秸稈堆肥功能微生物與高效降解菌劑的研究進展

王 鑫，彭仕樂，張旭屹，張宏森，毛國濤，謝 慧*，宋安東

（河南農業大學 生命科學學院，河南 鄭州 450002）

中國秸稈資源豐富，玉米、小麥和水稻等可收集農作物的秸稈年產量約7億t。截至2022年10月，全國農作物秸稈利用量達6.47億t，綜合利用率為88.1%[1]，包括生物降解、飼料加工、氣化、造紙工藝等。目前，美國、日本、丹麥及澳大利亞等國家除了將秸稈用作飼料與能源外，大量的秸稈被以還田的方式作為肥料使用[2]。而我國秸稈資源同樣以肥料化和飼料化利用方式為主，約占所有秸稈利用方式的77.5%[3]。秸稈還田不僅有利于提高土壤有機質含量、改善土壤物理結構及促進土壤微生物的生長繁殖，還能夠替代部分化學氮肥施用，降低農業生產成本。秸稈還田養分理論當季歸還量（化肥可替代量）年均值近300萬t。利用高溫堆肥發酵制備有機肥是對秸稈最有效利用的方法之一，其可有效減少因秸稈高強度直接還田所引起的病蟲害加劇的風險。

秸稈堆肥的腐熟過程是由多種微生物主導的，對復雜有機物質的生物降解過程[4]，也是由各類功能微生物分泌多種酶對其進行生物降解，所以該過程也是一個復雜的酶學過程，需要多種酶的協同作用來完成[5]。在堆肥過程中微生物的變化為：在堆肥初期，細菌和絲狀真菌開始快速分解易降解的有機物（蛋白質、淀粉類物質、簡單的糖類）并產生大量熱量。當堆體進入高溫時期（50 ℃）后，除部分殘留下來的以及新形成的水溶性有機物繼續分解外，復雜有機物（纖維素、半纖維素）也進行了強烈的分解，該階段以高溫微生物活動為主。當堆體溫度達到60 ℃后，嗜熱放線菌（Thermophilic actinomycetes）和芽孢桿菌屬（Bacillus）成為主要菌群，而好熱絲狀真菌幾乎全部停止活動。當堆體溫度達到70 ℃以上，只有好熱芽孢桿菌在活動，其他微生物大量死亡或進入休眠狀態，堆體溫度開始下降，當下降到適當溫度時，休眠狀態的好熱微生物恢復生命活動，堆體溫度又會再次上升[6]。因此，使秸稈堆肥高效腐熟的關鍵在于明晰所采用堆肥材料的結構特性及堆肥過程中各類關鍵微生物的具體功能。

本文詳細介紹了秸稈降解的功能微生物、高效降解菌劑及其應用效果，闡述了多種功能微生物在降解秸稈間的協同作用，并對多功能秸稈降解菌劑的研究現狀和存在問題進行分析，為今后開發高效多效秸稈降解菌劑提供了理論基礎。

1 秸稈堆肥中的功能微生物

秸稈中纖維素、半纖維素及木質素含量高，結構復雜，微生物難以利用，因此加快木質纖維素的降解是提高堆肥腐熟進程的關鍵。據報道，秸稈堆肥中具有木質纖維素降解功能的微生物主要有芽孢桿菌屬（Bacillus）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、木霉屬（Trichoderma）、曲霉屬（Aspergillus）等[7-8]。其中，Bacillus在堆肥前期降解纖維素及木質素具有主要貢獻[9]，而嗜熱真菌在秸稈堆肥過程中對復雜聚合物具有較強的降解能力，在高溫階段，Aspergillus在真菌群落中占據主導地位[10]。而ANTUNES L P等[11]研究發現，在高溫堆肥溫度超過65 ℃時很難檢測到真菌，這表明在堆肥高溫階段真菌的降解活性和細菌相比微不足道，因此，細菌是堆肥升溫和高溫階段的主要降解菌，而真菌的降解作用主要集中在冷卻與固化階段。

秸稈分解的主要過程是利用功能微生物對各種有機質進行轉化，包括以下三個過程：第一階段主要以細菌為主，利用秸稈中的可溶性營養物質繁殖，并積累腐殖質；第二階段則是以真菌的快速分解木質素為主；第三階段以放線菌的作用為主，開始對前期積累的腐殖質進行分解[12]。

1.1 細菌在秸稈堆肥中的功能與作用

GAVANDE P V等[13]研究發現，厚壁菌門（Firmicutes）中Bacillus在半纖維素的降解中起重要作用，而變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）分別可以促進纖維素和木質素的降解。目前針對加速秸稈腐熟研究較多的芽孢桿菌屬，包括解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliticus）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、短小芽孢桿菌（Bacillus pumilus）和蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）等[14-18]，如表1所示。ZHANG S B等[9]在水稻秸稈堆肥中分別接種暹羅芽孢桿菌（Bacillus siamensis）、B.licheniformis及嗜堿芽孢桿菌（Bacillus basophilus），發現芽孢桿菌的作用類似于群落演替中的先鋒細菌，在堆肥初期改善堆肥中的微環境，并使那些資源獲取能力強的微生物大量繁殖，微生物群落分解木質纖維素的能力增強從而縮短堆肥周期。李紅亞等[14]通過傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）和核磁共振氫譜（1H-nuclear magnetic resonance，1H-NMR）等分析接種B.amyloliticus后對玉米秸稈降解的影響，發現接種后的處理組在甲基、亞甲基和羰基的吸收峰強度均低于空白對照，木質纖維素分子結構中的主要共價鍵、木質素與碳水化合物的連接鍵和碳水化合物中糖環內的共價鍵出現明顯斷裂，說明B.amyloliticus可將玉米秸稈中的多糖結構降解為還原性單糖，并利用這些單糖進行自身的生物代謝。

表1 秸稈堆肥的主要細菌及其作用Table 1 Main bacterial species and their functions in straw composting

表2 秸稈堆肥的主要真菌及其作用Table 2 Main fungal species and their functions in straw composting

目前，能夠降解秸稈的放線菌主要是Streptomyces，其可以產生更高活性的纖維素酶。徐杰等[19]在水稻堆肥中添加灰略紅鏈霉菌（Streptomyces griseorubens），發現接種S.griseorubens的堆肥在第3天進入高溫期（＞45 ℃），高溫持續17 d。自然堆肥在第4天進入高溫期，高溫僅持續10 d。木質素、纖維素和半纖維素的大幅降解也發生在高溫期，分別比自然堆肥提高29.94%、18.78%、12.77%。結果表明，接種放線菌后不僅顯著延長高溫期，更重要的是加快堆肥中木質纖維素的降解。劉曉飛等[20]從寒地黑土腐殖質中篩選出一株具有高效降解纖維素能力的放線菌，經鑒定該菌株為鏈霉菌（Streptomycessp.），將該菌株接種于玉米秸稈液態發酵第7天時的降解率為17.8%。玉米秸稈紅外光譜的結果表明該鏈霉菌可有效降解玉米秸稈中的纖維素和半纖維素成分。

熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）在秸稈降解方面也起到非常重要的作用。王旭輝等[21]在赫奇遜氏無機鹽培養基中添加玉米秸稈纖維素并接種1株P.fluorescens，發現該菌株對玉米秸稈纖維素的降解率達到45.4%。周俊強等[22]通過濾紙條崩解實驗，發現P.fluorescens對麩皮和濾紙的降解率分別達到45.0%和33.3%，表明該菌株具有較強的纖維素降解能力。張鑫鵬等[23]在土壤中分離出1株具有纖維素降解能力的假單胞菌（Pseudomonassp.），在油菜秸稈堆肥試驗中，發現添加該菌株的堆體在第1天就進入高溫階段（＞45 ℃），堆體溫度維持在50 ℃以上的時間為26 d，具有堆體升溫快，高溫時間長的特點，從而加快堆肥腐熟并提高堆肥質量。

1.2 真菌在秸稈堆肥中的作用

真菌在秸稈堆肥過程中主要起到分解與維持物料穩定的作用。相比于細菌，真菌不僅可以分泌能降解纖維素、半纖維素和木質素的胞外酶，其菌絲還具備機械穿插作用，可以破壞秸稈的天然結構，更易降解秸稈，因此在秸稈降解方面受到國內外學者的普遍關注。

木霉屬（Trichoderma）能夠產生完整的纖維素酶系，具有溶解天然纖維素的作用，同時其屬中被廣泛應用在農作物產品上的生防菌，對作物生長發育條件也非常友好。里氏木霉（Trichoderma reedi）、長枝木霉（Trichoderma longiformis）、綠色木霉（Trichoderma viridis）及康氏木霉（Trichoderma koni）等真菌在秸稈的發酵領域中應用較多，如T.reedi可產生多種分解酶來降解秸稈。SARANGI S等[26]在水稻秸稈堆肥中接種里氏木霉NRRIT-26和NRRIT-27，發現不僅可以提高堆肥品質，且提高了水稻幼苗的活力及總葉綠素含量。李立波等[15]在玉米秸稈堆肥中接種了一株哈茨木霉（Trichoderma harzianum），固態發酵12 d時纖維素酶活達到3.61 FPU/mL，25 d后纖維素降解21.79%，同時T.harzianum還是一種可以抑制土壤及植物病原菌的有益菌[27]。

作為真菌的重要組成部分，曲霉屬（Aspergillus）在提高秸稈堆肥腐熟進程方面同樣發揮著不可忽視的作用。研究報道，黑曲霉（Aspergillus niger）、米曲霉（Aspergillus oryzae）、煙曲霉（Aspergillus fumigatus）、亮白曲霉（Aspergillus albus）等可降解纖維素、半纖維素和木質素[28-29]。陳露露[30]分析了接種A.fumigatus對玉米秸稈降解的影響，結果表明，A.fumigatus能分泌β-葡萄糖苷酶、羧甲基纖維素酶（carboxymethyl cellulase，CMCase）、濾紙酶和過氧化氫等多種木質纖維素酶，發酵第60天時秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素分別降低了44.78%、33.86%和52.22%，A.fumigatus具備良好的木質素降解能力。楊娜等[31]在自然秸稈堆肥樣品中篩選到一株A.niger，經測試，其濾紙酶活為17.7 U/mL，β-葡聚糖苷酶活為79.26 U/mL，顯著高于實驗中其他降解菌，具有高效的纖維素降解能力。

青霉菌（Penicilliumsp.）是一種重要的木質纖維素降解菌。目前，有關青霉菌降解木質纖維素的研究主要集中在木質素過氧化物酶和漆酶的合成機理與條件優化方面。趙玉鑫等[32]在青霉菌（Penicilliumsp.）對玉米秸稈復合菌系好氧發酵的影響中發現，接種青霉菌可以有效提高漆酶的活性，從而提高秸稈復合菌系對木質纖維素的降解，但對木質素過氧化物酶的活性有不利影響。趙旭等[33]篩選到一株Penicilliumsp.，其濾紙酶活為29.6 U/mL，纖維素酶酶活為31.5 U/mL，在玉米秸稈降解實驗中發現，接種青霉菌的處理組纖維素、半纖維素與木質素含量較空白對照均有減少，最終降解率為29.8%，表明青霉菌在秸稈降解方面具有巨大潛力。

近年來，許多研究人員針對秸稈中木質素難以降解的現狀，陸續分離出了一些木質素降解能力極為顯著的微生物。其中白腐菌（Phlebia）是擔子菌亞門中的一類大型真菌，也是已知能將木質素徹底降解為二氧化碳和水的唯一生物。其作用機制是一個以自由基為基礎所進行的鏈式反應過程，過氧化物酶、錳過氧化物酶以及木質素過氧化物酶對整個反應過程的啟動和催化起著關鍵作用[34]。目前，關于利用白腐菌加速秸稈降解的研究較多的菌株包括香菇（Lentinus）、云芝（Polystictus）和側耳（Pleurotus）[35-36]。

2 秸稈堆肥中復合菌劑的應用

2.1 秸稈堆肥體系中微生物的多樣性

秸稈堆肥腐熟過程實際是由多種微生物共同主導的發酵過程，且微生物菌群的數量及多樣性會隨堆肥時期的變化而改變[43]。在升溫期，優勢菌群包括Bacillus和假單孢菌屬（Pseudomonas）等，該階段內易降解的有機物快速分解為二氧化碳和水，難降解的有機物（纖維素、半纖維素及木質素）開始緩慢降解[44]；進入高溫期后，優勢菌群轉變為高溫雙歧菌屬（Thermobifida）、Aspergillus、Bacillus等[45]；隨著高溫期結束，堆體內營養物質匱乏，該階段的優勢微生物活動減弱，堆體溫度下降進入降溫階段及腐熟階段，該階段內嗜溫微生物重新占據主導地位，并開始繼續分解難降解的有機物，這個時期優勢菌群包括棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、束村氏菌屬（Tsukamurelia）、Bacillus、Streptomyces、小單孢菌屬（Micromonospora）等[46]。孟慶欣[44]在對牛糞玉米堆肥中微生物群落演替的研究中發現，堆肥各個時期中細菌群落的超1（Chao1）指數呈現先升高后降低的趨勢，并在升溫期達到最大值；辛普森（Simpson）指數呈現先降低后升高的趨勢，說明在堆肥的升溫期，細菌的豐富度和多樣性均顯著提升，進入高溫期后緩慢下降，在腐熟期細菌的多樣性顯著下降，并趨于穩定。堆肥過程中微生物的群落演替也表明微生物群落的代謝功能發生變化，張超[47]在綠豆皮與玉米秸稈混合發酵的實驗中通過Tax4Fun預測了細菌操作分類單元（operational taxonomic unit，OTU）的微生物功能，發現與糖類代謝相關的序列在堆肥的升溫期豐度最高，與氨基酸代謝相關的序列在高溫期有顯著提升，并在堆肥后期保持穩定，該研究表明氨基酸可以在堆肥中產生，并在高溫期被大量利用。

不同種類的秸稈堆肥的關鍵功能微生物群落同樣具有差異性，張麗麗[48]通過整合宏組學技術對玉米和小麥堆肥過程中的關鍵功能微生物群落進行研究，發現在玉米秸稈堆肥中具有明顯的群落演替情況，而在小麥秸稈堆肥中沒有較明顯的微生物群落演替變化，這是由于小麥秸稈的組分和結構差異造成的，并且未形成以纖維素降解微生物為主導的優勢功能群落。黃丹蓮[49]通過對水稻秸稈與蔬菜根莖混合堆肥的醌指紋圖譜進行分析，發現初始堆肥中含9種醌，高溫期為12種，進入降溫期后，醌的種類增加至17種，說明該堆肥模式下的微生物群落演替主要發生在高溫期至降溫期階段。上述試驗均表明單一菌種很難在堆肥的各個時期都發揮出優異的降解功能，因此復合菌劑比單一菌種對加快堆肥腐熟的效果更為顯著。

2.2 高效秸稈降解菌劑的研究進展

秸稈高溫復合降解菌系的研究報道主要集中在玉米、小麥與水稻秸稈，而秸稈低溫復合降解菌系的報道則主要集中在玉米秸稈，如表3所示。其體系構成主要分為三類，第一類是由具有秸稈降解能力的多種細菌構成。和真菌相比，細菌如Bacillus具有更快的生長速率及抗逆性（耐酸，耐堿，耐高溫），因此更易于工業化應用[50]，并在維持堆肥體系的穩定以及加速腐熟方面發揮重要作用[51]；第二類由多種細菌和真菌構成，目前大部分秸稈降解菌劑采用這一類，其在堆肥的各個發酵時期都具有良好的降解特性；第三類是由具有秸稈降解功能的多種真菌構成，其優勢在于木質素的微生物降解過程中真菌占主導地位[52]。秸稈的生物降解需要多種微生物及其分泌出的與降解有關的酶相互協同發揮作用，接種單一菌株很難對秸稈的快速降解產生作用[53]，這也是目前所有的秸稈降解菌劑中為何使用細菌與真菌結合的構建策略，因為真菌菌絲對木質纖維素結構的破壞能夠幫助細菌定殖，而細菌對木質纖維素結構的改性則能夠使真菌所產生的纖維素酶更加迅速的降解木質纖維素結構[54]。除上述三種體系外，目前有學者將秸稈原有的本土降解菌群與具有秸稈降解能力的功能菌進行組合，陳雪麗等[55]將秸稈降解菌群TF18與B.subtilis、膠凍樣芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）和B.amyloliticus組合，與玉米秸稈混合發酵8 d后，秸稈降解率達到21.3%。王一然等[56]對耐低溫秸稈降解菌群JZ5進行簡化，優化過的降解菌群對玉米秸稈降解潛力顯著提高。唐玉等[57]從畜禽糞便和秸稈腐熟物中篩選到5類初始菌群并將這5類菌群相互組配，篩選出高效穩定的降解菌群GDS-10，液態發酵15 d后玉米秸稈的分解率為63.09%，表明該降解菌群對玉米秸稈有高效的降解能力。

表3 秸稈堆肥中復合菌劑的組成及應用效果Table 3 Composition and application effect of compound bacterial agents in straw composting

前人對秸稈發酵復合菌劑的研究較多，但大多只關注其對秸稈的降解能力，隨著微生物技術的發展，一些學者在秸稈降解菌劑的基礎上添加具有其他功能的微生物，使菌劑同時具有兩種及兩種以上的功能[57-59]。目前，關于此類復合菌劑的研究大多以雙功能菌劑為主，其功能大致分為以下幾類，第一具有促產特性的降解菌劑；第二具有生防特性的降解菌劑；第三具有環保特性的降解菌劑。馬志遠等[59]在秸稈降解復合菌系中添加生防菌構建復合菌系，分析該復合菌劑對秸稈腐熟進程及對番茄生長的影響。結果發現，噴灑復合菌劑的處理組較噴灑清水的對照組提前4 d完全腐熟；秸稈還田時施加復合菌劑可以促進番茄生長，對番茄灰霉病的防治效果達到27.92%。袁洋等[60]構建出一種多功能復合型微生物菌劑，接種后可有效縮短堆肥發酵周期，菌肥還田后在番茄上增產顯著，增產率為7%。楊艷銘[61]通過對篩選到的高效秸稈降解菌的抗病特性及促生特性進行研究，獲得2株同時具備高效秸稈降解、抗病及促生功能的菌株，利用酶活互補關系將其構建為復合菌劑，水稻堆肥試驗結果表明，接種菌劑提高了高溫期持續時間，60 d后纖維素和半纖維素降解率分別為48.59%和38.53%，顯著高于空白對照，有效的促進了堆肥腐熟進程。

然而有學者研究發現，復合菌劑中菌株組合的降解效果并非是簡單的疊加效應[72]，秸稈降解菌的豐富度并非越多越好，菌株之間可能存在一定的拮抗作用或資源競爭，從而減弱了復合菌劑對秸稈的降解效果[73]，所以在構建復合菌劑時需考慮各菌株在不同時期以及對秸稈的不同成分的降解效果。

3 高效多效秸稈降解菌劑在處理農業廢棄物中的應用現狀及前景

秸稈是沒有被完全合理利用的寶貴資源，在我國華中地區，玉米及小麥秸稈資源產量巨大。通過堆肥的方式將秸稈肥料化可以使其快速腐熟還田養土，而秸稈降解菌劑的添加不僅可以加速秸稈腐熟的過程，還田后不同程度的增加土壤中的總氮、總磷、總鉀和有機質的含量，同時土壤中微生物群落結構及活性也相應發生顯著變化，為實現農業廢棄物的無害化處理資源化利用提供了良好的條件。但目前市面上的大部分微生物菌劑功能較為單一，在堆肥成本增加的同時，其實際應用效果遠低于化肥與農藥的共施，秸稈肥料化尚不能得到廣泛的應用。因此，高效且多效的微生物菌劑在秸稈肥料化方面具有良好的市場前景。

作為未來應用較多的高效多效秸稈降解菌劑，不僅需要滿足使秸稈堆肥快速腐熟的前提，還需發揮出其余一些有益功能，如減緩堆體氮素流失、生物防治、減少有害氣體排放和作物增產等；充分做到加速腐熟、以菌治污、以菌治蟲、以菌治菌，減少化學肥料、殺蟲劑和殺菌劑的使用，可為農業生產的良性發展做出突出貢獻。

4 結論

秸稈堆肥過程是由具有秸稈降解能力的功能微生物主導的發酵過程。為滿足高溫堆肥技術標準以及縮短秸稈堆肥堆制周期，獲取秸稈降解的功能微生物和構建高效秸稈降解菌劑成為關鍵因素。前者以篩選具有木質纖維素降解能力的微生物為手段，以降解酶合成機理和優化菌株產酶條件為主要研究方向，同時優化選擇出具備生物安全性及工業生產條件的菌株，為秸稈降解菌劑的構建提供更多選擇；后者以構建多菌種協同作用的秸稈降解菌劑為手段，以菌株間相互關系和添加配比為主要研究方向，細化出各菌株發揮最佳作用的時間段，同時應注意菌株間的拮抗關系、適用地區及秸稈類型。整體看來，基于對秸稈降解功能微生物及高效秸稈降解菌劑研究的逐漸深入，必將促進我國秸稈肥料化技術的發展與應用。