谷思玉， 谷邵臣，趙昕宇

（1.東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.東北農業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱 150030）

現(xiàn)代好氧堆肥法是可降解固體廢物資源化利用的主要方式，它可以在一定程度上緩解我國肥料資源緊缺以及環(huán)境污染和生態(tài)破壞壓力[1-2]，符合我國污染環(huán)境防治法所確定的廢棄物處理減量化、無害化、資源化的原則，是垃圾處理處置的重要手段之一。

堆肥過程主要是利用微生物促進垃圾中可生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質生化轉化過程[3-4]，其中較難降解的物質是纖維素，最難降解的是木質素，所以纖維素、木質素的破壞意味著細胞物質的解體和腐殖質的產生，是堆肥腐熟過程中的最重要的物理性狀變化。因此，利用人工接種高效降解菌來促進纖維素、木質素分解的技術，對加速堆肥發(fā)酵進程有重要意義[5-8]。因此，該方面的研究也是垃圾生化處理領域的熱點和難點?；诖耍疚膶臃N降解菌堆肥的生化特性尤其是微生物活性指標以及各種降解酶活變化進行了研究。旨在通過生物化學手段分析，評價外源微生物接種堆肥可行性，進而為堆肥接種技術提供理論與技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

堆肥物料：城市生活垃圾；碳46.79%、氮2.51%，堆肥前將難降解物質塑料、紙張、金屬、磚石等進行挑選。

調理劑：木屑、碳54.65%、氮0.512%；干草，碳48.24%，氮1.20%。

菌種：耐高溫復合微生物菌劑(自制)，主要菌種包括纖維素分解菌、木質素分解菌、霉菌等，菌落數：1×109cfu·mL-1。

1.2 堆肥裝置

堆肥裝置結構見圖1，反應筒尺寸為：高400 mm，直徑330 mm，總容積34 L，出氣管直徑6 mm，配有滲濾液收集裝置、供氣及計量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、出口氣體在線檢測儀器。

圖1 堆肥裝置結構Fig.1 Diagram of composting device

1.3 設計

堆肥試驗設2個處理：①普通不接種耐高溫復合微生物菌劑處理（CK）；②接種耐高溫復合微生物菌劑處理（CM），接種劑體積與堆料干重比為5∶10。

堆肥初期添加木屑、粉碎的干草將堆肥物料含水率調節(jié)至60%，碳氮比調節(jié)至25，堆料干重約為10 kg。物料放入堆肥裝置內，強制通風量為0.5 L·min-1·kg-1。

1.4 樣品采集

分別在堆肥的 0、48、96、144、192、240、288和336 h采用四分法采集樣品，每次取樣品總量為500 g，取樣后直接測定各項指標。

1.5 測定指標及方法

1.5.1 溫度測定

采用堆肥裝置內置溫度探頭進行堆肥溫度時時監(jiān)測。

1.5.2 耗氧速率、CO2產生速率

采用堆肥反應器在線O2-H2S和CO2測定儀測定。

1.5.3 酶活性測定

纖維素酶、蔗糖酶、多酚氧化酶活性測定參照文獻[1-2]，方法如下：

a.纖維素酶活性是在樣品中加入纖維素后培養(yǎng)，使纖維素在纖維素酶作用下水解成葡萄糖，測定葡萄糖生成量以表征纖維素酶活性，活性單位用mg·g-1·24 h-1表示。

b.蔗糖酶活性測定及表示方法與纖維素酶活性相似，不同的是加入蔗糖以代替纖維素。

c.多酚氧化酶測定是在樣品中加入鄰苯三酚后培養(yǎng)，使鄰苯三酚在多酚氧化酶作用下氧化成紫色沒食子素，測定沒食子素含量以表征多酚氧化酶活性，單位為mg·g-1·24 h-1。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度變化

在好氧堆肥過程中，微生物分解有機質產生大量的熱量，使堆溫增高。一般來說，在一定溫度范圍內，溫度每升高10℃，有機體的生化反應速率提高一倍。隨之微生物的種群結構和代謝活力也會發(fā)生相應的改變[1-3]。因此溫度是反映堆肥生化特性及發(fā)酵進程的重要參數。本實驗研究表明，堆肥開始階段，堆料溫度迅速提高（見圖2），CM處理在堆肥的第1天即達到61℃，最高溫度達67℃，在堆肥周期內，高于55℃持續(xù)5 d。CK處理分別在堆肥的第2天達到61℃，高于55℃停留時間則為4 d。堆肥實驗表明，接種外源微生物可以加速堆肥升溫，而且耐高溫微生物對高溫等苛刻條件有良好的耐受性，可使接種堆肥高溫期持續(xù)時間更長，這也表明堆肥中接種微生物可加速有機物的降解，從而提高堆肥效率。

圖2 堆肥過程中溫度變化Fig.2 Changes of temperature during composting

2.2 堆肥過程中耗氧速率、CO2釋放率變化

堆肥過程中微生物消耗O2，將有機大分子物質降解成小分子物質，最后轉化為CO2和H2O，因此，堆肥過程耗氧速率與二氧化碳產生速率具有顯著的正相關。分析堆肥過程中耗氧速率、CO2產生速率能進一步深入了解堆肥變化過程及反應進行的程度。從圖3、圖4可以看出，堆肥過程中耗氧速率、CO2釋放率均在高溫階段達到峰值，分別為：CM處理，耗氧速率0.0992 mol·h-1·kg-1，CO2釋放率0.0967 mol·h-1·kg-1；CK處理，耗氧速率0.0794 mol·h-1·kg-1， CO2釋 放 率 0.0781 mol·h-1·kg-1。 CM處理耗氧速率、CO2釋放率達到峰值所需時間比CK處理提前24 h，并且最大峰值分別是CK處理的1.25、1.24倍。在堆肥0～120 h，CM處理耗氧速率、CO2釋放率均明顯高于CK處理。CM處理在第192 h CO2產生量已經與CK處理相接近，說明有機質降解速率開始下降，這可能與堆肥中可降解有機物含量減少且兩種處理微生物數量相接近有關。

堆肥升溫速率、耗氧速率、CO2釋放率與堆肥微生物種類、數量變化有直接關系，綜上分析，可以看出CM處理接種外源微生物菌劑可以提高堆肥中降解菌數量、活性及分解速率。

圖3 堆肥耗氧速率變化Fig.3 Oxygen uptake rate during composting

圖4 堆肥過程CO2產生率變化Fig.4 CO2produce rate during composting

2.3 堆肥過程中幾種酶活性變化

可降解固體廢物的堆肥過程是在微生物分泌體外酶的作用下把復雜的有機物質轉化成簡單的有機和無機物質，即礦化過程。但是有機物質的變化并不限于分解，與此同時，還進行新的有機物質合成，這就是在酶促作用下進一步把礦化的早期產物合成復雜的腐殖質。因此，酶系活性的強弱直接決定堆肥的進行和強度[1-4]。

2.3.1 纖維素酶活性變化

圖5表明，在堆肥升溫階段（0～24 h），CK處理纖維素酶活性略有降低，CM處理變化平緩；而在堆肥的高溫初始階段，兩種處理均呈明顯的增加趨勢，并在48 h達到峰值，分別為0.62 mg·g-1·24 h-1，0.57 mg·g-1·24 h-1，通過纖維素酶活性的峰值分析表明，與CK比較，CM處理纖維酶活性峰值增加了8.77%。此后堆肥溫度有所下降，纖維素酶活性亦隨之減少，但72～144 h間CM處理的平均纖維素酶活性比CK處理高1.21倍，說明耐高溫微生物對纖維素酶活的增加起到了很好的作用。

圖5 堆肥過程中纖維素酶活性變化Fig.5 Cellulose emzymes activity during composting

2.3.2 蔗糖酶活性變化

堆肥過程中的蔗糖主要是纖維素分解產生的，也有一少部分來源于堆料有機物中。蔗糖在蔗糖酶的作用下分解為單糖，而蔗糖酶作用的底物則是纖維素酶分解的產物，因此，蔗糖酶的活性與纖維素酶的活性密切相關。堆料中纖維素酶活性增大，產生的蔗糖量增加，進而促進分解蔗糖的微生物活動旺盛，導致蔗糖酶數量增加，活性增強。由圖6可以看出，堆肥過程中蔗糖酶活性變化與纖維素酶活性變化類似。CM、CK處理的堆肥蔗糖酶均在48 h達到峰值，分別 72.54 mg·g-1·24 h-1，66.98 mg·g-1·24 h-1，與CK比較，CM處理多酚氧化酶活性峰值增加了8.30%；兩處理蔗糖酶活性最大差距出現(xiàn)在72～144 h之間，而在堆肥的腐熟階段（240～336 h）蔗糖酶活性比較平穩(wěn)，兩處理間差距有所減小，且在300 h附近差距不明顯。

圖6 堆肥過程中蔗糖酶活性變化Fig.6 Sucrose emzymes activity during composting

2.3.3 多酚氧化酶活性變化

多酚氧化酶不僅能催化可降解固體廢物中木質素降解，還能使木質素氧化后的產物醌與氨基酸縮合生成胡敏酸[15]。

圖7 堆肥過程中多酚氧化酶活性變化Fig.7 Polyphenol oxidase emzymes activity during composting

從圖7可以看出，堆肥初期，隨溫度的升高，CK、CM兩種處理多酚氧化酶活性呈逐漸增加趨勢，并在堆肥144 h附近達到高峰，分別為70.25 mg glucose·g-1·24 h-1、85.96 mg glucose·g-1·24 h-1，與CK比較，CM處理多酚氧化酶活性峰值增加了22.36%。在堆肥的中后期，各處理的多酚氧化酶活性均高于堆肥前期，這可能與堆肥過程中木質素在中后期分解及胡敏酸的合成有關。

3 討 論

堆肥過程實質是一個微生物作用和分解的過程[16]，堆肥開始階段，溫度迅速升溫，微生物大量死亡，降低了微生物降解有機質的活性，降低堆肥效率。這就需要通過接種耐高溫微生物菌劑來加速度堆肥過程中有機質的降解速率，縮短堆肥周期。本文通過接種耐高溫微生物使堆肥迅速升溫，可使接種堆肥高溫期持續(xù)時間更長，加速有機物的降解，從而提高堆肥效率，與李秀艷等研究結論一致[17]。堆肥過程中，微生物首先分解利用易降解的有機質，產生大量的CO2，因此CO2能夠有效的反應出堆肥的不同階段[17]。通過堆肥過程中的耗氧速率及CO2產生率分析表明，接種微生物可明顯增加堆料中微生物的數量及其對有機物質的分解效率，提高堆肥分解旺期的耗氧速率及CO2釋放率，進而縮短堆肥周期。生活垃圾中含有大量的植物殘體，其中含有大量的纖維素類物質，纖維素、木質素等物質較難降解。加入耐高溫菌劑處理的堆肥其纖維素酶的活性明顯好于CK處理的，當堆肥溫度有所下降的時候，纖維素酶活性亦隨之減少，但72～144 h間CM處理的平均纖維素酶活性比CK處理高1.21倍，說明耐高溫微生物對纖維素酶活性的增加起到了很好的作用[18]。蔗糖酶的活性能夠間接反映纖維素酶的活性，兩個處理蔗糖酶活性最大差距出現(xiàn)在72～144 h之間，說明CM處理在72～144 h時間段內纖維素的活性較大，進一步說明耐高溫菌劑對纖維素酶的活性起到了增加的作用[19]。CM處理多酚氧化酶活性均明顯高于CK處理，表明接種微生物堆肥可促進堆肥過程中木質素的分解及胡敏酸物質的形成，與劉艷華等研究結果一致[20]。

4 結 論

a.接種耐高溫微生物菌劑進行堆肥，可加速堆肥升溫，提高堆料最高溫值，延長高溫階段持續(xù)時間。

b.接種微生物菌劑堆肥，可明顯增加堆肥各階段堆料中微生物群落的數量，提高堆肥中前期的耗氧速率及CO2釋放率，進而提高堆肥效率。

c.堆肥過程中纖維素酶、蔗糖酶活性變化規(guī)律基本一致，均在堆肥的第48 h達到峰值，在堆肥的24～192 h，接種微生物處理CM纖維素酶、蔗糖酶活性明顯高于CK處理。多酚氧化酶活性在堆肥的144 h達到峰值，并且堆肥降溫期及腐熟期多酚氧化酶活性明顯高于堆肥前期。在堆肥不同階段，接種微生物處理CM多酚氧化酶活性均明顯高于CK，尤其在堆肥的降溫及腐熟階段，增加顯著。

[1]杜吳鵬,高慶先.中國城市生活垃圾處理及趨勢分析[J].環(huán)境科學研究,2006,19(6):115-120.

[2]韓凌,王佳,李書舒.再生資源開發(fā)利用產業(yè)化中回收體系特征的初步分析[J].環(huán)境科學研究,2003,19(2):120-123.

[3]席北斗,劉鴻亮,孟偉,等.垃圾堆肥高效復合微生物菌劑的制備[J].環(huán)境科學研究,2003,16(2):59-64.

[4]魏自民,席北斗,趙越,等.城市生活垃圾外源微生物堆肥對有機酸變化及堆肥腐熟度的影響[J].環(huán)境科學,2006,27(2):376-380.

[5]Blanchette R A.Degradation of lignocelluloses complex in wood[J].Can J Bot,1995,73:999-1010.

[6]Ofosu-Asiedu A,Smith R S.Some factors affecting wood degradation by the rmotolerant fungi[J].Mycologia,1973,65:87-98.

[7]Sjostrom E.Wood chemistry,fundamentals and application[M].New York/London:Academic Press,1993.

[8]陳海濱,淘華,馮其林.我國城市垃圾處理現(xiàn)狀研究[J].武漢城市建設學報,1997,14(3):40-44.

[9]馮明謙,劉德明.滾筒式高溫堆肥中微生物種類和數量研究[J].中國環(huán)境科學,1999,19(6):490-492.

[10]潭小琴,鄧良偉,伍鈞,等.豬場廢水堆肥化處理過程中微生物及酶活性的變化[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2005,25(1):244-248.

[11]關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農業(yè)出版社,1983:260-339.

[12]席北斗,李英軍,劉鴻亮,等.溫度對生活垃圾堆肥效率的影響環(huán)[J].境污染治理技術與設備,2005,6(7):33-36.

[13]樸哲,催宗林,蘇寶林.高溫堆肥的生物化學變化特征及植物抑制物質的降解規(guī)律[J].農業(yè)環(huán)境保護,2001,20(4):206-209.

[14]謝春艷,賓寶華,陳兆平.多酚氧化酶及其生理功能[J].生物學報,1999,34(6):11-13.

[15]王宜磊.白腐菌多酚氧化酶研究[J].山東理工大學學報:自然科學版,2003,17(1):100-102.

[16]Haug R T.The practical handbook of compost engineering[M].S.l:Lewis Boca Raton,1993.

[17]李秀艷,吳星五,高廷耀,等.接種高溫菌劑的生活垃圾好氧堆肥處理[J].同濟大學學報,2004,32(3):368-371.

[18]李強,曹竹安.微生物發(fā)酵中二氧化碳釋放速率變化規(guī)律[J].生物工程學報,1996,12(增刊):232-233.

[19]何志剛,孫軍德.復合微生物菌劑在牛糞堆肥中的試驗研究[J].安徽農業(yè)科學,2007,35(16):4922-4933.

[20]徐智,張隴利,張發(fā)寶,等.堆肥反應器中2種微生物接種劑的堆肥效果研究[J].環(huán)境科學,2009,30(11):3409-3413.

[21]劉艷華,魏穎,李成,等.生活垃圾接種微生物堆肥對腐殖組分的影響[J].東北農業(yè)大學學報,2007,37(1):43-47.