堆肥科学与技术-第三章

第三章堆肥微生物学BACTERIAActinomycetes•Bacterialcells•GrowlikefungalhyphaeFUNGI第一节、堆肥微生物的种类及特征堆肥化是微生物作用于有机废物的生化降解过程，微生物是堆肥过程的主体。堆肥微生物的来源主要有两方面。一方面是来自有机废物里面固有的大量的微生物种群；另一方面是人工加入的特殊菌种。这些菌种在一定条件下对某些有机废物具有较强的分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等特点，能加速堆肥反应的进程，缩短堆肥反应的时间。堆肥中发挥作用的微生物主要是细菌和放线菌，还有真菌和原生动物等。随着堆肥化过程中有机物的逐步降解，堆肥微生物的种群和数量也随之发生变化。一、细菌细菌是单细胞生物，形状有杆状、球状和螺旋状，有些还能运动。在好氧堆肥系统中，存在着大量的细菌。细菌凭借大的比表面积，可以快速将可溶性底物吸收到细胞中。所以在堆肥过程中，细菌在数量上通常要比体积更大的微生物（如真菌）多得多。在早期的堆肥生产实践过程中非菌丝体结构的细菌，较具有菌丝体结构的真菌和放线菌更难以被发现，所以其重要性被忽视了。假单胞菌二、放线菌放线菌在分类学上是一类具有高G+C的革兰氏阳性细菌，能够比细菌忍受更高的温度和pH值，放线菌是具有多细胞菌丝形态的细菌，因此它们又具有一些真菌的特征。在堆肥化的过程中它们在分解诸如纤维素、木质素、角质素和蛋白质这些复杂有机物时发挥着重要的作用。它们的酶能够帮助分解诸如树皮、报纸一类坚硬的有机物。尽管放线菌降解纤维素和木质素的能力并没有真菌强，但是它们在堆肥过程中的高温期却是分解木质纤维素的优势菌群。三、真菌真菌不仅能分泌胞外酶，水解有机物质，而且由于其菌丝的机械穿插作用，还对物料施加一定的物理破坏作用，促进生物化学作用。在堆肥化过程中，真菌对堆肥物料的分解和稳定起着重要的作用。堆肥过程中真菌总的变化趋势与总的微生物变化趋势相似，开始时堆肥原料中的真菌以中温真菌为主，但数量少于细菌而与放线菌相近。中温真菌在堆肥过程中逐渐减少，此后嗜热真菌逐渐达到最大值，大部分真菌在堆体温度达到50℃时就不存在了，而当温度超过60℃时真菌几乎完全消失；当堆肥温度开始下降，温度低于45℃时，真菌的数量又回升，此时堆肥底物以纤维素和木质素为主，因此推测真菌数量的增加可能是由于堆肥中存在纤维素和木质素的原因。米曲霉烟曲霉特异腐质霉嗜热毛壳菌无孢菌群梭孢壳属渺小白霉四、古菌古菌大多数为嗜热菌或超嗜热菌，最近的研究发现在堆肥中存在一些低丰度的产甲烷古菌。同细菌比较其数量极低（贫养、代时长）。五、病原微生物及其他微型生物堆肥化不仅要达到稳定有机废物的目的，还要解决堆制过程中存在的公共卫生问题，主要病原菌包括在原来废物中带有的原生病原菌（primarypathogens）和堆制过程中产生的真菌、放线菌等次生病原菌（secondarypathogens）。原生病原菌如细菌、病毒、原生动物和蠕虫卵可引起健康个体染病，而次生病原体则可以削弱免疫系统，如造成呼吸系统疾病等。当温度超过70℃时，在几天内可以达到灭菌的目的，但在50℃~60℃时需要持续的时间为10~20d。微型生物在堆肥过程中也发挥着重要的作用。轮虫、线虫、跳虫、潮虫、甲虫和蚯蚓等低等生物通过在堆肥中移动和吞食作用，不仅能消纳部分有机废物，而且还能增大表面积，并促进微生物的生命活动。第二节堆肥过程中的微生物学研究一、堆肥过程中的微生物群落及其动态堆肥化的实质是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现的动态过程，所以对该过程的微生物生态学过程进行监控有利于有效地管理堆肥过程。由于在堆肥腐熟过程中微生物发挥着关键作用，所以有些微生物的特性能反映堆肥的腐熟进程。快速利用糖及淀粉嗜温细菌和真菌快速生长分解蛋白质、脂肪、纤维素及半纤维素嗜热细菌、放线菌和耐热真菌缓慢的降解木质素和其他难分解有机物，形成腐殖质嗜温放线菌、细菌和真菌及其他环境微生物定植堆肥初期，是微生物旺盛繁殖并释放出热能来不断提高堆肥温度的发热阶段。在这一阶段中，堆肥物质的变化情况是在好氧条件下，那些容易被微生物分解的有机物质，如蛋白质、淀粉类物质及简单的糖类等迅速分解，产生大量热量。在这一阶段中分解这些有机物的微生物以中温好气性种类为主，常见的有细菌和丝状真菌。当堆肥的温度超过50℃以后，通常被称为高温阶段，这一阶段中，除少部分残留下来的和新形成的水溶性有机物继续分解转化外，复杂的有机物，如半纤维素、纤维素等开始大量的被具有分解活性的微生物所分解，并进入到腐殖质的形成过程，出现了能溶解于弱碱的黑色物质。这一阶段中以高温微生物最为活跃，常见的有嗜热细菌，嗜热放线菌等。当温度上升到60℃以上时，嗜热丝状真菌几乎完全停止活动，嗜热放线菌和芽孢杆菌的活动占优势。到了70℃以上，只有嗜热芽孢杆菌在活动。很多的嗜热微生物，包括细菌，放线菌和丝状真菌，是分解纤维素和果胶类物质能力很强的微生物。因此，在高温阶段，纤维素、果胶类物质等快速分解，同时产生腐殖质。温度上升到70℃以上，大多数的嗜热性微生物也不适宜了，微生物大量死亡或进入休眠状态。这时，由于已死亡的微生物所含有的各种酶的作用，有机物质的腐解作用仍能进行一段时间，但由于酶蛋白不能自我繁殖，所以对有机物的腐解作用很快就衰退了，温度开始下降。当下降到适当温度时，处于休眠的嗜热微生物又恢复了它们的生命活动，堆肥的温度又会再次上升。为实现堆肥快速完全腐熟，应促使堆肥快速达到高温阶段，同时保证高温阶段持续长久。二、堆肥微生物降解的基本原理有机废弃物在微生物的作用下，一部分被转化为简单的有机物、无机物，这一过程为矿化作用；而另一部分包括难降解的部分则转化为垃圾层中的有机部分——腐殖质，这一过程为腐殖化作用。矿化是将有机物完全转化为无机物的过程，是与微生物生长（包括分解代谢和合成代谢）相关的过程，被矿化的有机物作为微生物生长的基质和能源，通常只有一部分有机物被用于合成菌体，而其余部分形成微生物的代谢产物，如CO2、H2O、CH4等。矿化也可以通过多种微生物的协同作用完成。矿化和腐殖化是垃圾生物转化过程中既对立又统一的两个方面，在一定条件下相互转化。微生物是垃圾降解的主体，生物降解过程以微生物代谢为核心，在过程中则遵循化学反应原理。此外，共代谢在有机物转化过程中的作用也引起了人们的注意。（一）微生物的降解转化能力1.微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快2.微生物种类繁多，分布广泛，代谢类型多样3.微生物降解酶（二）微生物对有机物质的吸收1.自由扩散2.促进扩散3.主动运输4.基团移位（三）有机物质的生物降解1.水解作用2.脱羧基作用3.脱氨基作用三、微生物在堆肥物料中吸附迁移的机理及影响因素（一）细菌在堆肥物料中的吸附作用细菌在堆肥颗粒介质表面的吸附可以被看作一个连续的过程。首先，细菌要经历在间隙液相中传输而接近固体表面的过程。静态下，此过程主要依靠重力、布朗分散、细菌的运动性以及湍流作用的联合作用来实现。细菌--堆肥颗粒表面的边界层(湍流作用)细菌与颗粒表面距离大于2nm，发生可逆吸附(远程作用力，包括范德华引力、双层相互作用力及位阻作用力)，细菌细胞的布朗运动仍然存在。不可逆吸附是由短程作用力包括化学约束力、偶极作用和疏水性相互作用等引起的，另外胞外聚合物也是引起不可逆吸附的重要原因。细菌发生不可逆吸附时，细菌细胞的布朗运动停止，细菌不能够被洗脱。1.可逆吸附减弱细菌在堆肥颗粒表面的吸附作用主要是集中在减弱可逆吸附作用上。通常，有两种模型可以描述细菌在颗粒表面的可逆吸附，一种是基于细菌和颗粒表面间静电特性的DLVO理论，一种是基于系统界面自由能的可湿性理论（wettabilitytheory）。这两种理论结合起来能够有效地分析细菌在颗粒表面吸附的机理。1）DLVO理论DLVO理论是目前对胶体稳定性解释的比较完善的经典理论。此理论是以两相互作用颗粒表面间的范德华引力和静电排斥力为基础，两作用力的平衡直接影响到胶体颗粒间的吸附作用。细菌由于尺寸较小（平均为1μm）且密度略高于水，可被看作胶体颗粒因此，DLVO理论可以用于分析细菌的吸附作用。2）可湿性理论不同于DLVO理论，可湿性理论不是基于细菌和颗粒表面的化学性质，而是基于细菌发生吸附前后的表面自由能（如表面张力）的变化。大量研究一致证明，可湿性理论能够合理解释细菌在颗粒表面的吸附作用。根据可湿性理论，改变细菌表面的疏水性能是一种减弱细菌吸附作用的有效方法，许多研究表明，通过添加生物或者化学表面活性剂可以达到改变细菌表面疏水性的效果。2.不可逆吸附细菌表面分泌的胞外聚合物可作为粘合剂而导致不可逆吸附颗粒介质表面带正电部位对细菌的吸引细菌与颗粒表面间距足够小（2nm），短程作用力起主导作用，使两表面发生不可逆吸附（二）细菌在堆肥颗粒介质中的吸附传输及其影响因素分析影响细菌传输的物理因素影响细菌传输的化学因素影响细菌传输的生物因素四、堆肥微生物生长的影响因素堆肥化过程是复杂的，物料经混匀后，受营养平衡、水分含量和物理结构等的影响，所以生产工艺过程中要控制各种参数，就是那些对堆肥过程有影响的物理、化学和生物因素，它们决定微生物活动的程度，堆肥过程中微生物的活动程度直接影响堆肥周期与产品质量。（一）通风供氧为堆体内的微生物提供氧气调节温度散除水分（二）水分含量溶解有机物水分蒸发时带走热量，起调节堆肥温度的作用（三）C/N指堆肥原料与填充料混合物的C/N比，微生物的生长速度与堆肥物料的C/N有关。微生物生长需要碳源，蛋白质合成需要氮源，在堆肥化处理过程中微生物以碳作能源，并构成细胞膜，随后以CO2形式释放出来，氮则用于合成细胞原生质。（四）pH值理论上pH值对堆肥化过程没有影响，pH值在3～12之间都可以进行堆肥，而且pH值会随堆肥化过程发生变化，这种变化是由于物料被微生物降解后产生代谢产物的结果，导致堆肥前期pH值下降和堆肥后期pH值上升，堆肥化处理过程最后阶段，一般物料的pH值会上升到8.5～9.0。但另一方面酸碱度对微生物活动和氮元素的保存有重要影响。（五）温度堆肥化处理过程需要适宜发酵温度，温度是堆肥系统微生物活动的直接反映，是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。嗜冷菌兼性嗜冷菌嗜温菌耐热菌兼性嗜热菌嗜热菌超嗜热菌（六）有机质含量有机物对于堆肥微生物的主要作用在于合成微生物自身细胞物质和提供微生物各种生理活动所需的能量，使机体能进行正常的生长与繁殖，保持生命的连续性。（七）接种剂向堆料中加入接种剂可以加快堆腐材料的发酵速度。堆肥是一个巨大的微生物库，里面存在多种多样的微生物类群，加大对其生物的多样性研究有助于开发一些更加有效的堆肥微生物腐熟菌剂。