑調控，其機理是通過改變微生物群落特征、優化堆肥微環境為微生物創造適宜的生存環境，以提高核心微生物活性，進而促進有機物的降解和提高腐殖化效率。

本文從生物強化調控、微環境調控和調理劑調控3方面介紹了有機固體廢物腐殖化微生物調控原理和調控技術，以期為提高有機固體廢物腐殖化效率提供科學參考。

1 有機固體廢物腐殖化微生物調控原理

堆肥原理如圖1所示。在堆肥過程中，大分子有機物被微生物分解為小分子物質，小分子有機物合成腐殖質的前體，再合成腐殖質。腐殖質前體的形成一般在堆肥的升溫期和高溫期，而腐殖質的形成一般在降溫期和腐熟期。堆肥腐殖質的形成理論是在土壤腐殖質形成的基礎上發展而來的，常見的腐殖質形成理論包括木質素理論、多酚理論和美拉德理論。木質素理論認為木質素是形成腐殖質前體的底物和骨架，木質素降解為酚和醌，可作為腐殖質前體，進而形成腐殖質；多酚理論認為腐殖質是由許多小分子物質縮合而成的，例如多糖和蛋白質等；美拉德理論認為氨基酸、多糖和還原糖通過聚合、縮合等反應形成腐殖質。腐殖質形成理論如圖2所示。然而在堆肥過程中多酚、醌、還原糖、氨基酸等物質是共同存在的，故腐殖質的形成是幾種理論共同作用的結果。此外，氨基酸在堆肥過程中普遍存在，證明了美拉德理論存在于不同堆肥物料腐殖質形成過程中。但由于堆肥物料不同，腐殖質形成的主要途徑有所差異，例如在雞糞和秸稈堆肥過程中，腐殖質的形成途徑主要遵循多酚理論；而堆肥物料為樹葉等木本植物時，腐殖質的形成主要遵循木質素理論。

圖1 堆肥原理示意圖

圖2 腐殖質形成理論示意圖

腐殖質是有機物在微生物作用下聚合或縮合而形成的。因此，微生物調控的核心在于調控影響微生物的外界因素，如必要的營養物質和適宜的環境條件等。下文將從生物強化調控、微環境調控和調理劑調控3個方面介紹微生物調控原理。

1.1 生物強化調控原理

微生物的比表面積大，代謝強度高，數目巨大，繁殖迅速，對有機物降解起主導作用。通過

接種外源微生物可以改變微生物群落及其代謝功能，加速簡單化合物的降解和復雜化合物的形成，促進腐殖質的形成。SUN等發現，在堆肥過程中細菌群落多樣性越高，對有機物的降解越有利；WU等發現，在稻草堆肥過程中接種功能性菌劑可以加強酶與核心微生物之間的聯系，促進有機物和粗纖維的降解；ZHAO等發現，多階段接種從堆肥樣品中篩選出的纖維素降解嗜熱放線菌可提高纖維素酶活性，在加速纖維素降解、提高腐殖質含量的同時降低了堆肥過程中CO的排放量。也有學者發現，雖然接種的微生物菌劑不是堆肥體系中的優勢菌，但它與其他微生物相互作用，可提高難降解有機物的降解效率。李昌寧等發現，在豬糞堆肥中添加的復合菌中雖沒有放線菌（），但它可以促進堆肥體系中土著放線菌的大量繁殖；劉東明等發現在餐廚垃圾堆肥中接種的芽孢桿菌可能沒有降解纖維素的能力，但起到穩定菌劑體系、提供生長因子的作用，避免了與土著微生物的功能競爭。接種微生物菌劑對堆肥微環境也有較大影響，有研究發現，在豬糞堆肥過程中接種微生物菌劑，在提高有機物降解效率的同時釋放出大量熱量，使高溫期提前出現，并延長高溫期。此外，多種微生物共同作用比單一的細菌、真菌、放線菌加快堆肥進程的效果更好。綜上，外源微生物強化調控提高腐殖化效率的機理包括：1）提高核心微生物的豐度，合成更多的酶促進有機物的降解；2）豐富堆肥體系中微生物群落的多樣性，共同參與腐殖質的合成；3）削弱礦化作用，減少CO和NH的排放，使有機物更多轉化為腐殖質，提高腐殖化效率。

1.2 微環境調控原理

微生物與環境因子之間相互影響。一方面，微生物需要從環境中攝入生長和生存所必需的營養物質；另一方面，微生物向環境中排泄各種代謝產物，抵抗和適應環境的變化，甚至影響和改變環境。環境因子對微生物的影響可分為：1）有利于微生物進行正常代謝；2）不利于微生物生長，從而抑制或被迫改變微生物原有的一些特征；3）惡劣的環境會造成微生物發生遺傳變異或死亡。以下從溫度、含水率、碳與氮的摩爾比（C/N）、曝氣量、pH等方面進行闡述。

1.2.1 溫度

溫度是影響微生物生長、代謝的重要環境因子之一。微生物的生長有其特定的最低溫度、最高溫度和最適溫度。當溫度過高時，微生物活性受到抑制，但可促進一些嗜熱細菌和真菌的生長，提高有機物的降解效率，進而間接促進腐殖質的合成。也有學者發現，超高溫預處理可提高堆肥中腐殖酸、多酚、氨基酸、多糖和還原糖的含量，這些物質用于合成腐殖質，也可用于刺激特定的微生物，使其產生更多腐殖質前體來合成腐殖質。此外，超高溫預處理還可以促進大分子有機物降解為溶解性有機碳，促進木質纖維素組分降解溶出，使其更多轉化為多酚，增加了腐殖質前體還原糖和氨基酸的含量。

1.2.2 含水率

含水率可影響微生物的代謝過程、營養物質的溶解和運輸、微生物的遷移等。堆肥最適含水率為50%~70%。含水率過高會導致堆體中氧分含量不足，微生物厭氧發酵，產生惡臭；含水率過低，影響微生物的生長繁殖，延緩堆肥反應的進程。因此，含水率控制在適合微生物發酵的范圍，能夠促進微生物生長和繁殖，縮短堆肥時間，提高堆肥效率。此外，含水率還可影響微生物對氧氣的利用量，進而影響有機物的降解和有害氣體的排放。KIM等研究發現，在牛糞堆肥中初始含水率為57%時好氧速率最高。TRéMIER等發現，在污泥堆肥中初始含水率為55%時有機物的降解最快。

1.2.3 C/N

C/N對微生物分解有機物的速率和最終堆肥產品的質量影響較大。當C/N過高時，氮源不足，微生物生長受到抑制，導致有機物降解速率緩慢，延長堆肥周期；當C/N過低時，碳源缺乏，氮素含量升高，進而轉化為NH、NO等揮發掉，降低堆肥產品質量。因此，適宜的C/N可促進腐殖化效率。一般堆肥體系中C/N需調節至（25~30）∶1，研究發現微生物在生長過程中每利用1份N需要消耗25~30份的C，一般通過加入秸稈、鋸末、雜草、樹枝、污泥和畜禽糞便等高C或高N的物質來調節堆肥C/N。鄧曉等在香蕉堆肥過程中發現，C/N為25的處理組中細菌數量比C/N為35時略低，但分解木質纖維素的優勢菌——放線菌的數量卻占優勢。也有學者發現在較低的初始C/N下可提高糞肥的處理量，但會增加N的損失。

1.2.4 曝氣量

曝氣可為微生物的生命活動提供充足的氧氣，還可通過供氧帶走堆體中產生的CO和水分，避免厭氧環境產生臭氣等。研究表明，堆肥體系中氧體積分數為10%時可滿足微生物代謝的需要，在供氧充分和其他條件適宜的情況下，微生物迅速分解有機物，產生大量的代謝熱能。ZHANG等對餐廚垃圾工業堆肥的研究發現，較長的曝氣時間縮短了高溫期，提高了纖維素降解菌的活性，并且適度通氣還可提高纖維素酶和蔗糖酶等的活性，說明曝氣量是提高核心細菌豐度的主要指標。

1.2.5 pH

pH通過影響微生物的活性而影響有機物的降解。一般堆肥允許的pH范圍為3.0~12.0，而適宜的pH范圍為7.5~8.5。適宜的pH可為微生物提供良好的生長繁殖環境，促進有機物的降解，而pH過高或過低均會抑制微生物的活性，降低堆肥效率。張云龍等在污泥堆肥中發現，較低的pH對堆肥效果有一定的影響，添加磷酸鹽可有效控制pH，促進堆肥進程。pH會影響堆料中微生物的活性，從而對堆肥過程中游離腐殖酸及富里酸的合成與轉化產生影響。

1.3 調理劑調控原理

根據調理劑的作用可將其分為調節劑、膨脹劑和重金屬鈍化劑，也可按照調理劑是否參與堆肥反應將其分為活性調理劑和惰性調理劑。鋸末、樹葉、秸稈等參與生物化學反應的易降解有機物被稱為活性調理劑，也稱有機調理劑；生物炭、沸石、粉煤灰等化學性質比較穩定，只改變堆體結構，不參與生物化學反應的無機物被稱為惰性調理劑，也稱無機調理劑。調理劑有兩方面作用：1）通過調整C/N、含水率、改善堆體密度和孔隙率等基本理化參數為微生物創造適宜的生存環境，提高微生物活性；2）為微生物提供豐富的營養物質，如氨基酸、還原糖等，使微生物活性保持在較高水平，持續發揮作用。以下從有機調理劑和無機調理劑兩方面進行闡述。

1.3.1 有機調理劑

有機調理劑在不同底物條件下可以促進堆肥反應的進程，其機理是：1）充當微生物可利用的營養物質，保障充足的營養源；2）調控理化參數，為微生物提供適宜的生長條件。ZHANG等發現，在甘麥草堆肥過程中添加氨基酸可為微生物提供豐富的營養物質，使微生物快速生長繁殖，生成更多前體參與腐殖質的形成。吳傳棟發現，在污泥堆肥中投加蔗糖后氧氣的消耗速率明顯增大，這是因為投加蔗糖后易降解有機物含量增加，促進了木質素、纖維素和半纖維素的降解效率。WANG等在綠色廢棄物堆肥過程中添加了蛋殼，發現蛋殼的蛋白質纖維結構可以有效改善通風情況和含水率，且蛋殼富含蛋白質、糖蛋白和蛋白聚糖纖維，可降低C/N；此外，蛋殼膜中的酶也有助于促進堆肥體系中有機物的分解。

1.3.2 無機調理劑

無機調理劑不同的晶體結構和電子傳遞能力改變了微生物群落多樣性和某些特定酶活性，從而優化微生物的生長環境，促進腐殖化程度。WU等發現，在堆肥過程中添加MnO可促進堆肥的腐殖化進程。這是因為MnO可吸收電子轉化為Mn，而Mn是各種代謝酶最重要的輔助因子之一，可作為酶促進劑來發揮作用；同時，Mn結核內有豐富的原核生物群落，可改變微生物群落多樣性。JIANG等在牛糞堆肥中加入赤泥，發現赤泥中的FeO能吸收電子并轉化為Fe，增加了漆酶的活性，提高了木質素的降解效率。LIU等發現，在堆肥中添加生物炭既可為微生物提供更多的空間，又有利于水分的保持和熱量的散失，還可改變微生物群落多樣性，提高核心微生物的豐度。但過量添加生物炭可能會延緩堆肥過程。YU等發現，在雞糞堆肥過程中添加生物炭和蒙脫石改變了腐殖酸形成過程中專性或兼性微生物群落的多樣性，促進了腐殖酸的形成。

2 有機固體廢物腐殖化微生物調控技術

2.1 接種外源微生物

接種外源微生物對提高有機固體廢物腐殖化效率效果顯著。XU等在牛糞堆肥過程中接種多功能嗜熱菌后發現腐殖質含量提高了3.7%。HU等在豬糞堆肥中發現接種纖維素降解菌后糖苷水解酶基因GH3E（真菌GH3）、GH6和GH7的相對豐度分別提高了0.45、0.09和0.39個數量級，纖維素的降解率提高了8.77%~34.45%。LI等發現在雞糞堆肥中接種微生物菌劑后5個處理組的腐殖化程度（胡敏酸與富里酸的質量比）分別為1.41、1.89、2.17、1.72和1.70，而未接種組為1.30。HENRY等發現，在木質纖維素廢料堆肥中接種嗜熱嗜酸有效微生物后，兩組接種組的平均微生物數量分別增加了12.0%和6.7%，生物多樣性分別增加了34.7%或43.7%。李恕艷等在雞糞堆肥中接種微生物菌劑后，其總有機碳含量提高了16.1%，同時總腐殖酸、游離腐殖酸以及水溶態腐殖酸及胡敏酸的含量分別提高了38.7%，45.7%、39.0%及54.9%。綜上，接種外源微生物可以有效提高堆肥的腐殖化水平。

2.2 調控微環境

探索微環境與微生物群落的關系對于提高堆肥產品的成熟度和安全性具有重要意義，微環境因子可以直接或間接影響微生物以及酶的活性進而影響有機物的代謝。ZHU等發現，高溫預處理后纖維素、半纖維素和木質素的降解率分別比傳統堆肥提高了78%、10%和109%，腐殖質含量和腐殖化指數（胡敏酸與總有機碳的質量比）分別提高了14%和38%。李丹陽等在羊糞堆肥中設計了不同含水率（70%、65%、60%和55%）的4組實驗，發現當含水率為65%時效果最好，物料干質量降解率達45%，總氮損失降低4.81%~16.99%，總溫室氣體排放減少7.56%~48.62%。尹瑞等發現，在牛糞堆肥過程中，當C/N為20~25時總腐殖酸的降幅較其他組低8.7%~31.1%，其中當C/N為25時腐殖化率（腐殖質與總有機碳的質量比）比其他組高0.4~1.4。WU等在雞糞堆肥過程中發現，曝氣量為0.1 L/（min·kg）比曝氣量為0.05 L/（min·kg）和0.15 L/（min·kg）的堆肥體系中腐殖質含量分別高5.3%和1.3%。因此，在堆肥過程中調控適合微生物生存的微環境條件，對于促進高效腐殖化有重要意義。

2.3 添加調理劑

調理劑通過影響微生物間接影響腐殖化效率。張海濱等發現，添加生物炭可以影響沼渣堆肥理化性質，進而影響微生物種群，從而影響腐殖化水平。ZHANG等發現，在干稻草堆肥過程中添加氨基酸后腐殖化指數顯著提高。JIANG等發現，在牛糞堆肥中添加赤泥后木質素的降解率和腐殖質含量分別提高了18.67%和16.39%。ZHANG等發現，在雞糞堆肥中添加丙二酸和MnO后CO的排放量減少了36.8%，腐殖酸含量提高了38.7%。YU等在雞糞和稻殼堆肥過程中分別添加生物炭、蒙脫石以及兩者的混合物后，腐殖酸的含量與初期相比分別提高了40.79%，45.39%，38.96%。宋修超等發現在中藥渣堆肥中添加質量分數為10%的腐熟堆肥可提前20 d進入高溫期，游離腐殖酸及水溶性腐殖酸含量分別增加7.8%和30.1%，胡敏酸含量增加15.2%?？傊?，在堆肥中添加調理劑可有效提高腐殖化程度。

3 結語和展望

微環境、調理劑和外源微生物可影響堆肥體系中的微生物群落多樣性和豐度，從而促進腐殖化效果，進而提升土壤有機碳等養分含量、改良土壤質量等。其中，外源微生物強化調控技術在腐殖化研究中前景較好，外源微生物在木質纖維素等有機物的降解和腐殖質的形成過程中發揮著重要作用，如VT菌劑、RW酵素劑、生物菌肥發酵劑、有機肥發酵劑等。但該技術尚存在以下問題：外源微生物與土著微生物存在競爭關系，其作用效果被削弱，且促進腐殖化和抑制礦化不能同時滿足；微生物與微環境的響應關系不明確，堆肥不同階段核心微生物不同，其生存需要的微環境條件不同，現階段對優化堆肥不同階段微環境研究尚不深入。

在堆肥過程中微生物的作用不容忽視，探明其在堆肥中的作用效果對于調控十分關鍵。但當前堆肥體系中微生物的作用網絡不清晰，研究尚不夠深入，特別是接種微生物菌劑后如何與土著微生物協同促進腐殖化進程，是堆肥研究的難點。因此，今后應加強以下兩方面的研究。

a）基礎理論層面。厘清堆肥過程中微生物代謝網絡，重點關注腐殖化和礦化過程中核心微生物的作用關系，通過微生物的正向調控促進腐殖化、抑制礦化，為功能性微生物菌劑的研發做好理論支撐。此外，通過統計分析或網絡分析篩選出影響不同階段核心微生物的主控微環境因子，為優化堆肥微環境和精準調控提供理論指導。

b）技術研發層面。用固定化等技術研發高效降解菌，使其既具有降解木質纖維素等大分子物質的能力，又可抑制礦化作用。為促進外源微生物的生長與繁殖，可從堆肥體系中篩選進行接種。優化堆肥微環境，調控不同階段核心微生物適宜的微環境條件，升級堆肥工藝或設備。多階段接種、多階段調控微環境和添加調理劑相結合，高效發揮微生物菌劑的作用。