有机固体废物高效腐殖化微生物调控原理与技术

马彩云，李 伟，李 杰，吴伟霞，4，唐朱睿

（1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012；3.中国环境科学研究院 国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室，北京 100012；4.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541006）

随着社会的发展和全球人口的增长，畜禽粪便、污泥、农林废弃物、生活垃圾等有机固体废物的产量逐年上升，如何处理已经成为各国尤其是发展中国家面临的环境问题挑战。据2017年国家统计局数据显示，2016年生活垃圾收集和运输量已高达2.03亿吨，畜禽粪便年产生量约38亿吨，农作物秸秆产生量近9亿吨，市政污泥年产生量也已超过700万吨。这些有机固体废物若处理不当，会向周围的土壤、空气、地下水中释放病菌、重金属元素等，从而直接或间接危害人体健康，并通过物质转移和运输造成更大的环境污染。

堆肥作为有机固体废物资源化处理处置的方式之一，其原理是在微生物作用下将复杂的有机物转化为稳定、成熟的最终有机产品——腐殖质。腐殖质作为堆肥的终端产物，在土壤修复、改善植物生长力以及土壤肥力方面发挥着重要作用。但目前有机固体废物腐殖化效率低是制约堆肥技术发展的瓶颈，主要表现在以下两方面：一是木质素、纤维素和半纤维素等有机物的降解效率低；二是C、N等元素大量流失使得矿化程度高，降低了堆肥产品的质量。因此，提高有机固体废物腐殖化效率既可提升堆肥产品的质量，又可削弱矿化作用，抑制堆肥过程中CO等的排放，避免增强温室效应，具有经济和环境双重效益。

堆肥是以微生物为主导的生物化学过程。因此，通过调控微生物促进腐殖质形成对于提高有机固体废物腐殖化效率更为有效。腐殖化微生物调控方法包括生物强化调控、微环境调控和调理剂调控，其机理是通过改变微生物群落特征、优化堆肥微环境为微生物创造适宜的生存环境，以提高核心微生物活性，进而促进有机物的降解和提高腐殖化效率。

本文从生物强化调控、微环境调控和调理剂调控3方面介绍了有机固体废物腐殖化微生物调控原理和调控技术，以期为提高有机固体废物腐殖化效率提供科学参考。

1 有机固体废物腐殖化微生物调控原理

堆肥原理如图1所示。在堆肥过程中，大分子有机物被微生物分解为小分子物质，小分子有机物合成腐殖质的前体，再合成腐殖质。腐殖质前体的形成一般在堆肥的升温期和高温期，而腐殖质的形成一般在降温期和腐熟期。堆肥腐殖质的形成理论是在土壤腐殖质形成的基础上发展而来的，常见的腐殖质形成理论包括木质素理论、多酚理论和美拉德理论。木质素理论认为木质素是形成腐殖质前体的底物和骨架，木质素降解为酚和醌，可作为腐殖质前体，进而形成腐殖质；多酚理论认为腐殖质是由许多小分子物质缩合而成的，例如多糖和蛋白质等；美拉德理论认为氨基酸、多糖和还原糖通过聚合、缩合等反应形成腐殖质。腐殖质形成理论如图2所示。然而在堆肥过程中多酚、醌、还原糖、氨基酸等物质是共同存在的，故腐殖质的形成是几种理论共同作用的结果。此外，氨基酸在堆肥过程中普遍存在，证明了美拉德理论存在于不同堆肥物料腐殖质形成过程中。但由于堆肥物料不同，腐殖质形成的主要途径有所差异，例如在鸡粪和秸秆堆肥过程中，腐殖质的形成途径主要遵循多酚理论；而堆肥物料为树叶等木本植物时，腐殖质的形成主要遵循木质素理论。

图1 堆肥原理示意图

图2 腐殖质形成理论示意图

腐殖质是有机物在微生物作用下聚合或缩合而形成的。因此，微生物调控的核心在于调控影响微生物的外界因素，如必要的营养物质和适宜的环境条件等。下文将从生物强化调控、微环境调控和调理剂调控3个方面介绍微生物调控原理。

1.1 生物强化调控原理

微生物的比表面积大，代谢强度高，数目巨大，繁殖迅速，对有机物降解起主导作用。通过

接种外源微生物可以改变微生物群落及其代谢功能，加速简单化合物的降解和复杂化合物的形成，促进腐殖质的形成。SUN等发现，在堆肥过程中细菌群落多样性越高，对有机物的降解越有利；WU等发现，在稻草堆肥过程中接种功能性菌剂可以加强酶与核心微生物之间的联系，促进有机物和粗纤维的降解；ZHAO等发现，多阶段接种从堆肥样品中筛选出的纤维素降解嗜热放线菌可提高纤维素酶活性，在加速纤维素降解、提高腐殖质含量的同时降低了堆肥过程中CO的排放量。也有学者发现，虽然接种的微生物菌剂不是堆肥体系中的优势菌，但它与其他微生物相互作用，可提高难降解有机物的降解效率。李昌宁等发现，在猪粪堆肥中添加的复合菌中虽没有放线菌（），但它可以促进堆肥体系中土著放线菌的大量繁殖；刘东明等发现在餐厨垃圾堆肥中接种的芽孢杆菌可能没有降解纤维素的能力，但起到稳定菌剂体系、提供生长因子的作用，避免了与土著微生物的功能竞争。接种微生物菌剂对堆肥微环境也有较大影响，有研究发现，在猪粪堆肥过程中接种微生物菌剂，在提高有机物降解效率的同时释放出大量热量，使高温期提前出现，并延长高温期。此外，多种微生物共同作用比单一的细菌、真菌、放线菌加快堆肥进程的效果更好。综上，外源微生物强化调控提高腐殖化效率的机理包括：1）提高核心微生物的丰度，合成更多的酶促进有机物的降解；2）丰富堆肥体系中微生物群落的多样性，共同参与腐殖质的合成；3）削弱矿化作用，减少CO和NH的排放，使有机物更多转化为腐殖质，提高腐殖化效率。

1.2 微环境调控原理

微生物与环境因子之间相互影响。一方面，微生物需要从环境中摄入生长和生存所必需的营养物质；另一方面，微生物向环境中排泄各种代谢产物，抵抗和适应环境的变化，甚至影响和改变环境。环境因子对微生物的影响可分为：1）有利于微生物进行正常代谢；2）不利于微生物生长，从而抑制或被迫改变微生物原有的一些特征；3）恶劣的环境会造成微生物发生遗传变异或死亡。以下从温度、含水率、碳与氮的摩尔比（C/N）、曝气量、pH等方面进行阐述。

1.2.1 温度

温度是影响微生物生长、代谢的重要环境因子之一。微生物的生长有其特定的最低温度、最高温度和最适温度。当温度过高时，微生物活性受到抑制，但可促进一些嗜热细菌和真菌的生长，提高有机物的降解效率，进而间接促进腐殖质的合成。也有学者发现，超高温预处理可提高堆肥中腐殖酸、多酚、氨基酸、多糖和还原糖的含量，这些物质用于合成腐殖质，也可用于刺激特定的微生物，使其产生更多腐殖质前体来合成腐殖质。此外，超高温预处理还可以促进大分子有机物降解为溶解性有机碳，促进木质纤维素组分降解溶出，使其更多转化为多酚，增加了腐殖质前体还原糖和氨基酸的含量。

1.2.2 含水率

含水率可影响微生物的代谢过程、营养物质的溶解和运输、微生物的迁移等。堆肥最适含水率为50%~70%。含水率过高会导致堆体中氧分含量不足，微生物厌氧发酵，产生恶臭；含水率过低，影响微生物的生长繁殖，延缓堆肥反应的进程。因此，含水率控制在适合微生物发酵的范围，能够促进微生物生长和繁殖，缩短堆肥时间，提高堆肥效率。此外，含水率还可影响微生物对氧气的利用量，进而影响有机物的降解和有害气体的排放。KIM等研究发现，在牛粪堆肥中初始含水率为57%时好氧速率最高。TRÉMIER等发现，在污泥堆肥中初始含水率为55%时有机物的降解最快。

1.2.3 C/N

C/N对微生物分解有机物的速率和最终堆肥产品的质量影响较大。当C/N过高时，氮源不足，微生物生长受到抑制，导致有机物降解速率缓慢，延长堆肥周期；当C/N过低时，碳源缺乏，氮素含量升高，进而转化为NH、NO等挥发掉，降低堆肥产品质量。因此，适宜的C/N可促进腐殖化效率。一般堆肥体系中C/N需调节至（25~30）∶1，研究发现微生物在生长过程中每利用1份N需要消耗25~30份的C，一般通过加入秸秆、锯末、杂草、树枝、污泥和畜禽粪便等高C或高N的物质来调节堆肥C/N。邓晓等在香蕉堆肥过程中发现，C/N为25的处理组中细菌数量比C/N为35时略低，但分解木质纤维素的优势菌——放线菌的数量却占优势。也有学者发现在较低的初始C/N下可提高粪肥的处理量，但会增加N的损失。

1.2.4 曝气量

曝气可为微生物的生命活动提供充足的氧气，还可通过供氧带走堆体中产生的CO和水分，避免厌氧环境产生臭气等。研究表明，堆肥体系中氧体积分数为10%时可满足微生物代谢的需要，在供氧充分和其他条件适宜的情况下，微生物迅速分解有机物，产生大量的代谢热能。ZHANG等对餐厨垃圾工业堆肥的研究发现，较长的曝气时间缩短了高温期，提高了纤维素降解菌的活性，并且适度通气还可提高纤维素酶和蔗糖酶等的活性，说明曝气量是提高核心细菌丰度的主要指标。

1.2.5 pH

pH通过影响微生物的活性而影响有机物的降解。一般堆肥允许的pH范围为3.0~12.0，而适宜的pH范围为7.5~8.5。适宜的pH可为微生物提供良好的生长繁殖环境，促进有机物的降解，而pH过高或过低均会抑制微生物的活性，降低堆肥效率。张云龙等在污泥堆肥中发现，较低的pH对堆肥效果有一定的影响，添加磷酸盐可有效控制pH，促进堆肥进程。pH会影响堆料中微生物的活性，从而对堆肥过程中游离腐殖酸及富里酸的合成与转化产生影响。

1.3 调理剂调控原理

根据调理剂的作用可将其分为调节剂、膨胀剂和重金属钝化剂，也可按照调理剂是否参与堆肥反应将其分为活性调理剂和惰性调理剂。锯末、树叶、秸秆等参与生物化学反应的易降解有机物被称为活性调理剂，也称有机调理剂；生物炭、沸石、粉煤灰等化学性质比较稳定，只改变堆体结构，不参与生物化学反应的无机物被称为惰性调理剂，也称无机调理剂。调理剂有两方面作用：1）通过调整C/N、含水率、改善堆体密度和孔隙率等基本理化参数为微生物创造适宜的生存环境，提高微生物活性；2）为微生物提供丰富的营养物质，如氨基酸、还原糖等，使微生物活性保持在较高水平，持续发挥作用。以下从有机调理剂和无机调理剂两方面进行阐述。

1.3.1 有机调理剂

有机调理剂在不同底物条件下可以促进堆肥反应的进程，其机理是：1）充当微生物可利用的营养物质，保障充足的营养源；2）调控理化参数，为微生物提供适宜的生长条件。ZHANG等发现，在甘麦草堆肥过程中添加氨基酸可为微生物提供丰富的营养物质，使微生物快速生长繁殖，生成更多前体参与腐殖质的形成。吴传栋发现，在污泥堆肥中投加蔗糖后氧气的消耗速率明显增大，这是因为投加蔗糖后易降解有机物含量增加，促进了木质素、纤维素和半纤维素的降解效率。WANG等在绿色废弃物堆肥过程中添加了蛋壳，发现蛋壳的蛋白质纤维结构可以有效改善通风情况和含水率，且蛋壳富含蛋白质、糖蛋白和蛋白聚糖纤维，可降低C/N；此外，蛋壳膜中的酶也有助于促进堆肥体系中有机物的分解。

1.3.2 无机调理剂

无机调理剂不同的晶体结构和电子传递能力改变了微生物群落多样性和某些特定酶活性，从而优化微生物的生长环境，促进腐殖化程度。WU等发现，在堆肥过程中添加MnO可促进堆肥的腐殖化进程。这是因为MnO可吸收电子转化为Mn，而Mn是各种代谢酶最重要的辅助因子之一，可作为酶促进剂来发挥作用；同时，Mn结核内有丰富的原核生物群落，可改变微生物群落多样性。JIANG等在牛粪堆肥中加入赤泥，发现赤泥中的FeO能吸收电子并转化为Fe，增加了漆酶的活性，提高了木质素的降解效率。LIU等发现，在堆肥中添加生物炭既可为微生物提供更多的空间，又有利于水分的保持和热量的散失，还可改变微生物群落多样性，提高核心微生物的丰度。但过量添加生物炭可能会延缓堆肥过程。YU等发现，在鸡粪堆肥过程中添加生物炭和蒙脱石改变了腐殖酸形成过程中专性或兼性微生物群落的多样性，促进了腐殖酸的形成。

2 有机固体废物腐殖化微生物调控技术

2.1 接种外源微生物

接种外源微生物对提高有机固体废物腐殖化效率效果显著。XU等在牛粪堆肥过程中接种多功能嗜热菌后发现腐殖质含量提高了3.7%。HU等在猪粪堆肥中发现接种纤维素降解菌后糖苷水解酶基因GH3E（真菌GH3）、GH6和GH7的相对丰度分别提高了0.45、0.09和0.39个数量级，纤维素的降解率提高了8.77%~34.45%。LI等发现在鸡粪堆肥中接种微生物菌剂后5个处理组的腐殖化程度（胡敏酸与富里酸的质量比）分别为1.41、1.89、2.17、1.72和1.70，而未接种组为1.30。HENRY等发现，在木质纤维素废料堆肥中接种嗜热嗜酸有效微生物后，两组接种组的平均微生物数量分别增加了12.0%和6.7%，生物多样性分别增加了34.7%或43.7%。李恕艳等在鸡粪堆肥中接种微生物菌剂后，其总有机碳含量提高了16.1%，同时总腐殖酸、游离腐殖酸以及水溶态腐殖酸及胡敏酸的含量分别提高了38.7%，45.7%、39.0%及54.9%。综上，接种外源微生物可以有效提高堆肥的腐殖化水平。

2.2 调控微环境

探索微环境与微生物群落的关系对于提高堆肥产品的成熟度和安全性具有重要意义，微环境因子可以直接或间接影响微生物以及酶的活性进而影响有机物的代谢。ZHU等发现，高温预处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别比传统堆肥提高了78%、10%和109%，腐殖质含量和腐殖化指数（胡敏酸与总有机碳的质量比）分别提高了14%和38%。李丹阳等在羊粪堆肥中设计了不同含水率（70%、65%、60%和55%）的4组实验，发现当含水率为65%时效果最好，物料干质量降解率达45%，总氮损失降低4.81%~16.99%，总温室气体排放减少7.56%~48.62%。尹瑞等发现，在牛粪堆肥过程中，当C/N为20~25时总腐殖酸的降幅较其他组低8.7%~31.1%，其中当C/N为25时腐殖化率（腐殖质与总有机碳的质量比）比其他组高0.4~1.4。WU等在鸡粪堆肥过程中发现，曝气量为0.1 L/（min·kg）比曝气量为0.05 L/（min·kg）和0.15 L/（min·kg）的堆肥体系中腐殖质含量分别高5.3%和1.3%。因此，在堆肥过程中调控适合微生物生存的微环境条件，对于促进高效腐殖化有重要意义。

2.3 添加调理剂

调理剂通过影响微生物间接影响腐殖化效率。张海滨等发现，添加生物炭可以影响沼渣堆肥理化性质，进而影响微生物种群，从而影响腐殖化水平。ZHANG等发现，在干稻草堆肥过程中添加氨基酸后腐殖化指数显著提高。JIANG等发现，在牛粪堆肥中添加赤泥后木质素的降解率和腐殖质含量分别提高了18.67%和16.39%。ZHANG等发现，在鸡粪堆肥中添加丙二酸和MnO后CO的排放量减少了36.8%，腐殖酸含量提高了38.7%。YU等在鸡粪和稻壳堆肥过程中分别添加生物炭、蒙脱石以及两者的混合物后，腐殖酸的含量与初期相比分别提高了40.79%，45.39%，38.96%。宋修超等发现在中药渣堆肥中添加质量分数为10%的腐熟堆肥可提前20 d进入高温期，游离腐殖酸及水溶性腐殖酸含量分别增加7.8%和30.1%，胡敏酸含量增加15.2%。总之，在堆肥中添加调理剂可有效提高腐殖化程度。

3 结语和展望

微环境、调理剂和外源微生物可影响堆肥体系中的微生物群落多样性和丰度，从而促进腐殖化效果，进而提升土壤有机碳等养分含量、改良土壤质量等。其中，外源微生物强化调控技术在腐殖化研究中前景较好，外源微生物在木质纤维素等有机物的降解和腐殖质的形成过程中发挥着重要作用，如VT菌剂、RW酵素剂、生物菌肥发酵剂、有机肥发酵剂等。但该技术尚存在以下问题：外源微生物与土著微生物存在竞争关系，其作用效果被削弱，且促进腐殖化和抑制矿化不能同时满足；微生物与微环境的响应关系不明确，堆肥不同阶段核心微生物不同，其生存需要的微环境条件不同，现阶段对优化堆肥不同阶段微环境研究尚不深入。

在堆肥过程中微生物的作用不容忽视，探明其在堆肥中的作用效果对于调控十分关键。但当前堆肥体系中微生物的作用网络不清晰，研究尚不够深入，特别是接种微生物菌剂后如何与土著微生物协同促进腐殖化进程，是堆肥研究的难点。因此，今后应加强以下两方面的研究。

a）基础理论层面。厘清堆肥过程中微生物代谢网络，重点关注腐殖化和矿化过程中核心微生物的作用关系，通过微生物的正向调控促进腐殖化、抑制矿化，为功能性微生物菌剂的研发做好理论支撑。此外，通过统计分析或网络分析筛选出影响不同阶段核心微生物的主控微环境因子，为优化堆肥微环境和精准调控提供理论指导。

b）技术研发层面。用固定化等技术研发高效降解菌，使其既具有降解木质纤维素等大分子物质的能力，又可抑制矿化作用。为促进外源微生物的生长与繁殖，可从堆肥体系中筛选进行接种。优化堆肥微环境，调控不同阶段核心微生物适宜的微环境条件，升级堆肥工艺或设备。多阶段接种、多阶段调控微环境和添加调理剂相结合，高效发挥微生物菌剂的作用。