氮素轉化菌群對牛糞好氧堆肥的保氮效果

王佳麗,王梓宇,馬詠琪,唐德富,孫麗坤

(甘肅農業大學 動物科學技術學院,甘肅 蘭州 730070)

隨著我國畜禽飼養數量的增加和生產集約化程度的提高,畜禽糞便量與日俱增。畜禽糞便攜帶大量的病原菌,易腐爛和發出惡臭,若處理不當,極易引發一系列環境問題[1]。目前,畜禽糞便處理中應用最多的是好氧堆肥技術,即經過堆肥發酵,將畜禽糞便中的有機質分解、腐熟,轉化為穩定的腐殖質等,從而達到資源化利用的目的。在好氧堆肥中,大量氮素以NH3的形式揮發,既造成環境污染,又損失了氮素。控制堆肥過程中的氮損失已成為當前相關研究的熱點。

目前,控制氮損失的方法除了改變工藝條件、堆肥方式外,就是在堆肥過程中加入添加劑。根據添加劑的作用方式,可分為物理法和化學法兩類,前者常用的添加劑包括稻草、沸石、硅膠和活性炭等,后者包括過磷酸鈣、硫酸亞鐵、腐殖酸等。堆肥是由各種微生物在適宜條件下共同作用完成的,因此通過加入外源微生物來調整堆肥過程的微生物結構,也可達到減少氮素損失的目的[2]。研究顯示,在加快堆肥進程上,多種微生物群體共同作用的效果要顯著優于單一菌種[3-4]。目前,在堆肥上應用較為廣泛的微生物菌劑有EM菌劑、VITABIO微生物制劑、HM菌劑和RW促腐菌劑等[5-6]。馮明謙等[7]、王衛平等[8]的研究均發現,接種微生物可加速堆肥腐熟,提高堆肥產品質量,降低對環境的不利影響;楊延梅等[9]通過試驗證實,添加外源微生物可調控堆肥過程中的氮損失;傅梓鋮等[10]的試驗證實,添加微生物菌劑可加快有機質降解,提高堆肥產品中的總氮含量;劉克鋒等[11]發現,向糞便中添加微生物菌劑后,能明顯抑制堆體中的有害菌數量,促進毒性物質分解;Zhu等[12]在添加常用的商業菌劑后發現,添加微生物菌劑可使堆肥的高溫維持時間延長33%。綜上,接種適宜的外源微生物可優化堆肥質量,延長堆肥高溫時長,縮短堆肥周期,拓展堆肥在處理有機廢棄物污染和資源化方面的應用[13-14]。在外源微生物的選擇上,特定功能的微生物有助于解決相應的問題。例如：在堆肥中添加纖維素降解菌可提高纖維素降解率,促進堆體腐熟[15]。孫元烽等[16]將商品菌劑RW菌劑、BDM菌劑、JBB菌劑,和從牛、羊、馬的糞便中篩選出的纖維素高效降解菌制備成復合菌劑,用于羊糞堆肥發酵,顯著提高了纖維素降解效果,產品的纖維素雜質明顯減少,并且升溫更快,高溫持續時間更長,堆體的總養分含量更高。篩選具有除臭功能的優勢菌種并添加到堆肥中,可減少堆肥過程中臭氣的釋放。沈琦等[17]從豬糞中篩選出一株嗜熱纖維素降解菌Y3-2,該菌不僅能夠在高溫條件下降解纖維素,而且有脫氮除硫和抑菌的除臭特性。唐建等[18]將由1株畢赤酵母屬(Pichiasp.)和1株根霉屬(Rhizopussp.)組成的復合生物菌劑用于堆肥,增加了堆體中的硫化細菌、反硫化細菌、氨化細菌和硝化細菌數量,加快了硫化氫和氨氣的代謝轉化過程,抑制了硫化氫、氨氣的釋放量,減少了臭氣的產生。

本研究擬用牛糞中篩選分離出的除臭菌和纖維素降解菌研制適用于堆肥的復合微生物菌群,通過牛糞好氧堆肥試驗,從堆肥溫度、pH值、電導率、種子發芽指數(GI)、銨態氮含量、硝態氮含量、總氮含量,及堆肥過程中釋放的氨氣等指標的變化上,分析其應用效果,為減少堆肥過程中的氮素損失提供微生物材料和有效措施。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用的牛糞和玉米秸稈采自甘肅省臨夏回族自治州廣河縣三甲集鎮新莊坪牛羊養殖農民專業合作社。其中,牛糞的含水量為69.0%,總氮含量1.79%,總有機碳含量31.60%;玉米秸稈的含水量為25.3%,總氮含量0.46%,總有機碳含量51.06%。

試驗用的微生物復合菌群由作者團隊自行研制,由自行分離純化、并經拮抗試驗驗證的10株氮素轉化性能較好的菌株復合而成,其編號如下：EE00008、EE00009、EE00011、EE00037、EE00014、EE00075、EE00071、EE00072、EE00073、EE00074。其中,EE00008、EE00009、EE00011、EE00014在纖維素降解上較具優勢,EE00072、EE00073、EE00074在除氨上較具優勢,EE00037和EE00075的氨氧化性能較強,其氨氣去除速率分別為33.38、38.46 mg·L-1·h-1。在這10株菌株中,EE00008的最適生長溫度為50 ℃,EE00071、EE00072的最適生長溫度為55 ℃,其他菌株均為37 ℃。

1.2 堆肥工藝與裝置

按照一定比例將牛糞和玉米秸稈混合均勻,使其碳氮比(C/N)為25,然后將其分為對照組(CK)和接種組(T)：向接種組按照10 mL·kg-1的比例噴灑菌液,然后混合均勻;向對照組噴灑等量的無菌水作為空白對照。將兩組物料分別裝入堆肥裝置中開始堆肥。堆肥前,兩組物料的含水量均為60%,分別含有新鮮牛糞11.26 kg和玉米秸稈3.74 kg。

采用50 L(實驗室規模)的密閉發酵裝置(圖1)進行堆肥試驗。試驗是在冬季進行的,為保持筒壁溫度,在對照組和接種組的堆肥裝置外均圍上電熱毯和毛毯,使其外部溫度條件一致,均為35 ℃。堆肥期間采用鼓風機和人工翻堆混合的方式進行供氧,鼓風機功率為200 W,風量為2.4 m3·min-1,每天通風2次,每次通風時長1 h。

1,測溫口;2,集氣口;3,堆肥反應罐;4,通風孔;5,通風管;6,通風口。1, Temperature measurement port; 2, Gas collection port; 3, Composting reaction tank; 4, Ventilation holes; 5, Ventilation pipe; 6, Vents.圖1 好氧堆肥反應器的示意圖Fig.1 Diagram of aerobic composting reactor

1.3 測定項目與分析方法

自堆肥6 d起至堆肥30 d止,每隔1 d用TMP-1500型大氣采樣器(南京東邁科技儀器有限公司)采集氣體樣品至裝有3 L 2%(體積分數)硼酸溶液的玻璃容器中,早晚各一次,每次吸收1 h,檢測氨氣揮發量。

分別于堆肥開始前(0 d)和堆肥10、22、40 d時,在混合均勻的堆體中采集物料樣品,分別表征堆肥前期、升溫期、高溫期、腐熟期。每個時期采集9份樣品：3份保存為鮮樣,3份保存為超低溫樣,3份制備為風干樣。采樣時,在四角和中心共5個點,于深35 cm處取樣混合。

將采集好的堆肥樣品一部分保存于4 ℃冰箱,作為鮮樣備用;另一部分直接存入-80 ℃冰箱,作為超低溫樣。將采集到的堆肥樣品在自然環境下風干,研磨,粉碎,過100目篩,收集后保存,作為風干樣。

基于五點采樣法,利用地溫計測定距堆體頂部25 cm深處的堆體溫度,同時監測環境溫度。稱取20.00 g新鮮堆肥樣品,添加200 mL去離子水攪動15 min,靜置30 min,用PH-100A型筆式pH計(上海力辰儀器科技有限公司)測定懸浮液的pH值。稱取20.00 g新鮮堆肥樣品,添加200 mL去離子水于(20±1)℃振蕩30 min,靜置30 min后過濾,用CT-3031電導率儀(深圳市柯迪達電子有限公司)測定濾液的電導率(EC)。采用硼酸吸收-納氏比色法測定氨氣揮發量。稱取20.00 g新鮮堆肥樣品,置于250 mL錐形瓶中,加入2 mol·L-1的KCl溶液,振蕩1 h,取出,靜置澄清,吸取上清液,采用納氏試劑比色法測定樣品銨態氮含量,采用紫外分光光度法測定樣品硝態氮含量。稱取10.00 g新鮮堆肥樣品,置于250 mL錐形瓶中,按照固液比(質量體積比)1∶10的比例加入100 mL去離子水,在25 ℃條件下,100 r·min-1振蕩浸提1 h,取下靜置0.5 h后,取上清液過濾,收集過濾后的浸提液,采用小青菜種子開展試驗,測定種子發芽率和根長,計算GI。

1.4 數據分析

用IBM SPSS Statistics 25軟件開展單因素方差分析(one-way ANOVA)和獨立樣本t檢驗,顯著性水平選定為α=0.05。運用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 添加微生物菌群對牛糞堆肥溫度的影響

堆肥期間,對照組和接種組的外部電熱毯溫度始終保持在35 ℃,室溫始終在17～20 ℃。堆肥剛開始時,堆體溫度與外部環境溫度基本一致(圖2)。隨著堆肥的進行,堆體溫度開始上升,對照組和接種組的堆體溫度分別在堆肥18 d和14 d時上升至50 ℃以上,之后,堆體溫度維持在50 ℃以上,也就是說,接種組比對照組提前4 d進入高溫期。至堆肥22 d時,對照組和接種組的堆體溫度同時達到最大值,分別為54.3 ℃和60.1 ℃,然后堆體溫度逐漸下降,對照組和接種組的堆體溫度維持在50 ℃以上的時間分別為6 d和10 d。參照GB 7959—2012《糞便無害化衛生要求》,接種組達到了堆體溫度50 ℃以上,并維持10 d的無害化要求。綜合分析,接種組在堆肥過程中具有明顯的溫度優勢。

CK,不加微生物菌群的對照組;T,添加微生物菌群的接種組。下同。CK, Control group without microbes. T, Inoculation group with microbes. The same as below.圖2 不同處理堆肥的溫度變化Fig.2 Dynamics of temperature during composting under treatments

2.2 添加微生物菌群對牛糞堆肥pH值的影響

堆肥期間,接種組的pH值總體呈先增大后減小的趨勢(圖3),而對照組的pH值總體波動(先升后降再升),變化幅度相對較小。堆肥前和堆肥腐熟(堆肥 40 d)時,對照組的pH值顯著高于接種組;但在堆肥的升溫期(堆肥10 d)和高溫期(堆肥22 d),對照組的pH值顯著低于接種組。最后,在腐熟期,接種組的pH值穩定在8.10,對照組達到8.16。參照NY/T 525—2021《有機肥料》,接種組和對照組均符合pH值在5.5～8.5的要求。

同一天對照組(CK)與接種組(T)的數據點上無相同字母的表示兩組差異顯著(P<0.05)。下同。Dots marked without the same letters correpongding to the same date indicate signficant difference between the control group (CK) and the inoculation group (T). The same as below.圖3 不同處理堆肥的pH值變化Fig.3 Dynamics of pH values during composting under treatments

2.3 添加微生物菌群對牛糞堆肥電導率的影響

堆肥過程中,對照組和接種組的EC均呈先上升后下降再上升的趨勢(圖4)。堆肥前,對照組和接種組的EC分別為3.55、3.42 mS·cm-1,隨著堆肥的進行,兩組的EC均快速上升,堆肥10 d 時,兩組的EC最高,分別上升至4.66、4.36 mS·cm-1,隨后快速降低,堆肥22 d后再次出現上升趨勢。最終,對照組和接種組的EC分別為3.52、3.09 mS·cm-1。整個堆肥期間,對照組各次檢測的EC均顯著高于接種組,在堆肥結束的腐熟期,二者EC均低于相關文獻提出的抑制作物生長的電導率(4 mS·cm-1)[19-21],在作物生長安全范圍之內。

圖4 不同處理堆肥的電導率變化Fig.4 Dynamics of electrical conductivity during composting under treatments

2.4 添加微生物菌群對牛糞堆肥氨氣揮發量的影響

堆肥期間,對照組與接種組的氨氣揮發量變化趨勢總體一致,整體呈先上升后下降的趨勢(圖5)。堆肥初期,對照組與接種組的氨氣揮發量無顯著差異,堆肥6 d時分別為31.64、47.46 mg·cm-3·h-1。隨著堆肥的進行,對照組與接種組的氨氣揮發量逐漸上升,至堆肥12 d時達到最大值,分別為432.38、290.01 mg·cm-3·h-1,接種組的氨氣揮發量顯著低于對照組。之后,兩組的氨氣揮發量均開始下降,至堆肥30 d時對照組和接種組的氨氣揮發量分別降至5.27 mg·cm-3·h-1和0。

圖5 不同處理堆肥的氨氣揮發量變化Fig.5 Dynamics of ammonia volatilisation during composting under treatments

經統計,堆肥30 d內兩組處理總的氨氮揮發量分別為2 525.71、1 792.78 mg·cm-3,二者差異顯著。接種組比對照組氨氮少揮發了732.93 mg·cm-3,相對減少了29.02%的氨氣排放。

整體來看,堆肥期間,接種組的氨氣揮發量低于對照組,表明接種自制的微生物菌群在減少堆肥期間的氨氣排放方面具有明顯優勢。

2.5 添加微生物菌群對牛糞堆肥硝態氮含量的影響

對照組和接種組堆體的硝態氮含量在堆肥期間均呈先下降后上升的趨勢(圖6),堆肥10 d時,二者的硝態氮含量均降至最低點,對照組降至3.65 g·kg-1,接種組降至3.89 g·kg-1,至堆肥40 d時,對照組和接種組的硝態氮含量分別上升至4.19、4.27 g·kg-1。除堆肥40 d外,其他時期對照組和接種組堆體的硝態氮含量均差異顯著。與堆肥前相比,接種組腐熟后的硝態氮含量提高了5.43%,而對照組的硝態氮含量卻有所下降。

圖6 不同處理堆肥的硝態氮含量變化Fig.6 Dynamics of nitrate nitrogen content during composting under treatments

2.6 添加微生物菌群對牛糞堆肥銨態氮含量的影響

堆肥過程中,對照組和接種組堆體的銨態氮含量總體均呈現先上升后下降然后趨于穩定的趨勢(圖7),兩組相比,對照組的銨態氮含量變化較為平衡。堆肥10 d時,堆料被大量分解,接種組的銨態氮含量快速上升至最大值,顯著高于對照組,隨后,銨態氮含量開始下降,自接種22 d起,接種組的氨態氮含量即顯著低于對照組。堆肥40 d時,接種組的銨態氮含量較初始物料降低了39.54%,對照組降低了10.13%。

圖7 不同處理堆肥的銨態氮含量變化Fig.7 Dynamics of ammonia nitrogen content during composting under treatments

2.7 添加微生物菌群對牛糞堆肥總氮的影響

堆肥期間,對照組的總氮含量呈現先下降后上升再下降的趨勢(圖8),而接種組的總氮含量呈先下降后持續上升的趨勢,兩組的總氮含量始終呈現出顯著差異。至堆肥40 d時,接種組和對照組的總氮含量分別為27.89、25.79 g·kg-1,分別較堆肥前升高7.1%和降低3.53%,最終接種組的總氮含量較對照組高8.14%。上述結果表明,向堆體中添加微生物菌群展現出了較明顯的保氮效果。

圖8 不同處理堆肥的總氮含量變化Fig.8 Dynamics of total nitrogen content during composting under treatments

2.8 添加微生物菌群對牛糞堆肥種子發芽指數的影響

堆肥期間,對照組和接種組的GI總體呈升高趨勢,說明堆肥浸提液對種子發芽的抑制作用逐漸減弱(圖9)。堆肥前,兩個處理的種子發芽指數均在40%左右,無顯著差異。堆肥40 d時,對照組和接種組的GI分別達到77.82%和86.31%,二者差異顯著,說明本研究所添加的微生物菌群可以有效地促進堆肥腐熟,降低堆肥產品對植物的毒性。依照NY/T 525—2021《有機肥料》,種子發芽指數應大于70%,據此判斷,二者均符合有機肥料的技術指標要求。

圖9 不同處理堆肥的種子發芽指數(GI)變化Fig.9 Dynamics of seed germination index (GI) during composting under treatments

3 討論

3.1 復合微生物菌群加速堆體物料的分解和腐熟

在堆肥中,當堆體溫度處于55～60 ℃的高溫時,堆體物料分解較快,當堆體溫度達到55 ℃以上時,有利于殺死病原微生物;但若堆體溫度高于63 ℃,堆體中微生物的活性就會被抑制[22]。本試驗中,對照組與接種組堆體的最高溫分別為54.3、60.1℃,接種組的堆體溫度更高,有助于堆料的分解和消毒。

EC揭示物料浸提液的含鹽量,可反映堆肥的質量,通常認為,EC過高會抑制作物的生長[24]。在陳賽男等[25]接種自制復合菌劑進行土霉素菌渣和玉米秸稈堆肥的研究中,接種復合菌劑組的初始EC高于對照組,但最終接種復合菌劑組的EC(2.21 mS·cm-1)低于對照組(2.57 mS·cm-1)。李赟等[26]試驗發現,添加菌糠的處理組的EC小于對照組。本試驗中,最終對照組和接種組的EC分別為3.52、3.09 mS·cm-1,對照組的EC顯著高于接種組,均處于4.0 mS·cm-1的安全水平以下。這表明添加菌劑有利于降低堆肥中的可溶性鹽含量。

GI是判斷堆肥的植物毒性和腐熟度的重要參數。未完全腐熟的堆體含有植物毒性物質,如小分子有機酸、NH3、多酚等,對種子發芽具有明顯抑制作用,當GI值不低于80%時,堆肥中的植物毒性已消除,可認為堆肥達到完全腐熟[27]。韓麗娜等[28]的研究表明,接種微生物菌劑組的堆肥溫度高于對照組,且高溫期持續時間相對較長,堆肥44 d時的GI值為78%,遠高于對照組的51%,比對照組提前8 d腐熟,可明顯縮短堆肥腐熟時間。馬駿[29]在牛糞和玉米秸稈堆肥中添加自行篩選的高溫復合菌群,接種組的高溫期(>50 ℃)持續了18 d,超高溫期(≥ 80 ℃)持續了5 d,在堆肥的第16天時接種組的GI值就已超過80%。陳賽男等[25]研究發現,接種復合菌劑組比對照組的腐熟時間提前了7 d,最終在堆肥末期,對照組GI為94.8%,接種復合菌劑組為107.3%,遠高于本研究結果。張家楨[30]向堆肥中添加菌群后,GI值超過80%。李琬等[31]發現,利用外源微生物可以使堆肥材料的GI值增加8.9%。在本試驗中,堆肥40 d時,對照組和接種組的GI分別為77.82%和86.31%,表明添加微生物菌劑在一定程度上降低了堆肥對植物的毒性,加速了堆肥腐熟。

趙歐亞等[32]研究表明,在牛糞好氧堆肥中加入微生物菌群,可加速堆體升溫,堆肥3 d時堆體溫度即可達到54 ℃,且高溫持續時間變長,明顯加速了牛糞發酵的進程。沈根祥等[33]的結果顯示,加入菌群能縮短堆體的加熱時間,使堆體提前2～3 d到達高溫期,并使堆體的最高溫度升高1～2 ℃。徐大勇等[34]同樣發現,接種腐熟菌劑促進了堆肥有機物質的分解轉化,堆肥進入高溫期的時間提前7～10 d,高溫期延長,且堆肥的腐殖酸含量得到提高。在本試驗中,添加復合菌群后,堆體的最高溫度較對照組升高了5.8 ℃,且高溫期持續時間延長4 d。

綜上,本試驗自行研制的微生物復合菌群加速了有機物料的生物降解,提高了堆體的最高溫度,加速了腐熟進程。

3.2 復合微生物菌群通過影響堆肥過程的氮素轉化起到保氮作用

綜上,由作者團隊自行研制的復合微生物菌群在堆肥保氮方面效果良好,可減少堆肥過程中的氮素損失,降低氨氣排放對空氣造成的污染。