青海省豬糞和油菜秸稈發(fā)酵菌種的篩選

孫 健，張鑫鵬，李松齡，王亞藝

(1.青海大學(xué)，青海 西寧 810016； 2.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016)

近年來，青海省大中型生豬養(yǎng)殖場迅速興起，2019年青海省生豬出欄量達98.77萬頭，產(chǎn)生豬糞19.75萬噸。油菜種植業(yè)也進入積極發(fā)展階段，油菜產(chǎn)量達到28.66萬噸，產(chǎn)生油菜秸稈42.99萬噸[1]。如此大量的豬糞和油菜秸稈若不能被合理利用，不僅造成資源的浪費，而且危害人類健康、污染環(huán)境。好氧堆肥是有機廢棄物資源化和無害化的重要手段，將豬糞和油菜秸稈進行好氧堆肥，可以讓油菜秸稈作為高碳源物質(zhì)調(diào)節(jié)豬糞堆肥的碳氮比、孔隙度和含水率[2]。好氧堆肥時接種微生物菌種，不僅可以促進堆肥溫度，還能提高堆肥效率。李昌寧等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在豬糞和玉米秸稈的堆肥中接種微生物菌種可以促進堆體升溫并延長高溫時期，縮短堆肥腐熟周期，加快總有機質(zhì)的分解，最終提高堆肥產(chǎn)品中的養(yǎng)分含量。青海省位于中國西北內(nèi)陸，全省平均海拔3 000 m以上，氣候冷涼，由于特殊的氣候環(huán)境，傳統(tǒng)堆肥很難達到殺死病原菌的溫度，因此向堆肥接種微生物菌種十分重要。本研究在豬糞和油菜秸稈好氧堆肥的基礎(chǔ)上分別添加7株發(fā)酵微生物菌種，通過對接種微生物菌種堆體的理化性質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分的測定，篩選出適合青海省豬糞和油菜秸稈的發(fā)酵菌種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥原料豬糞來自于青海省泰和苑生物有限公司，油菜秸稈由青海省互助縣昱青投資開發(fā)有限公司提供，原料基本理化性質(zhì)見表1。7株發(fā)酵微生物菌種均購自北京市北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院，分別為米根霉(Rhizopusoryzae)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、哈茨木霉(Trichodermaharzianum)、綠色木霉(Trichodermaviride)、戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)、釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)和解脂耶氏酵(Yarrowialipolytica)。

表1 堆肥原料基本理化性質(zhì)

1.2 培養(yǎng)基配方

綜合PDA培養(yǎng)基[4]：馬鈴薯煮汁1 000 mL(200 g馬鈴薯去皮切塊，放入蒸餾水中煮沸30 min，取濾液定容至1 000 mL)，磷酸二氫鉀3 g，硫酸鎂1.5 g，葡萄糖20 g，維生素B110 mg，瓊脂20 g，pH自然；121 ℃滅菌30 min。

MRS培養(yǎng)基[5]：酪蛋白胨10 g，牛肉提取物10 g，酵母提取物5 g，葡萄糖5 g，乙酸鈉5 g，檸檬酸二氨2 g，吐溫80 1 mL，磷酸氫二鉀2 g，硫酸鎂0.02 g，硫酸錳0.05 g，碳酸鈣20 g，蒸餾水1 000 mL，pH 6.8；121 ℃滅菌30 min。

YM培養(yǎng)基[6]：酵母提取物3 g，麥芽提取物3 g，葡萄糖10 g，蛋白胨5 g，瓊脂20 g，蒸餾水1 000 mL，pH 6.2±0.2；121 ℃滅菌15 min。

1.3 微生物菌劑的制備

各菌種對應(yīng)的培養(yǎng)基見表2。將試驗所需菌種在固體平板培養(yǎng)基上活化，于30 ℃培育48 h后，分別接種于50 mL對應(yīng)的液體培養(yǎng)基中，30 ℃ 180 r/min震蕩培養(yǎng)48 h獲得種子液，再以1%(v/v)的接種量將種子液轉(zhuǎn)接至300 mL三角瓶中，每瓶裝培養(yǎng)基150 mL。30 ℃ 180 r/min震蕩培養(yǎng)72 h后得到液態(tài)接種體。

表2 各菌種對應(yīng)培養(yǎng)基

1.4 試驗設(shè)計

堆肥試驗于2020年8月7日—9月31日在青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院發(fā)酵場進行。本試驗共設(shè)8個處理，以添加自來水的處理為對照，其他每種處理僅添加1種菌液，每個處理3次重復(fù)，堆體共24個。將豬糞和油菜秸稈按照3∶1(m/m)混合[7]，每堆豬糞150 kg、油菜秸稈50 kg。將豬糞和油菜秸稈混合均勻后用自來水調(diào)節(jié)含水率至65%[8]。每堆按照接種劑質(zhì)量和堆體質(zhì)量比接種相應(yīng)的菌液1%[9]，即每堆接種菌液2 000 mL，對照中添加2 000 mL自來水，物料配比如表3所示。為了使物料混合均勻，并確保有充足的O2以供微生物活動，本文采用人工翻堆方式進行翻堆[10]，在堆肥開始后每4 d翻堆一次，直至9月10日(共計34 d)，后熟階段不翻堆，整個堆肥周期為55 d。

表3 堆肥試驗設(shè)計

1.5 測定指標與方法

(1)取樣方法。在堆體表面以下30 cm處采用五點采樣法取樣，取樣后混合均勻分為兩份：一份用于pH和電導(dǎo)率的測定，另一份用于全氮、全磷、全鉀的測定。

(2)堆肥溫度的測定。每天上午9：30和下午15：30，用4支不銹鋼金屬探桿溫度計測定堆體表面以下30 cm處的溫度。每個堆體取早上和下午溫度的平均值為該堆體當(dāng)天的堆肥溫度，同時測量當(dāng)天當(dāng)時的環(huán)境溫度。

(3)pH、電導(dǎo)率的測定。取10 g樣品放于300 mL三角瓶中，加入100 mL蒸餾水，使得固液比為1∶10，180 r/min震蕩30 min，取上清液測定pH、電導(dǎo)率，測定方法參照參考文獻[11]。

(4)全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)的測定。全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)含量測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)酵菌對堆肥溫度的影響

不同發(fā)酵菌對堆肥溫度的影響見圖1。

圖1 各處理堆肥溫度的變化Fig.1 Variations of temperature in each composting treatment

如圖1所示，T1在堆肥第2天溫度達到57.9 ℃，其他處理堆肥第5天溫度才達到55 ℃以上，堆肥第9天所有處理溫度達到60 ℃以上。整個堆肥過程中T1、T2 55 ℃以上的天數(shù)較多，分別為14 d和13 d；CK為10 d；T7天數(shù)最短，只有5 d；T3、T4、T5、T6 55 ℃以上的天數(shù)分別為12、8、10、8 d。T1、T6、T7堆肥第27天進入降溫階段，T5在第25天進入降溫階段，其余處理均在第29天進入降溫階段。由此說明，添加菌液的堆肥處理，進入高溫期的用時短，持續(xù)時間長。

2.2 不同發(fā)酵菌對堆肥pH和電導(dǎo)率的影響

圖2為堆肥過程中各處理pH的變化趨勢圖。由圖可知，CK和各處理的pH均呈先升高后降低的趨勢。堆肥進行到第15天時pH達到最大值，之后開始下降。其中，T2的pH在第16天達到最高，為9.74，堆肥結(jié)束時pH達到最低，為6.62；除T6、CK以外，其他處理pH最高值均達到9以上，且在堆肥結(jié)束時所有pH都下降到6.5左右。堆肥后期，由于有機酸的連續(xù)產(chǎn)生，pH逐漸穩(wěn)定。由此說明，所有處理中T2的微生物活性最高。

圖2 各處理pH的變化Fig.2 Variations of pH in each treatment

圖3 各處理電導(dǎo)率的變化Fig.3 Variations of conductivity in each treatment

2.3 不同發(fā)酵菌對堆肥養(yǎng)分變化的影響

隨著堆肥的進行，各處理全氮含量呈上升趨勢(圖4)。堆肥結(jié)束時所有處理的全氮含量比堆肥初始均有所增加。T1和T2的增幅最大，為14.13%和15.08%;T4增幅最小，為5.56%;T3、T5、T6、T7和CK分別增加6.28%、9.69%、6.45%、6.45%和7.73%。

圖4 各處理全氮含量的變化Fig.4 Variations of total nitrogen content in each treatment

由圖5可知，各處理堆肥前期全磷含量迅速增加，與全氮含量相比趨勢相對穩(wěn)定。堆肥結(jié)束后，T1和T2全磷含量增加最多，較堆肥前分別增加59.78%和62.46%；T6、T7分別增加45.3%和44.77%，T3、T4、T5和CK均增加30%左右。

圖5 各處理全磷含量的變化Fig.5 Variations of total phosphorus content in each treatment

全鉀含量的變化與全磷含量相似，呈逐漸上升趨勢(圖6)。整個堆肥過程中，CK的全鉀含量一直處于較低水平；T1和T2全鉀含量較堆肥前分別增加53.26%和53.56%。CK的全鉀含量增加最少，為19.61%;其次為T7、T4、T6、T3、T5，分別增加33.31%、38.46%、42.00%、42.71%、46.5%。

圖6 各處理全鉀含量的變化Fig.6 Variations of total potassium content in each treatment

2.4 不同發(fā)酵菌對堆肥碳氮比的影響

本研究起始碳氮比為24.7∶1，隨著堆肥的進行，碳氮比逐漸下降，試驗結(jié)束時，除了T7和CK，其余處理的碳氮比最終都穩(wěn)定在16∶1。碳氮比下降幅度最大的是接種了米根霉和米曲霉的T1和T2，與初始值相比分別下降了36.84%和39.68%;其次為T5和T6，分別下降了31.98%和30.36%;CK下降幅度最少，為19.84%(表4)。

表4 各處理碳氮比的變化

3 討論與結(jié)論

本試驗中所有處理的堆肥溫度均能達到55 ℃以上，且維持天數(shù)至少超過5 d。其中T1和T2堆肥溫度高于55 ℃的天數(shù)分別達到了14 d和13 d，堆體在堆肥初期溫度上升更快，可以更早進入高溫期，延長高溫期天數(shù)，并能夠殺滅90%以上的有害生物[14]，加快堆肥的腐化進程。

Tan等[15]研究表明，最適宜微生物發(fā)揮有效作用、保留堆肥養(yǎng)分的pH為5.5～8.0，本試驗中所有處理的pH均在該范圍之內(nèi)。整個堆肥過程中各處理堆肥結(jié)束的電導(dǎo)率均小于堆肥初期,這可能是因為微生物在分解有機質(zhì)合成腐殖質(zhì)的過程中利用了無機鹽離子。

徐谞等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥發(fā)酵過程中，相關(guān)的好氧微生物加速了有機物質(zhì)的分解，從而釋放了更多的養(yǎng)分，增加了堆體的養(yǎng)分含量。本研究中，堆肥結(jié)束時所有處理的全氮、全磷、全鉀含量均有不同程度的升高，其中T1和T2的全氮、全磷、全鉀含量增加幅度優(yōu)于其他處理。適宜的碳氮比是堆肥成熟的重要指標之一[17],本研究中所有處理的碳氮比均呈現(xiàn)降低趨勢，這可能是因為隨著堆肥發(fā)酵的進行，堆體中有機質(zhì)的氧化分解速率遠遠大于蛋白質(zhì)和多肽的降解速率導(dǎo)致的。堆肥結(jié)束時，所有處理的碳氮比均降到16左右，T1和T2下降幅度最大。

綜上，接種米根霉和米曲霉的T1和T2顯著提高了堆肥溫度，且維持了較長的高溫期，提高了堆體的養(yǎng)分含量，優(yōu)于其他處理和CK。因此，無論是從無害化、腐殖化還是堆肥的質(zhì)量來看，米根霉和米曲霉是適合青海省豬糞和油菜秸稈發(fā)酵的菌種。