楊浩瑜，秦潔，武曉燕，宋莉，趙斌

（中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

近些年來，由于我國高速發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、穩(wěn)步提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，從而產(chǎn)生的廢棄物也在隨之增加，并且伴有嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成阻礙。在2021 年國家發(fā)展改革委發(fā)布的《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中提出，到2025 年農(nóng)作物秸稈綜合利用率保持在86 %以上[1]。2020 年，《第二次全國污染源普查公報(bào)》公布的數(shù)據(jù)顯示，相比農(nóng)作物秸稈利用率，畜禽糞便的利用率仍然偏低，解決我國農(nóng)業(yè)廢棄物處理的問題須臾不能放松。

1 我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源概況及環(huán)境生態(tài)效應(yīng)

農(nóng)業(yè)廢棄物是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村居民生活排放的廢棄物總稱。農(nóng)業(yè)廢棄物也稱農(nóng)業(yè)垃圾，按其成分主要包括植物纖維性廢棄物和畜禽糞便兩大類；按其來源則可分為：（1）植物源：農(nóng)田和果園殘留物，如秸稈、殘株、雜草、落葉、果實(shí)外殼、藤蔓、樹枝和其他廢物等；（2）動(dòng)物源：主要以畜禽糞便為主；（3）農(nóng)副產(chǎn)品加工的衍生物：如水果及糧食作物殘?jiān)?、?dòng)物加工的廢料等；（4）人類生活廢棄物及糞尿[2]。

焚燒是目前大部分地區(qū)對未能資源化利用的廢棄物進(jìn)行處理的主要形式。但是，焚燒不完全會產(chǎn)生有害的氣體和化合物等危害大氣環(huán)境[3]。如對廢棄物處理不及時(shí)，其自然腐敗過程中的浸出液可能會污染水資源；畜禽糞便未經(jīng)處理大量堆放或直接排入環(huán)境，會污染地下水或造成水體富營養(yǎng)化[4]。高濃度的畜禽糞便未作科學(xué)處理直接用于施肥，會毒害作物，導(dǎo)致作物減產(chǎn)；畜禽養(yǎng)殖飼料中添加的重金屬元素也隨糞便排出進(jìn)入到環(huán)境，污染土壤。

2 微生物在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用中的作用

農(nóng)業(yè)廢棄物與煤碳、石油和天然氣并稱四大能源[5]，畜禽糞便和秸稈等廢棄物一直都是農(nóng)業(yè)種植與生產(chǎn)的重要肥源，通過科學(xué)的方法對其進(jìn)行資源化利用是大勢所趨。利用微生物技術(shù)，將植物源農(nóng)業(yè)廢棄物和畜禽糞便等動(dòng)物源農(nóng)業(yè)廢棄物通過發(fā)酵工藝加工、發(fā)酵、堆肥，變成相應(yīng)產(chǎn)品，達(dá)到資源化利用的目的。利用多種集成技術(shù)，深度開發(fā)農(nóng)業(yè)植物纖維廢棄物，整合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為植物、動(dòng)物、微生物三維資源整合的新型農(nóng)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益最大化的有效途徑。

2.1 肥料化

堆肥發(fā)酵可以利用微生物減少農(nóng)業(yè)廢棄物中的揮發(fā)性物質(zhì)，同時(shí)高溫也可起到滅活病原菌、蟲卵等有害物質(zhì)的作用。堆肥得到產(chǎn)品不僅可以調(diào)節(jié)土壤，還能供給植物生長所需的營養(yǎng)[6]。張雯琪等[7]將油茶低產(chǎn)林改造環(huán)節(jié)中產(chǎn)出的剩余物（主要由油茶枝丫、植株粉碎混合而成），通過尿素和Effective Microorganisms（EM 菌）對其堆肥發(fā)酵處理后制備有機(jī)肥，不僅減少了剩余物不恰當(dāng)處理時(shí)對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，還找到了制備輕基質(zhì)材料的新方法，可有效降低育苗成本。張晟國等[8]通過研制的復(fù)合菌劑對雞糞好氧堆肥過程中相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測和比較：結(jié)果使得堆肥過程升溫，腐熟程度增高，堆肥產(chǎn)物的纖維素酶活性增強(qiáng)、總養(yǎng)分流失和氮損失率顯著降低，達(dá)到了好氧堆肥高效降解轉(zhuǎn)化的目的。另有寧夏的57 家有機(jī)肥生產(chǎn)廠家通過添加微生物菌劑對農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行高溫堆肥發(fā)酵處理后生產(chǎn)有機(jī)肥，年產(chǎn)商品有機(jī)肥超過240 萬t。截至2017 年，寧夏有機(jī)肥施用面積達(dá)到14 萬hm2，形成了完整的農(nóng)業(yè)循環(huán)鏈，有效提高了微生物處理效率、資源化利用水平及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)效益[9]。

我國對堆肥發(fā)酵過程中接種微生物的研究起步較晚，目前市場上的菌劑產(chǎn)品均在一定程度上取得了良好的效果，在縮短發(fā)酵周期加快堆肥腐熟進(jìn)程的同時(shí)，也控制了臭味，保存了更多養(yǎng)分[10-13]。由于農(nóng)業(yè)廢棄物中的主要有機(jī)物組分是纖維素、木質(zhì)素、碳水化合物和脂肪等，這些物質(zhì)在堆肥發(fā)酵處理過程中的生物可降解性存在差異，其中碳水化合物和粗脂肪的降解相對容易，所以目前相關(guān)研究難點(diǎn)主要以堆肥發(fā)酵過程中纖維素和半纖維素的降解為主[14-15]。

2.2 燃料化

燃料化的主要途徑是沼氣發(fā)酵，指秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物在厭氧環(huán)境中，經(jīng)微生物分解代謝后形成以甲烷為主的混合氣體。一方面沼氣作為農(nóng)村能源使用；另一方面沼氣發(fā)酵殘余物可作為有機(jī)肥料和飼料還田。利用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣主要以畜禽養(yǎng)殖廢棄物作為原料，在微生物的主要作用下，經(jīng)過腐熟、除臭、脫水等一些列的工藝處理，將畜禽養(yǎng)殖廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託狻⒄右?、沼渣等產(chǎn)品，以供照明、供暖、汽車燃料、有機(jī)肥料等資源化利用。農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣發(fā)酵技術(shù)對于解決農(nóng)村地區(qū)環(huán)境污染及能源供應(yīng)具有重要意義[16]。

與堆肥發(fā)酵一樣，沼氣發(fā)酵的技術(shù)難點(diǎn)同樣是木質(zhì)纖維素的降解問題。朱心宇等[17]利用玉米秸稈沼氣發(fā)酵，投加不同濃度的強(qiáng)化菌株厭氧苯甲酸降解菌，甲烷產(chǎn)量得到了12%～20%的增加；且玉米秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的去除率也相應(yīng)提高了12%～46%。王晶晶等[18]采用高氨氮畜禽廢水作為氮源以馴化稻田土壤微生物，優(yōu)化其降解稻稈的初始pH 值，為稻桿的高效能源化利用提供參考，其結(jié)果表明，馴化后的土壤微生物可有效提高稻稈的降解率及其厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量。Kong 等[19]從高溫堆肥樣品中成功篩選到一種可高效降解農(nóng)業(yè)秸稈的厭氧菌群TC-5，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，稻秸和麥秸的降解率分別達(dá)到46.7%和54.5%，甲烷產(chǎn)量分別提高了22.2%和36.6%。另外廚余垃圾堆肥過程中添加適當(dāng)玉米秸稈可有效改善物料的含水率和孔隙度，提高堆肥過程的通風(fēng)、升溫效果，均衡堆肥產(chǎn)物的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而提高堆肥產(chǎn)物質(zhì)量[20]。

2.3 飼料化

通過微生物轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)廢棄物并制成蛋白飼料和青貯飼料等，可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的高值利用，有助于推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。

菌體蛋白又稱單細(xì)胞蛋白（SCP）或微生物蛋白，主要是指通過單細(xì)胞微生物利用工農(nóng)業(yè)廢棄物為營養(yǎng)基質(zhì)，人工培養(yǎng)得到的菌體蛋白質(zhì)。菌體蛋白中蛋白質(zhì)含量高，氨基酸種類齊全，是蛋白飼料的主要來源。國內(nèi)許多學(xué)者以果渣、麩皮等廢棄物為原料，釀酒酵母為菌種，進(jìn)行發(fā)酵獲得菌體蛋白，為開發(fā)菌體蛋白飼料的生產(chǎn)原料提供理論依據(jù)[21～22]。由于果渣經(jīng)微生物發(fā)酵后纖維素等大分子物質(zhì)降解成小分子化合物，不僅提高了營養(yǎng)價(jià)值及利用率，還改善了畜禽的適口性，因此廣泛被當(dāng)作飼料使用。有研究表明，在日糧中適當(dāng)添加果渣發(fā)酵飼料，一方面可以代替抗生素用來改善仔豬健康，另一方面可以提高生豬平均日增重和高豬肉品質(zhì)[23～24]。在家禽日糧中添加一定量的果渣發(fā)酵飼料，不但可以有效改善肉雞健康情況，降低血液中總膽紅素、血紅蛋白、尿酸等水平，還可以提高產(chǎn)蛋率和增加蛋重[25～26]。

秸稈、作物秧苗以及尾菜等農(nóng)業(yè)廢棄物含有豐富的纖維素、半纖維素、糖類和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分，如果將其合理加工轉(zhuǎn)化為動(dòng)物飼料，不僅可以變廢為寶解決我國部分地區(qū)牧草、飼料不足的問題，還能減少農(nóng)業(yè)廢棄物的堆積問題。但是部分青貯原料木質(zhì)素含量高，使得植物細(xì)胞壁中纖維素和半纖維素的降解效率大大降低，阻礙了植物細(xì)胞壁中的多糖被酶水解，其飼料利用率較低，所以乳酸菌和酵母菌等微生物的添加可以提高青貯品質(zhì)[27]。在青貯過程中添加乳酸菌可降低青貯飼料pH 值，抑制其他有害菌體的生長，同時(shí)提高青貯飼料品質(zhì)，提高木質(zhì)纖維素的分解率，降低總氮和丁酸的生成[28-29]，且通過對體外模擬瘤胃發(fā)酵特性的相關(guān)研究表明，維持瘤胃正常發(fā)酵且有助于飼料養(yǎng)分的消化吸收[30]。

2.4 基料化

農(nóng)林廢棄物經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砣绨l(fā)酵、堆腐、好氧-厭氧交替發(fā)酵、高溫惰化、熱解氣化等，即可成為基質(zhì)材料、能源材料等一系列的可持續(xù)能源[31-33]。好氧堆肥過程中，微生物分解農(nóng)業(yè)廢棄物中的有機(jī)物形成以腐殖酸為主的穩(wěn)定物質(zhì)，富含腐殖酸的堆肥產(chǎn)品可以有效提高土壤肥力，改良土壤性質(zhì)，以及具有保水保肥的功能[34-35]。

栽培基料是食用菌生產(chǎn)的必備要素之一，它可以給菌體提供生長所需的水分和營養(yǎng)[36]。近幾年，出現(xiàn)一些新型栽培基料如廢棉、香蕉莖葉、菌糠、核桃殼、蘆葦、北方樹葉等[37-40]，均通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到了喜人的結(jié)果，在提高了食用菌的生物學(xué)效率和產(chǎn)量的同時(shí)，也為當(dāng)?shù)刭Y源合理利用、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展分享了寶貴經(jīng)驗(yàn)。湖北省十堰市的食用菌工廠化企業(yè)利用玉米稈、煙桿等幾種農(nóng)業(yè)廢棄物替代木屑，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化食用菌生產(chǎn)基地130 hm2，使得項(xiàng)目區(qū)農(nóng)民增收3.2 億元[41]。福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所構(gòu)建了農(nóng)業(yè)廢棄物—菌渣栽培—菌渣堆肥—回田、柑橘套種竹蓀—菌渣回田、設(shè)施蔬菜套種食用菌的空間（碳）互補(bǔ)技術(shù)等農(nóng)菌廢棄物多級循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，5 年時(shí)間內(nèi)建立食用菌栽培核心區(qū)超5 萬m2；累計(jì)輻射推廣超600 萬m2；新建肥料生產(chǎn)線4 條，年產(chǎn)有機(jī)肥近7 萬t[42]。經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益顯著。

3 微生物在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用方面的問題及建議

微生物菌劑相關(guān)技術(shù)研究為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用提供了強(qiáng)有力技術(shù)支撐，是微生物領(lǐng)域研究的重要方向。近年來，盡管微生物在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用方面的發(fā)展迅速，但是在微生物實(shí)際應(yīng)用方面仍然存在著問題，針對我國目前的情況提出以下建議。

3.1 高效功能性菌株的篩選。目前我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的利用的轉(zhuǎn)化率偏低，主要是因?yàn)樵谫Y源化的過程中堆肥和發(fā)酵速率過慢且反應(yīng)不充分，因而篩選高效功能性菌株制成微生物菌劑尤為重要。應(yīng)結(jié)合實(shí)踐實(shí)際需要，加強(qiáng)對降解纖維素、木質(zhì)素、嗜熱耐高溫、解磷解鉀固氮等功能性微生物菌劑的篩選和研發(fā)。明確相應(yīng)菌株的工作機(jī)理、復(fù)合菌劑的復(fù)配比例以及最適繁殖條件等，以便于增加農(nóng)業(yè)廢棄物的利用效率，降低反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

3.2 微生物發(fā)展的多元結(jié)合。隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，微生物發(fā)酵產(chǎn)品需求多元化，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的發(fā)展也逐漸趨于多元性，比如可以構(gòu)建高效微生物菌群，利用定向進(jìn)化，縮短工程菌進(jìn)化周期，可以迅速提升菌群功能多樣性。在生物技術(shù)、高分子材料、機(jī)械工程等眾多學(xué)科間有機(jī)結(jié)合，從以往的傳統(tǒng)模式升級為多種技術(shù)系統(tǒng)的集成，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

3.3 微生物菌劑的成果轉(zhuǎn)化。可以通過多元化微生物發(fā)酵培養(yǎng)來合成多元化的目標(biāo)產(chǎn)品，以接近市場需求?？蒲性核捌笫聵I(yè)單位應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)特色，以加大宣傳發(fā)展農(nóng)業(yè)和能源可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)的重要性為前提，提高科研人員以及農(nóng)業(yè)人員對農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的認(rèn)知，形成良好氛圍與習(xí)慣。與此同時(shí)，企業(yè)應(yīng)當(dāng)依托高校和科研院所的技術(shù)水平和團(tuán)隊(duì)力量，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的合作，建設(shè)以市場為主要導(dǎo)向的技術(shù)創(chuàng)新平臺，實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果轉(zhuǎn)化，讓核心技術(shù)落地，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

微生物發(fā)酵工程是加快農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，取得最佳效益的重要手段。加強(qiáng)微生物在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用方向的應(yīng)用，構(gòu)建和完善相關(guān)領(lǐng)域微生物種質(zhì)資源的保護(hù)體系，對于推動(dòng)農(nóng)業(yè)微生物科技成果的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化具有重要意義。