復合菌劑對污泥堆肥過程中氮素及腐殖質影響研究進展*

肖賀文，趙麗紅，崔 強

(1.遼寧工業大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001；2.錦州水務(集團)有限公司，遼寧 錦州 121002)

城市污泥是一種富含有機物質的廢棄物，其有效處理和資源化利用一直是環境保護的重要議題[1]。國外也在研究利用微生物菌劑清理淤泥等方面的技術，日本就有利用微生物菌劑清理淤泥的實例，通過將含有解磷菌、硝化-反硝化菌等微生物的固體菌劑撒入淤泥中，促進淤泥中的有機物和無機鹽的降解和轉化，減少淤泥量，提高水質。污泥堆肥具有減少廢棄物量、提高土壤質量和減少環境污染的潛力[2]，污泥堆肥過程中的氮素轉化和腐殖質合成問題一直備受關注。有研究表明，氮素作為植物生長的重要營養元素，其轉化過程對堆肥的成敗起著至關重要的作用。并且在土壤中，腐殖質可以提供養分，改善土壤結構，增強土壤的保水能力和透氣性，從而有助于植物的生長[3]。復合菌劑是一種由多種微生物群體組成的生物制劑，其多樣性使其具備多功能性，有助于優化堆肥過程[4]。污泥堆肥的過程實質上是由微生物進行堆肥的發酵過程，外接復合菌劑后，污泥堆肥的發酵溫度會提升得更快，以達到更好的堆肥效果。本文將系統總結復合菌劑在污泥堆肥中的應用和其對氮素轉化及腐殖質合成的影響，以便更好理解和改進城市污泥堆肥技術應用的可持續性。

1 復合菌劑的分類和作用機制

1.1 復合菌劑的分類

常見用于城市污泥堆肥中的復合菌劑類型主要包括：①細菌菌劑。以細菌為主要活性成分，例如假單胞菌、芽孢桿菌等，具有加速有機質分解、減少病原菌、增加肥效等作用。②真菌菌劑。以真菌為主要活性成分，例如曲霉、木霉等，能夠分解纖維素、木質素等難降解有機物，還有絲狀真菌菌劑，能夠促進有機質的分解，以及酵母菌菌劑，其具有較高的糖發酵能力和較好的適應性，能夠提高堆肥產品的質量[5-6]，提高堆肥效率。③放線菌菌劑。以放線菌為主要活性成分，例如鏈霉菌、諾卡氏菌等，具有較高的耐鹽性、抗逆性以及較好的分解能力。在污泥堆肥中可以根據實際情況選擇合適的菌劑類型來提高堆肥效果。

1.2 復合菌劑的作用機制

復合菌劑在污泥堆肥中發揮作用的機制包括以下幾個方面[7]：①降解有機質。復合菌劑中的微生物群體能分解復雜的有機物質，如蛋白質、纖維素和淀粉等，將它們轉化為更容易降解的有機物。這有助于減少有機物損失，縮短堆肥時間，提高有機質的利用率。②氮素轉化。復合菌劑中的氮素轉化型微生物如氨氧化細菌和反硝化細菌可以促進氮素的有機化和損失減少。氨氧化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽，而反硝化細菌將亞硝酸鹽還原為氮氣，從而降低氮素的損失。③腐殖質合成。復合菌劑中的腐殖質合成型微生物，如真菌，能夠分泌胡敏酸、富里酸等有機物，促進腐殖質的合成。這有助于提高堆肥產物的有機質含量。④抑制有害微生物。復合菌劑中的微生物可以競爭性地抑制有害微生物和病原菌的生長，從而減少它們在堆肥過程中的滋生。這有助于降低病原菌對堆肥產物的污染風險。⑤改善土壤結構。復合菌劑中的微生物能夠促進土壤團聚體的形成和穩定性。團聚體是土壤中的有機質、礦物質和微生物的聚集體，通過促進團聚體的形成，復合菌劑有助于提高土壤的通氣性和保水性。⑥增強植物營養。復合菌劑中的微生物可以固定土壤中的營養元素，如磷、鉀、鋅等，并釋放出來供植物吸收利用，有助于提高植物的生長速度和營養價值。⑦減少環境污染。復合菌劑中的微生物能夠降解有機污染物和重金屬離子，將其轉化為無害的物質或降低其毒性。這有助于減少環境污染和對人類健康的危害。

2 復合菌劑對氮素的影響

2.1 氮素的轉化

2.2 氮素的分解

復合菌劑在污泥堆肥中促進氮素的分解主要通過以下機制：①蛋白質降解機制。復合菌劑中的微生物可以分泌酶類，例如蛋白酶和氨化酶，這些酶可以促進蛋白質的降解。蛋白質是含氮化合物的重要來源，其分解可以釋放出氮元素。②氨化作用機制。復合菌劑中的氨氧化細菌可以將有機氮轉化為氨氮。氨氮是一種更容易在堆肥過程中分解和釋放的氮形式。③硝化作用機制。硝化細菌可以將氨氮氧化為硝酸鹽氮。這一氧化過程有助于氮素的分解和遷移。黃金枝等[13]研究不同復合菌劑對城市污泥堆肥過程中氮素轉化的影響，結果表明，芽孢桿菌屬可以分泌多種胞外酶，如蛋白酶、纖維素酶、幾丁質酶等，能夠分解水體中的有機氮物質，將其轉化為氨氮和有機碳。通過這一反應，復合菌劑促進氮素的分解和氮化合物的形成，使其更易被植物吸收和利用[14]。這一機制的重要性在于提高堆肥產物中的氮素的有效性。復合菌劑的應用有助于提高堆肥物料的氮素含量，從而增加其營養價值。

2.3 氮素的損失

復合菌劑在城市污泥堆肥中降低氮素的損失主要是通過氧化還原反應來實現的。在堆肥過程中，氮素常以亞硝酸鹽的形式存在，容易損失。Yunbei Li[15]等研究不同復合菌劑對城市污泥堆肥過程中氮素轉化和損失的影響。結果表明，添加復合菌劑能夠降低堆肥中的氨氮和亞硝酸鹽含量，增加堆肥中的有機氮含量，減少氮素的淋溶和揮發損失。同時，氮氣排放是一種重要的氮素損失途徑。復合菌劑中的反硝化細菌通過將亞硝酸鹽還原為氮氣，有效阻止氮素的流失。復合菌劑也會促進有機氮的有機化，使其更難被流失[16]。通過上述機制，復合菌劑在污泥堆肥中可以降低氮素的損失。這不僅有助于提高堆肥產物的質量，能減輕對環境的氮素污染，對可持續農業和環境保護有重要意義[17]。

3 復合菌劑對腐殖質的影響

3.1 腐殖質的形成

腐殖質是土壤有機質的重要組成部分，富含碳、氮、磷等養分，可影響土壤的物理和化學性質。腐殖質的合成主要通過植物殘渣的降解和微生物的代謝活動完成。復合菌劑中的微生物可以加速這一過程，增加腐殖質的合成[18]。腐殖質的形成可分為兩個階段，第一階段產生構成腐殖質主要成分的原始材料，即由各種形態和狀態的有機物質組成的混合物，在微生物作用下分解為各種簡單的化合物。第二階段為合成階段，即由微生物為主導的生化過程。將原始材料合成腐殖質的單體分子，進而再通過聚合作用形成不同分子量的復雜環狀化合物[19]。復合菌劑中的微生物，尤其是真菌和細菌，有強大的有機物降解能力，通過分解有機物質，如植物殘渣、有機廢棄物等，釋放出有機質，從而增強土壤肥力吸收[20]。有機質在堆肥過程中經過一系列生化反應，逐漸轉化為腐殖質的組成部分。Chen，Y等研究了不同復合菌劑對城市污泥堆肥過程中腐殖質形成和穩定性的影響[21]，結果表明，添加復合菌劑能夠顯著提高污泥堆肥中腐殖酸和富里酸的含量和比例，促進污泥堆肥中腐殖質的形成和穩定。因此，復合菌劑通過促進有機物質的降解和腐殖質的形成，提高污泥堆肥效果，為可持續農業和土壤保護提供支持[22]。

3.2 腐殖質、胡敏酸和富里酸含量的變化

在堆肥過程中，腐殖質、胡敏酸和富里酸的含量都有明顯的變化。腐殖質是堆肥產物中的主要有機物質，其含量通常會顯著增加。這是因為復合菌劑中的微生物分解和合成有機物質，促進腐殖質的形成[23]。胡敏酸通常在初期堆肥階段占主導地位，含量逐漸下降，而富里酸的含量則逐漸增加[24]。這反映腐殖質的成熟過程，其中初期的不穩定有機物質逐漸被穩定的有機物質所替代，該變化對土壤質量和養分供應有重要影響。胡敏酸和富里酸的相對比例變化也會影響土壤的化學性質，對養分的釋放和穩定起到重要作用[25]。因此，在城市污泥堆肥中，關注腐殖質、胡敏酸和富里酸的含量變化對于合理利用堆肥產物并改善土壤質量至關重要。

3.3 復合菌劑對腐殖質組分的影響機制

不同類型的復合菌劑在腐殖質的形成和穩定性上有以下機制：①有機物的分解。復合菌劑中的微生物通過分泌特定的酶類促進有機物的分解。這些酶能夠分解復雜的有機物質，將其降解成更小的有機分子以提供有機質的前體物質，進一步轉化為腐殖質的組分[26]。②酶活性的調控。復合菌劑可能通過調控土壤中酶的活性來影響腐殖質的形成。這些酶包括腐解酶、氧化酶等，其參與有機物質的降解和轉化。復合菌劑的微生物可以分泌特定的酶，提高有機物質的降解速度，從而促進腐殖質的形成[27]。③微生物代謝的調節。復合菌劑中的微生物通過其代謝產物和代謝途徑，可能影響有機物質的分解和合成。某些微生物代謝產物可以充當腐殖質的前體物質，加速腐殖質的合成。此外，微生物代謝過程中產生的氣體，如二氧化碳，可以影響有機物質的穩定性和組成[28]。④競爭性抑制。復合菌劑中的微生物可以與土壤中的其他微生物競爭，從而降低競爭性微生物對有機物質的降解速率。這有助于延緩有機物質的降解，將其轉化為腐殖質的組分[29]。復合菌劑通過影響這些機制，調控腐殖質的組分和形成過程。不同類型的復合菌劑可能在這些機制中具有不同的側重點和效果，因此在實際應用中需要根據具體情況進行選擇。

4 總結與展望

污泥堆肥是一種有效的污泥處理和資源化利用方法，本文綜述了復合菌劑在城市污泥堆肥中的應用和作用，探討復合菌劑對氮素轉化及腐殖質合成方面的影響機制，以及復合菌劑對腐殖質組分的影響規律。從微生物學、生物化學、土壤學等多個角度進行深入分析，揭示復合菌劑在城市污泥堆肥中發揮作用的原理和過程。國內現已有多種具有良好性能和實用價值的微生物菌劑，如VT系列復合微生物菌劑等，并在農業生產、污水處理、堆肥等領域得到廣泛應用[30]。

在今后的研究中，應從以下幾個方面進行深入探討：①完善復合菌劑在城市污泥堆肥中的應用技術，包括調整投放濃度、時間和頻率，以最大程度地發揮其作用。②針對不同城市污泥類型和處理規模，進行多學科交叉研究，以確定最佳的復合菌劑組合和處理策略。③設定多目標優化策略，以平衡城市污泥堆肥的資源回收、環境保護和經濟效益。