酵素菌肥的发酵过程研究

陈剑侠

（福建省测试技术研究所，福州 350003）

生物有机肥是指特定的微生物菌群和以动植物残体为载体的有机物复合而成的一种兼具微生物和有机肥效应的肥料［1］。微生物菌种是微生物肥料产品的核心酵素菌，是由有益细菌、芽孢杆菌、丝状菌、光合菌、酵母菌和放线菌等组成的微生物菌种，它除了对有机物有较强的发酵分解能力外，其中所含的放线菌可产生多种天然抗生素［2］。芽孢杆菌是酵素菌中的主要菌种，其具有改善环境、减少病虫害的发生、减少农药用量的作用。同时芽孢杆菌还能增加农作物中氨基酸和糖的含量［3］，作用于水果、蔬菜可以改善其口感和色泽。用酵素菌发酵富硒农产品生产过程的副产物得到的酵素菌肥，除了具有以上作用外还可以达到硒源再利用和废弃物回田的目的，实现减少农业环境污染和减肥增效的效果［4］。

本研究以富硒梨（疏果或落果）为主要发酵原料，配以麸皮作为辅料，以酵素菌为发酵菌种，用化学分析法动态监测其发酵过程中电导率、pH、有机质含量（以COD 计）、总氮随发酵进程的变化，对比了在不同碳氮比条件下不同监测因子随发酵时间变化的规律，以期确定发酵终点的判定指征。发酵结束后进行渣、液分离，得到液态的酵素菌肥和固态的发酵渣，并测定其氮、磷、钾、硒、有机质含量和pH，并比较发酵液与发酵渣的肥力效果。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料 岛本酵素，潍坊岛本微生物研究所；尿素（AR），国药集团化学试剂有限公司；麸皮和梨（疏果或落果），福建德化村上小镇农业有限公司；无菌水。

1.1.2 试验器材 台秤（FEJ-500 型，梅特托利勒），食品粉碎机（BL25C43 型，广州美的精品电气制造有限公司），分光光度计（岛津UA-18000 型），电导仪（DDS-307 型），发酵罐（市售聚碳酸酯塑料灌容积3L），工业滤布（400 目），精密pH 试纸（杭州试三科技有限公司）等。

1.2 发酵方法

发酵前对供试材料岛本酵素、麸皮、梨中的碳（以COD 表征）和总氮进行测定，通过添加尿素的方式调节发酵原料中碳氮比，试验设计了5 种不同碳氮比发酵料，分别编号为1 号、2 号、3 号、4 号、5 号，其碳氮比分别为100∶5、200∶5、300∶5、414∶5 和500∶5（其中4 号、5 号不添加外氮源），发酵料添加一定比例的水装罐，盖上盖进行发酵。

1.3 发酵过程的动态监测

以时间为发酵轴，定期现场观察发酵现象，记录发酵温度，开盖搅拌均匀后在线监测并记录发酵液中电导率、pH。定期取样分析：利用取样网和移液管，每次移取过400 目滤网液体20 mL，用于测定其有机质（以COD 计）和总氮的含量。

1.4 检测方法

总氮的测定参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》［5］第二法分光光度法；有机质的测定参考GB/T 18877—2009《有机-无机复混肥料》［6］加热重铬酸钾法；电导率的测定参照HJ 802—2016《土壤电导率的测定电极法》［7］，在线直接测定；pH 采用pH 试纸在线快速测定。

2 结果与分析

2.1 现象观察

发酵初期发酵物料呈上浮状，发酵65 h 发酵渣开始下沉，331 h 左右1 号罐出现浓密曲棍状菌落，379 h 4 号罐出现典型浓密曲棍状菌落，呈酸酒味，858 h 后发酵渣上浮，939 h 后腐臭，有白色平滑菌膜浮于表面并开始有疑似霉点的菌斑出现（图1）。

图1 发酵过程的观察

2.2 电导率随发酵时间的变化

如图2 所示，电导率在发酵初期迅速上升，至65 h 趋于稳定，然后缓慢上升，1 号和2 号在1 000 h后迅速上升，其他编号处理则缓慢上升，基本处于平稳状态。主要原因是1 000 h 后腐败加剧，氨基酸分解成小分子氨等，使得电导率上升。

图2 电导率随时间的变化

2.3 pH 随发酵时间的变化

如图3 所示，pH 由最初的6.0 下降至3.5 左右，大约在65 h 趋于稳定。在1 000 h 后上升，1 号、2 号、3 号添加外源氮的发酵罐中pH 上升明显，4 号、5 号发酵罐pH 上升不明显，主要原因是1 000 h 后腐败加剧，氨基酸分解成小分子物质，pH 也上升。pH 随发酵时间的变化与电导率的变化趋势类似，进一步表明在1 000 h 后发酵液菌群的变化。

图3 pH 随时间的变化

2.4 COD 随发酵时间的变化

如图4 所示，COD 在0～572 h 呈快速下降趋势，在572～858 h 处于相对平稳状态，然后缓慢下降。可能原因是早期芽孢杆菌生长需要消耗较多的有机质，572～858 h 芽孢杆菌生长相对平稳，对有机质的需求和对发酵渣的分解处于相对平衡状态。858 h后COD 呈缓慢下降趋势，推测其他菌类逐渐占据优势地位。

图4 COD 随发酵时间的变化

2.5 总氮随发酵时间的变化

如图5 所示，总氮在酵素菌肥整个发酵期间一直处于比较平稳波动的状态，后期因迅速腐败，更多的蛋白质被分解，并发现后期发酵罐呈腐臭味，推测氨基酸进一步分解成氨，总氮在发酵进程中一直呈波动变化趋势，1 000 h 后有一个上升的趋势。

图5 总氮随发酵时间的变化

2.6 酵素菌肥肥力分析测定

以4 号为代表，取酵素菌肥最终的发酵液和发酵渣，进行氮、磷、钾、有机物、硒、芽孢杆菌有效含量的测定以及pH 的测定，结果见表1、表2。其中，全氮、五氧化二磷和氧化钾之和作为肥料的总养分指标，由检测结果计算可得出发酵渣中总养分为6.91%，发酵液中总养分为36.2 g/L。

表1 酵素菌肥发酵液肥力分析测定结果

表2 酵素菌肥发酵渣肥力分析测定结果

2.7 酵素菌肥肥力测定结果与相关国家标准要求的比较

2.7.1 发酵液成分 与GB/T 17419—2018［8］含有机质叶面肥液体产品指标比较，酵素菌肥发酵液有机质含量达到相应指标的10%，总养分达45.2%，pH也在指标要求的范围内（表3）。

表3 酵素菌肥肥力与相关国家标准要求的比较

2.7.2 发酵渣成分 与NY 525—2021［9］有机肥料产品指标相比，酵素菌肥发酵渣有机质含量达相应指标的41.3%，总养分达172.8%，pH 也在指标要求的范围内（表3），若与其他基肥一起用于根施可起到废弃物回田、化肥减量增效的作用，并能部分补充农作物硒含量。需要进一步改善渣液分离装置，提高渣液的分离效率，降低发酵渣中的水分含量。

3 小结与讨论

综合发酵过程中电导率、pH、有机质（以COD计）、总氮的变化规律和目视观察结果，发现在发酵过程中，酵素菌肥在发酵858～1 000 h 时，动态检测因子都显示出相对平稳状态，1 000 h 后显示出明显的变化趋势。发酵初期酵素菌快速生长，然后趋于饱和稳定，随后发酵进程加深，腐败加剧，其他杂菌大量滋生，目视观察在858 h 出现发酵渣上浮的现象，这与动态监测数据能够很好地契合，若把发酵渣上浮现象作为发酵终点，有一定的理论依据并且有利于实际田间实践的便捷操作。

发酵进程中不同碳氮比对发酵进程有一定影响，主要体现在发酵时间的变化上，碳氮比高的发酵速度慢。1 号到5 号动态监测因子的曲线变化趋势并没有明显的变化。