秸秆堆肥降解过程中的微生物变化

龚昆 张莉 熊海容

摘要：中国每年产生大量的农作物秸秆，然而这些秸秆并没有被合理应用，甚至造成严重的污染問题。利用微生物对秸秆进行堆肥降解是秸秆科学再利用的有效方式之一，具有无污染、成本低、条件温和、改善土壤有机质、提升土壤肥力等特点。堆肥条件下微生物群落的演替和酶系的变化直接影响着堆肥的效率，对秸秆堆肥降解过程中的微生物变化及堆肥条件进行了综述，以期为提高秸秆堆肥效率提供参考。

关键词：秸秆;堆肥降解;微生物;协同降解;多酶系;堆肥条件

中图分类号：S141.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）21-0081-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.017

Abstract： A large amount of straw are produced every year in China. However， these straws have not been rationally used， and even cause serious pollution problems. Microbial composting degradation of straw is one of the effective ways of straw scientific reuse. It has the characteristics of pollution-free， low cost， mild conditions， and can improve soil organic matter and increase soil fertility. The efficiency of composting is directly affected by the succession of microbial communities and changes in enzyme systems under composting conditions. The changes of microorganism and composting conditions in the process of straw composting degradation were summarized to provide reference for improving the efficiency of straw composting.

Key words： straw; compost degradation; microorganisms; synergistic degradation; enzymes; composting conditions

中国每年秸秆产量有9亿t，加工副产物有5.8亿t，这些加工副产物综合利用率不到40%，60%以上的副产物被随意丢弃、堆放或用作生活燃料，这相当于0.47亿hm2土地的投入产出和6 000亿元的收入被浪费掉[1]。利用微生物降解秸秆具有无污染、成本低、条件温和等特点，近年来越来越受到人们的关注。农作物秸秆具有丰富的氮、磷、钾及有机质养分，是中国传统的有机肥料源，但需通过微生物发酵腐熟后才适合大田使用[2]。农作物秸秆腐熟过程是微生物在好氧或厌氧条件下将秸秆中的有机物分解成为CO2、H2O、NH3以及腐殖质的过程。参与发酵腐熟农作物秸秆的微生物种类繁多，包括细菌和多种真核生物，这些生物在秸秆的发酵过程中进行着迅速的群落演替，完成秸秆的腐熟过程[3]。对于不同的堆肥发酵时期，微生物的种类和酶系的变化直接影响着秸秆的降解效果。因此，本研究从农作物秸秆组成、秸秆的降解过程及对秸秆堆肥过程中的微生物群落变化和秸秆降解酶系的变化进行了综述，以期为提高秸秆堆肥效果提供参考。

1  农作物秸秆的利用方式

由于秸秆组成成分的复杂性，秸秆的利用率并不高，目前农业秸秆的利用方式主要有秸秆堆肥、秸秆板材、秸秆饲料、秸秆固态燃料等，虽然对秸秆的处理具有一定的帮助，但同时存在着一些缺点，如表1 所示。

2  农作物秸秆的组成

农作物秸秆的主要成分是木质纤维素，是自然界中最丰富的天然碳源。而限制秸秆利用的主要因素是纤维素、半纤维素与木质素通过大量的共价键与非共价键紧密连接形成不溶于水和有机溶剂并且在常温下难以降解的三维结构，从而导致在动物体内消化缓慢、营养吸收不好、工业上发酵转化产率不高等问题[4]。木质纤维素的主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶、可溶性糖、粗蛋白质等，纤维素是由D-吡喃葡萄糖基通过β-1，4糖苷键连接而成的线性多聚糖，它是秸秆最重要的成分，约占植物总重量的20%～40%[5]，其组成结构见图1。

3  农作物秸秆的降解过程

农作物秸秆的生物降解是在一系列酶的协同作用下完成的，其不同组分需要有不同的酶系降解，如表2所示。目前比较认同的天然木质纤维素的降解理论为协同理论。首先内切葡聚糖酶（Cx酶）在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶区域进行切割，产生新的末端，然后再由外切葡聚糖酶以纤维二糖为单位从末端水解，最后再由β-1，4-糖苷酶（CB酶）将纤维二糖酶彻底水解为葡萄糖[6]。在秸秆的降解过程中，由于纤维素、半纤维素、木质素之间组成的致密性，微生物在降解过程中对于相关组分的降解存在一定的顺序。杜甫佑等[7]在对白腐菌降解木质纤维素的研究过程中表明，白腐菌在降解天然木质纤维素过程中首先降解半纤维素，再同时降解半纤维素、纤维素和木质素。

3.1  降解秸秆的微生物及其所产酶类

郭亚萍等[34]利用PCR-DGGE技术，分析以水稻和玉米秸秆为主要原料的两种传统双孢蘑菇堆肥过程的细菌群落结构特征，结果发现堆肥期间优势细菌类群为变形菌（Proteobacteria）、厚壁菌（Phylum Firmicutes）和放线菌（Actinobacteria）。在堆肥的建堆时期，优势类群为变形菌，一次和二次发酵结束时期的优势菌主要为厚壁菌和放线菌。两个配方堆肥样品中分布最广泛的优势类群为芽孢杆菌属（Bacillus）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）、脲杆菌属（Ureibacillus）和低G+C含量的革兰氏阳性细菌，它们出现在堆肥的整个过程，对温度和pH变化的适应性强，可以产生胞外水解酶分解纤维素、半纤维素类大分子化合物[35]。朱琳等[36]基于Illumina平台的高通量测序技术，初步解析等量的、不同氮源添加（尿素和牛粪） 的水稻秸秆经堆肥发酵后制得的粗制肥料中的细菌和真核微生物群落结构和多样性，结果发现秸秆堆肥中真核生物类型中，真菌占据绝对优势，而细菌中的放线菌也同样大量存在。Wei等[37]在对玉米秸秆堆肥中功能微生物群落的演替及其代谢功能的研究中表明，随着堆肥时间的延长，肥堆中厚壁菌门的丰度显著降低，而变形菌门、拟杆菌门和放线菌门丰度急剧增加，堆肥的嗜热阶段厚壁菌门是明显的优势菌门类。为了进一步对木质素堆肥中细菌群落动态进行追踪，López-González等[38]利用传统培养方法对肥堆中的微生物进行了结构功能和生物多样性的研究，结果表明，虽然在中温条件下分离的微生物在整个过程中都很突出，但是高温阶段的微生物总数最高，而在堆肥的生物氧化阶段，孢子形成细菌占优势，堆肥的中温阶段细菌最多，而嗜热阶段微生物的总数最大。

4.3  秸秆堆肥过程中酶系的变化

秸秆堆肥过程中降解秸秆的酶主要有木聚糖酶、半纤维素酶、纤维素酶，另有少量的淀粉酶、果胶酶和蛋白酶也在秸秆降解中发挥着重要的作用。

整个堆肥过程中酶系的变化同样具有交替性，不同肥堆中微生物的群落不同，产生的酶系不同，直接影响秸秆堆肥的效果。在连续开放式的堆肥样品中，不同发酵时段的主要降解酶系存在差异，说明在发酵过程中存在着一些主要的纤维素降解微生物，在秸稈的降解过程中起主要作用，分泌高效的降解酶系。

为了了解堆肥生境中的酶系变化，方冲[39]对堆肥生境中的酶系进行了探究，在以小麦为堆料的肥堆中，整个降解周期内，纤维素内切酶、外切酶和木聚糖酶活力都呈一个先升高再降低的总趋势，其中木聚糖酶活力在发酵中期第13天达到最大，随后逐渐减小，到发酵第28天时相对酶活达到最低，后又有一个上升趋势，纤维素内切酶、外切酶和木聚糖酶的最大活性出现在发酵的第13～18天，说明堆肥中期是木质纤维素降解的主要阶段。

5  农作物秸秆的堆肥条件

秸秆堆肥效率直接受到微生物生长的影响，而微生物的生长易受到温度、pH、底物性质、水分含量等的影响，创造一个利于秸秆降解微生物生长代谢的环境就成了秸秆堆肥降解的关键因素。

5.1  底物碳氮比（C/N）

微生物生长繁殖的适宜C/N一般为25∶1，由于受到堆料原始组成和结构的影响，全部碳素并没有被微生物直接快速利用，所以C/N稍高，可溶性碳素就越多，从而利于堆体发酵的启动，合适的C/N对好氧发酵的启动至关重要。一般认为，堆料的C/N在26∶1～35∶1较为适宜[40]。由于秸秆组成成分的影响，工业上一般通过向秸秆中添加禽畜粪便或尿素的方法来达到最适的C/N。

5.2  水分含量

水分含量直接影响着微生物的生长，从而影响着堆肥的效果。水分条件对秸秆腐熟影响较大，相对含水量80%的秸秆释放CO2速率高于60%处理[41]。秸秆堆肥过程中菌体代谢会消耗大量水分，而堆肥中期产生的高温会加剧水分蒸腾作用导致水分的丧失。因此，在此过程中及时补充水分，才能够确保降解顺利进行[42]。

5.3  通气程度

在秸秆堆肥过程中起主要作用的好氧微生物如果没有接触到足够的氧气就会被厌氧微生物所取代，而后者会产生大量无用产物，这些产物通常会带有浓烈的气味，并且其中的一些可能会对植物有毒害作用，因此达不到秸秆无害化处理的效果。通气程度直接影响着好氧微生物的生长，从而影响着秸秆的降解效率。由于通气程度的不同，在秸秆肥堆的不同高度，微生物群落有着显著差异[43]。在传统的堆肥过程中，通常采用翻堆方式来维持O2浓度在一定范围。

5.4  温度

温度直接影响着微生物的生长。堆肥初期温度较低，中温微生物变形菌门、拟杆菌门大量生长，随着微生物的代谢，肥堆温度迅速上升，3～5 d可达65 ℃以上，此时中温微生物已不能生长，能耐高温的微生物才能存活，嗜热微生物如嗜热多孢菌属大量生长。秸秆中纤维素等不溶性底物在嗜热微生物的作用下降解，随着堆肥时间的进行，不溶性底物被消耗，肥堆温度逐渐降低，随后进入冷却阶段，中温微生物如放线菌、芽孢杆菌等又成为优势菌群[44]。高温阶段为主要的纤维素降解阶段，因此，提高堆肥温度有利于秸秆的降解。

6  结论

农作物秸秆具有复杂的组成成分，纤维素、半纤维素和木质素之间的致密性限制了秸秆的自然降解。秸秆的降解是一个复杂的过程，需要多种微生物、多重酶系共同参与。堆肥过程中存在着明显的菌群和酶系的变化，这些菌群结构的变化导致了秸秆降解不同时期的特性。秸秆降解的关键就是利用各种手段筛选出能够高效降解木质纤维素的微生物，控制外部条件如温度、pH、湿度、氧气含量等使之能够在最适条件下生长代谢，成为优势菌群，大量的生长代谢产生纤维素酶、木质素酶等相关酶系，在这一系列酶的共同作用下完成秸秆的降解过程。利用微生物处理农业废弃物秸秆具有高效、清洁、低成本的特点，因此越来越受到关注，具有广阔的应用前景。