酵素菌肥的發酵過程研究

陳劍俠

（福建省測試技術研究所，福州 350003）

生物有機肥是指特定的微生物菌群和以動植物殘體為載體的有機物復合而成的一種兼具微生物和有機肥效應的肥料［1］。微生物菌種是微生物肥料產品的核心酵素菌，是由有益細菌、芽孢桿菌、絲狀菌、光合菌、酵母菌和放線菌等組成的微生物菌種，它除了對有機物有較強的發酵分解能力外，其中所含的放線菌可產生多種天然抗生素［2］。芽孢桿菌是酵素菌中的主要菌種，其具有改善環境、減少病蟲害的發生、減少農藥用量的作用。同時芽孢桿菌還能增加農作物中氨基酸和糖的含量［3］，作用于水果、蔬菜可以改善其口感和色澤。用酵素菌發酵富硒農產品生產過程的副產物得到的酵素菌肥，除了具有以上作用外還可以達到硒源再利用和廢棄物回田的目的，實現減少農業環境污染和減肥增效的效果［4］。

本研究以富硒梨（疏果或落果）為主要發酵原料，配以麩皮作為輔料，以酵素菌為發酵菌種，用化學分析法動態監測其發酵過程中電導率、pH、有機質含量（以COD 計）、總氮隨發酵進程的變化，對比了在不同碳氮比條件下不同監測因子隨發酵時間變化的規律，以期確定發酵終點的判定指征。發酵結束后進行渣、液分離，得到液態的酵素菌肥和固態的發酵渣，并測定其氮、磷、鉀、硒、有機質含量和pH，并比較發酵液與發酵渣的肥力效果。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料 島本酵素，濰坊島本微生物研究所；尿素（AR），國藥集團化學試劑有限公司；麩皮和梨（疏果或落果），福建德化村上小鎮農業有限公司；無菌水。

1.1.2 試驗器材 臺秤（FEJ-500 型，梅特托利勒），食品粉碎機（BL25C43 型，廣州美的精品電氣制造有限公司），分光光度計（島津UA-18000 型），電導儀（DDS-307 型），發酵罐（市售聚碳酸酯塑料灌容積3L），工業濾布（400 目），精密pH 試紙（杭州試三科技有限公司）等。

1.2 發酵方法

發酵前對供試材料島本酵素、麩皮、梨中的碳（以COD 表征）和總氮進行測定，通過添加尿素的方式調節發酵原料中碳氮比，試驗設計了5 種不同碳氮比發酵料，分別編號為1 號、2 號、3 號、4 號、5 號，其碳氮比分別為100∶5、200∶5、300∶5、414∶5 和500∶5（其中4 號、5 號不添加外氮源），發酵料添加一定比例的水裝罐，蓋上蓋進行發酵。

1.3 發酵過程的動態監測

以時間為發酵軸，定期現場觀察發酵現象，記錄發酵溫度，開蓋攪拌均勻后在線監測并記錄發酵液中電導率、pH。定期取樣分析：利用取樣網和移液管，每次移取過400 目濾網液體20 mL，用于測定其有機質（以COD 計）和總氮的含量。

1.4 檢測方法

總氮的測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》［5］第二法分光光度法；有機質的測定參考GB/T 18877—2009《有機-無機復混肥料》［6］加熱重鉻酸鉀法；電導率的測定參照HJ 802—2016《土壤電導率的測定電極法》［7］，在線直接測定；pH 采用pH 試紙在線快速測定。

2 結果與分析

2.1 現象觀察

發酵初期發酵物料呈上浮狀，發酵65 h 發酵渣開始下沉，331 h 左右1 號罐出現濃密曲棍狀菌落，379 h 4 號罐出現典型濃密曲棍狀菌落，呈酸酒味，858 h 后發酵渣上浮，939 h 后腐臭，有白色平滑菌膜浮于表面并開始有疑似霉點的菌斑出現（圖1）。

圖1 發酵過程的觀察

2.2 電導率隨發酵時間的變化

如圖2 所示，電導率在發酵初期迅速上升，至65 h 趨于穩定，然后緩慢上升，1 號和2 號在1 000 h后迅速上升，其他編號處理則緩慢上升，基本處于平穩狀態。主要原因是1 000 h 后腐敗加劇，氨基酸分解成小分子氨等，使得電導率上升。

圖2 電導率隨時間的變化

2.3 pH 隨發酵時間的變化

如圖3 所示，pH 由最初的6.0 下降至3.5 左右，大約在65 h 趨于穩定。在1 000 h 后上升，1 號、2 號、3 號添加外源氮的發酵罐中pH 上升明顯，4 號、5 號發酵罐pH 上升不明顯，主要原因是1 000 h 后腐敗加劇，氨基酸分解成小分子物質，pH 也上升。pH 隨發酵時間的變化與電導率的變化趨勢類似，進一步表明在1 000 h 后發酵液菌群的變化。

圖3 pH 隨時間的變化

2.4 COD 隨發酵時間的變化

如圖4 所示，COD 在0～572 h 呈快速下降趨勢，在572～858 h 處于相對平穩狀態，然后緩慢下降。可能原因是早期芽孢桿菌生長需要消耗較多的有機質，572～858 h 芽孢桿菌生長相對平穩，對有機質的需求和對發酵渣的分解處于相對平衡狀態。858 h后COD 呈緩慢下降趨勢，推測其他菌類逐漸占據優勢地位。

圖4 COD 隨發酵時間的變化

2.5 總氮隨發酵時間的變化

如圖5 所示，總氮在酵素菌肥整個發酵期間一直處于比較平穩波動的狀態，后期因迅速腐敗，更多的蛋白質被分解，并發現后期發酵罐呈腐臭味，推測氨基酸進一步分解成氨，總氮在發酵進程中一直呈波動變化趨勢，1 000 h 后有一個上升的趨勢。

圖5 總氮隨發酵時間的變化

2.6 酵素菌肥肥力分析測定

以4 號為代表，取酵素菌肥最終的發酵液和發酵渣，進行氮、磷、鉀、有機物、硒、芽孢桿菌有效含量的測定以及pH 的測定，結果見表1、表2。其中，全氮、五氧化二磷和氧化鉀之和作為肥料的總養分指標，由檢測結果計算可得出發酵渣中總養分為6.91%，發酵液中總養分為36.2 g/L。

表1 酵素菌肥發酵液肥力分析測定結果

表2 酵素菌肥發酵渣肥力分析測定結果

2.7 酵素菌肥肥力測定結果與相關國家標準要求的比較

2.7.1 發酵液成分 與GB/T 17419—2018［8］含有機質葉面肥液體產品指標比較，酵素菌肥發酵液有機質含量達到相應指標的10%，總養分達45.2%，pH也在指標要求的范圍內（表3）。

表3 酵素菌肥肥力與相關國家標準要求的比較

2.7.2 發酵渣成分 與NY 525—2021［9］有機肥料產品指標相比，酵素菌肥發酵渣有機質含量達相應指標的41.3%，總養分達172.8%，pH 也在指標要求的范圍內（表3），若與其他基肥一起用于根施可起到廢棄物回田、化肥減量增效的作用，并能部分補充農作物硒含量。需要進一步改善渣液分離裝置，提高渣液的分離效率，降低發酵渣中的水分含量。

3 小結與討論

綜合發酵過程中電導率、pH、有機質（以COD計）、總氮的變化規律和目視觀察結果，發現在發酵過程中，酵素菌肥在發酵858～1 000 h 時，動態檢測因子都顯示出相對平穩狀態，1 000 h 后顯示出明顯的變化趨勢。發酵初期酵素菌快速生長，然后趨于飽和穩定，隨后發酵進程加深，腐敗加劇，其他雜菌大量滋生，目視觀察在858 h 出現發酵渣上浮的現象，這與動態監測數據能夠很好地契合，若把發酵渣上浮現象作為發酵終點，有一定的理論依據并且有利于實際田間實踐的便捷操作。

發酵進程中不同碳氮比對發酵進程有一定影響，主要體現在發酵時間的變化上，碳氮比高的發酵速度慢。1 號到5 號動態監測因子的曲線變化趨勢并沒有明顯的變化。