稻草秸秆联合堆肥的新策略: 在堆肥的三个阶段添加不同的接种物外文翻译资料

 2022-04-29 09:04

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稻草秸秆联合堆肥的新策略:

在堆肥的三个阶段添加不同的接种物

摘要：在考虑接种时间的影响以及堆肥物质和污染物对接种效果的影响时，我们提出并研究了一种新的堆肥策略，其中三个接种点分别接种在三个堆肥阶段：接种量A（高温放线菌属GF1和GF2）在发酵前接种以增加或保持高温，在高温期后接种B（灰盖鬼伞和鸡腿蘑）以促进木质素降解，接种物C（哈茨木霉和根霉米曲霉）在30天发酵后接种以促进纤维素的降解。结果表明，接种可显着提高桩的温度和木质纤维素的降解。当将接种物A，B和C接种入绒毛时，温度分别从25LC增加到65LC，从33LC到39LC和33LC到38LC，35％木质素和43％纤维素已经在接种桩中降解与控制堆中15％木质素和25％纤维素的降解相比。结果，接种堆中的C/N比（在33天发酵后达到20）比对照堆中（在45天发酵后达到21.7）下降得更快。此外，接种桩的体积损失（76.5％）高于对照桩（53.2％）。因此，这项研究表明，在适当的时候接种适当的微生物改善了堆肥过程，我们的新堆肥策略有利于用稻草来堆肥牛粪。

关键词：堆肥；接种；木质纤维素；牛粪；稻草

  1. 简介

牛粪是农业生态系统的主要废物。 其不适当的处置会造成环境问题，如恶臭，硝酸盐和其他污染物渗入地下水，由氮和磷流失造成的湖泊富营养化。

堆肥是减少有机固体废物的一种有效途径，它是在受控环境条件下由微生物（细菌，放线菌和真菌）实现的有机废弃物自然分解的加速模式。 适当的堆肥会导致微生物代谢热的产生，从而可以有效地破坏病原体和杂草种子，并将可生物降解的固体有机物质转化为稳定的腐殖质样物质，就可以处理、储存和/或在不对环境造成不利影响的情况下在土地中施用。 因此，堆肥的研究越来越受到重视（Otero等，2011；Hachicha等，2012；Friedrich和Trois等，2013；Wei等，2013；Franke-Whittle等，2014；Rada等，2014）。

牛粪具有较高的密度和含水率，但碳氮比（C/N）较低，而稻草具有相反的性质。这两种材料的混合物可以为微生物提供更好的水分含量和更均衡的营养物质来进行堆肥过程（Li 等，2008；Liu 等，2011）。此外，木质纤维素是稻草和牛粪的主要组成部分，因此，其降解对堆肥操作至关重要。然而，木质纤维素生物质一般很难达到有效的堆肥性能，因为木质纤维素生物质难以降解，而且发酵过程涉及许多微生物（Ryckeboer等，2003；Chroni等，2009；Wei等，2013），这可能受到各种生化和物理因素的影响（Cayuela等，2009）。因此，通过接种微生物（Loacute;pez等，2006；Sasaki等，2006；Obodai等，2010）已经进行了许多改进堆肥过程的尝试，其基于以下事实：微生物的作用对于确定最终产品质量和堆肥过程质量至关重要（Elorrieta等，2002；Fuchs，2010）。

尽管一些作品描述了这种处理完全没有效果（Faure，1991；Acevedo等，2005），但许多研究表明接种微生物可加速堆肥过程并提高堆肥质量（Requena等，1996年；Elorrieta等，2002；Loacute;pez等，2006；Vargas-Garciacute;a等，2005,2007；Huang等，2008；Sarkar等，2010；Hachicha等，2012；Xi等，2012）。

但是，接种堆肥的性能取决于一些因素。其中最重要的因素是接种时间（Shin等，1999；Zeng等，2009,2010；Xi等，2012）。堆肥过程是一个动态的过程，其中种群的连续是确保完全生物降解的先决条件（Ryckeboer等，2003），这意味着接种微生物时应考虑接种时间。此外，温度变化影响着堆肥过程中的微生物群落（Nakasaki等，2013）。要求高于55℃的温度来杀死病原微生物。然而，如果达到的温度超过嗜热分解物的容许范围，堆肥将会受到破坏（Golueke和Diaz，1996）。据报道，微生物活性迅速下降，因为各种嗜热菌的最适温度不超过63℃，且活性在72℃时接近最低值（Bernal等，2009）。因此，应考虑高于55℃的温度在高温厌氧微生物接种的生长阶段的影响。

接种的另一个关键点是原材料和接种剂的特性。接种的微生物将与堆肥材料中的原生微生物竞争。为了避免原生微生物的影响，整个堆肥过程在无菌条件下进行（Loacute;pez等，2006；Huang等，2008），这在实际条件下是不切实际的。然而，一些研究表明，从农业废弃物中分离出的微生物更适应于非消毒条件下的农业废弃物堆肥（Vargas-Garciacute;aet等，2005,2007）。另外，在选择接种剂时应考虑堆肥物质。例如，木质素在植物源性物质堆肥过程中应该被修饰或降解，因为它通过物理限制降低了其他聚合物的可用性（Ladisch等，1983）。因此，通常选择作为接种剂的微生物是那些分泌细胞外过氧化物酶（如木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶）以降解木质素的微生物（Elorrieta等，2002）。

在考虑接种时间的影响以及堆肥材料和孕育剂特性的影响时，我们提出并研究了一种新的堆肥策略（图1），即分别在堆肥过程的三个阶段接种了三种接种物：（i）接种物A，在堆肥过程开始时接种高温放线菌属GF1和高温放线菌属GF2，以增加或保持堆的高温；（ii）接种物B，在堆肥过程的嗜热阶段后接种灰盖鬼伞和鸡腿蘑以促进木质素的降解；（iii）接种物C，30天发酵后接种哈茨木霉和麦粒霉以促进纤维素的降解。这项研究的主要目的是评估使用我们的新堆肥策略促进堆肥过程的可行性。为达到这一目的，如图1所示，我们用接种菌处理过的牛粪和稻草进行了实验室规模试验。

二、材料和方法

2.1微生物源

所有接种的微生物都是从牛粪中分离出来的。接种物A由高温放线菌属GF1和高温放线菌属GF2组成，在55℃的生长条件下分离。它们在55℃下在Luria-Bertani培养基上生长3-7天，然后在4℃下储存1个月。 我们使用Bavendamm的没食子酸和单宁酸法（Davidson等，1938）分离了由两种枯枝落叶腐烂真菌组成的接种体B：灰盖鬼伞和鸡腿蘑。 它们于28℃下在PDA上生长5-7天，然后在4℃下储存1个月。 接种体C由两种纤维素降解菌组成的：利用结晶纤维素作为碳的唯一来源分离哈茨木霉和根霉米曲霉。 它们于28℃下在PDA上生长5-7天，然后在4℃下储存1个月。

2.2准备底物

本实验中使用的牛粪和稻草是从中国云南大理的一个农场采集的。将稻草筛分以获得20-30mm的筛目尺寸。实验使用新鲜的牛粪。

2.3在静态桩和接种过程中堆肥

在截断圆锥形状（基圆半径：12.5cm；顶圆半径：21.5cm；高度：52cm）的特殊堆肥反应器中进行堆肥实验，工作容积为45L。堆肥反应器底部有一层稻草层（厚度为3-5厘米），用于收集堆肥过程中产生的沥滤。

将底物35g、200g牛粪分别和底物1g、200g稻草混合以获得27％和75％水分的C/N比。牛粪、稻草和接种物A的混合物用于堆肥。如图1所示，将由高温放线菌属GF1和高温放线菌属GF2（1：1；接种密度：107孢子g-1）组成的接种物A接种到牛粪和稻草的混合物中，并放入堆肥反应器中。然后，将20-30毫米的稻草铺在桩上以减少水的排放。在接种接种物B和C之前将其除去，并在接种后再次铺在桩上。当堆的温度下降到33℃时，由灰盖鬼伞和鸡腿蘑的菌丝体（1：1；接种密度：0.1％（g g-1））组成的接种物B在嗜热阶段后接种到堆肥反应器中。经过30天的发酵后，灰盖鬼伞和鸡腿蘑的子实体消失了，此时将由哈茨木霉和根霉米曲霉地孢子(1:1；接种量：107孢子g-1）组成的接种物C接种到堆肥反应器中。接种过程和堆肥过程在无菌条件下进行。

在堆肥过程中，加入适量的蒸馏水以保持水分含量在70-75%之间。对照堆在与接种堆相似的过程中进行，但不使用接种物进行堆肥。

2.4堆肥分析

用温度计手动监测堆的温度，每天三次（7:00，15:00和23:00）。该温度计从堆中心的表面以15cm的深度插入到堆中。 将样品从距离反应器边缘约10cm距离处均匀放置的三个测量点（15cm深度）中取出，并在两个相邻测量点之间约20cm距离处取样，并对下列参数进行表征。 在105℃下干燥24小时后确定水分含量。将1g样品和10ml去离子水混合，搅拌，静置10min，并通过pH电极计测量pH。

然后根据总有机碳和总氮的浓度计算出C/N比。通过干燥燃烧测量总有机碳（TOC）含量，将样品在105℃烘箱中干燥24小时，然后放入550℃炉中6小时。 称量余下的灰分以计算样品的碳含量。总氮浓度通过凯氏定氮法（Bremner，1965）计算。

根据Iiyama和Wallis的方法确定木质素含量（Iiyama和Wallis，1990）。 纤维素含量通过Sloneker的方法（1971）测量。 通过下式计算木质素和纤维素的降解率：

Rn=（m0-mn）/m0times;100％

其中Rn是第n次取样的木质素或纤维素的降解率，％； m0是木质素或纤维素的初始含量，g；mn是第n次取样的木质素或纤维素含量，g。

每个数据点表示三次测量的平均值，误差线表示标准偏差。使用SPSS（统计产品和服务解决方案）v19.0版本（IBM，USA）进行研究，发现堆肥过程中每个参数的值存在着显著差异。如果相关的P值低于0.05，则结果可以认为是显着的。

三、结果

3.1温度变化

如图2所示，在堆肥期间，环境温度在一个很窄的范围内（从20℃到30℃）波动。 发酵4天后，接种堆的温度从25℃显着升高至65℃。温度维持在55℃以上6天，然后在发酵12天后缓慢下降到33℃。当将接种物B接种入堆时，温度从33℃增加至39℃，并且在发酵30天后缓慢下降至34℃。当将接种物C接种入堆时，温度从33℃再次升高至38℃，然后缓慢下降至环境空气温度。

发酵1天后，对照堆的温度升至45℃以上。在发酵3天后达到最高温度（60℃）。在堆肥过程中，温度保持在55℃以上4天。嗜热阶段后，温度缓慢下降至环境空气温度。

3.2 pH值的变化

图3显示了45天发酵过程中pH值的变化。实验开始时，在牛粪，稻草基质和接种物A的混合物中测得pH值为7.5。在第一个15天发酵过程中观察到pH值从7.5下降到6.6，而在接种接种物B和C后pH值增加了。在该过程结束时，接种堆的pH值为8.3。 对照堆pH值变化趋势与接种桩相似。在第一个15天的发酵过程中观察到pH值从7.5下降到6.9。之后，pH值缓慢上升。在这个过程结束时，pH值达到了8.0。

3.3 C/N比的变化

传统上用于确定堆肥成熟程度的C/N比的变化如图4所示。堆肥材料的初始C/N比调整为27。经过45天的发酵后，对照堆的C/N比缓慢下降至21.7。接种堆和对照堆的C/N比变化趋势没有显着差异。但是，接种堆中C/N比值的变化速度比对照堆要快。发酵33天后C/N比降至20，并且在该过程结束时进一步达到16.5。

3.4木质纤维素的降解

图5a显示了堆肥过程中木质素降解率的变化。木质素在接种桩中的降解过程可分为三个阶段：（i）初始降解阶段（0-15天），在此阶段，木质素的降解率从0％缓慢增加至4％；（ii）快速降解阶段（16-30天），在这个阶段，木质素的降解率逐渐增加，在发酵30天后达到28％；（iii）缓慢降解阶段（31-45天），在此阶段，木质素的降解率缓慢增加。发酵结束时，接种桩中的木质素降解率达35％。 在45天的发酵期间观察到对照桩中木质素降解率的缓慢增加。 堆肥过程结束时木质素降解率达到15％。

图5b显示了45天发酵过程中纤维素的降解率。接种桩和对照桩的纤维素降解趋势没有显着差异。 对照桩中纤维素的降解率在45天发酵期间达到25％。 尽管如此，接种桩的纤维素降解速度要快于对照桩。 在第一个15天的发酵过程中，它从0％缓慢增加到4％，发酵30天后从4％迅速增加到43％。

3.5接种桩和未接种桩的微生物变化

在堆肥过程中，接种堆和对照堆的微生物变化如图6所示。混合物（接种物A，牛粪和稻草的混合物）呈褐色。将20-30毫米稻草铺在堆上以减少水的排放（图6a）。在堆肥过程的高温阶段（发酵第12天）之后，在堆肥材料上可观察到大量菌丝体（图6b）。然后，将灰盖鬼伞和鸡腿蘑的菌丝体接种到堆肥反应器中（图6b）。灰盖鬼伞和鸡腿蘑的菌丝体在堆肥反应器中生长。先在堆上观察到灰盖鬼伞的子实体（图6c）。灰盖鬼伞的子实体消失后，鸡腿蘑的子实体出现在堆上（图6d）。经过30天的发酵，哈茨木霉和根霉米曲霉的孢子被聚集在堆肥反应器中。发酵45天后，堆肥材料的颜色从褐色变为黑色（图6e）。对照堆在堆肥过程中的生物降解趋势见图6a和6f。然而，在堆肥过程中，在对照堆上没有观察到真菌的子实体。发酵45天后，堆肥材料的颜色从棕色变为黑色。对照堆的体积损失明显低于接种堆的体积损失（图6e和6f）。我们观察到接种堆的体积大幅减少（减少了76.5％），而对照堆则表现出53.2％的较小体积损失。

四、讨论

使用接种物来改善堆肥过程一直是一个有争议的课题。 一些作品描述了这种处理完全没有效果（Faure，1991；Acevedo等，2005），而另一些人则声称接种导致产生具有更好性质的堆

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