黄越,束胜,蔡培元,郭世荣*
(1.南京农业大学园艺学院,江苏 南京 210095;2.江苏兴农基质科技有限公司,江苏 镇江 212016)
随着我国生产技术水平的提升,农业、食用菌、制酒等产业每年都会产生大量有机固体废弃物,人类活动也产生大量有机废物,大多数作为垃圾处理,造成严重的环境污染[1]。好氧发酵通常被认为是地球上最基本和最有用的可再生资源生物反应器[2]。菇渣(mushroom residue)是指人类种植食用菌后残留的大量废弃料渣,常被称为菇渣、菌渣等。菇渣中含有丰富的有机质和营养物质,经过降雨淋滤,这些营养物质会转移到水中导致水体富营养化,产生大量的温室气体,导致环境进一步恶劣。菇渣中营养物质的回收可分为化学法、物理法和生物法,其中最常用并适于大范围推广的方法是添加微生物菌剂进行生物处理,即堆制发酵[3]。菇渣的堆制发酵法具有成本低、二次污染少、操作简单等较为突出的优势[4]。菇渣发酵产物的基质化是菇渣资源有效的再利用途径,菇渣基质化利用的是生物发酵在受控条件下的生物分解和稳定化的过程,产生的最终产品生物基质可作为蔬菜等作物育苗和栽培基质及土壤改良剂等。由于发酵是生物过程,它的效率和最终产品的质量主要由诸多影响微生物代谢的因素控制,如温度、含水率、pH值、添加剂、微生物菌剂等。近年来,发酵料中添加微生物菌剂已取得较大进展,可明显促进发酵进程和保持较高的降解速率[5]。科学研究已经证实,在有机废弃物发酵处理过程中添加微生物菌剂,可促进堆体快速升温和腐殖化过程,从而大大缩短发酵腐熟时间,改善发酵效果和产品品质[6]。因此,有必要研究专用发酵菌剂与新的堆体方式对菇渣发酵效果的影响。
本试验利用本课题组自主研发的固体菇渣发酵专用微生物菌剂产品,设置不同剂量处理,采用传统堆体和静态免翻堆体发酵方式,研究不同堆体方式对菇渣发酵堆体温度、理化性状以及种子发芽指数的影响,以期为建立有效的菇渣生物发酵术体系提供技术支撑。
菇渣专用发酵菌剂由南京农业大学设施园艺实验室提供,其中包含2种细菌:尿素芽胞杆菌(Ureibacillussuwonensis)和巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus),2种真菌:烟曲霉菌(Asperqillusfumigatus)和嗜热丝孢菌(Thermomycessp.),2种放线菌:热红短芽胞杆菌(Brevibacillusthermoruber)和沙福芽胞杆菌(Bacillussafensis)。
菇渣来自江苏兴农基质科技有限公司(镇江),含水量为65%,容重为0.17 g·cm-3,pH值5.89,C/N为22.4,电导率(EC)值3.37 mS·cm-1。菇渣主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,其中纤维素最高,达25%。
图1 静态免翻堆体发酵Fig.1 Static flip-free composting fermentation
试验于2021年4至6月进行,发酵场地由兴农基质公司提供,传统的堆体发酵方式采用长2 m、宽1.5 m、高1 m的发酵堆(<3 m3)进行;静态免翻堆体发酵装置由江苏兴农基质科技有限公司开发,采用长3 m、宽1.5 m、高2 m的钢筋框式结构(9 m3)发酵(图1)。2种堆体发酵方式分别设置以下5个处理:对照(CK),菇渣堆体中不添加发酵菌剂;T1,菇渣堆体中添加0.2%(质量分数,下同)专用发酵菌剂;T2,菇渣堆体中添加0.5%专用发酵菌剂;T3,菇渣堆体中添加0.8%专用发酵菌剂;S,菇渣堆体中添加0.8%市售发酵菌剂(预备试验获得)。
堆制发酵堆当天记为0 d,起始自然通风,传统堆体发酵每5 d翻堆1次,至堆体温度降至40 ℃以下并不再上升时,停止翻堆;免翻堆体发酵不需要翻堆。分别在发酵过程的0、5、10、15、20、25、30、35 d,采用五点取样法于堆体40 cm深处取样,混匀后置于无菌密封塑料袋中,用于堆体发酵理化性状分析。取样时,测定堆体温度并记录堆制发酵的气味、颜色、质地等物理性状的变化。参照郭世荣等[7]的方法测定菇渣基质的容重与孔隙度等理化性质。堆体温度测定:每隔1 d,在上午10:00把温度计插到堆体的前、后、左、右和中心5个位置40 cm深处测量,取5个点的均值作为堆体温度。
采用烘干称重法测定含水率:称取保存于4 ℃冰箱的新鲜样品(m1),放在玻璃培养皿中,然后置于 75 ℃的电热鼓风恒温干燥箱中烘干,再将样品取出,称干样重(m2)。每个样品称取3次,设置3个重复。含水率(%)=(m1-m2)/m1。
pH值和EC值测定:将风干样品(质量)与去离子水(体积)以1∶5比例相混合,2 h后取滤液,分别用pH计和电导率仪测定pH值、EC值。有机质采用重铬酸钾容量法测定[8]。E4、E6测定[9]:称取适量的风干样品(1 g),添加0.5 mol·L-1NaOH,振荡2 h,然后3 000 r·min-1离心25 min。悬浮液用Hitachi UV-2000 在190~1 100 nm扫描。分别用472 和664 nm的吸光值(A472、A664)表示E4和E6。
发芽指数测定:称取风干基质20 g,与100 mL的超纯水混均,置于摇床振荡浸提2~3 h;用定性滤纸过滤后,取6 mL滤液,滴入铺有无菌滤纸的培养皿(直径9 cm)中,每个培养皿中均匀放入20 粒颗粒饱满、大小一致的白菜种子,置于26 ℃恒温培养箱中培养48 h,测定其发芽率与根长。利用如下公式计算发芽指数:
使用Microsoft Excel 2018和SPSS 21.0软件进行数据处理和统计分析。
菇渣在堆制发酵初期会有特殊的刺鼻腐臭味,随着堆制发酵时间的增加,臭味逐渐消失,并且在堆制发酵后期会产生干木屑的味道。免翻堆体发酵处理中添加微生物菌剂的处理较传统堆体处理会提前产生干木屑的味道,随着堆制发酵时间的增加,堆体外部也可见大量灰白色菌丝,其中菌剂添加组的灰白色菌丝较对照组表面多,物料也由湿滑或黏结成块状逐渐变得干燥松散,容易分离。由表1可知:随着堆制发酵时间的增加,传统堆体T2处理在15 d最先从黄棕色逐渐转变为暗褐色,比对照组早10 d,T1、T3和S处理均在20 d时转变为暗褐色,比对照组早5 d;T2和T3处理在30 d变为深褐色,T1和S处理在35 d变为深褐色。免翻堆体发酵T2处理在10 d先变为暗褐色,比对照组提前10 d,T1、T3和S处理均在15 d转变为暗褐色,比对照组早5 d;T2处理在25 d变为深褐色,比其他添加菌剂的处理组早5 d。综上,添加菇渣专用发酵菌剂处理的堆体物料颜色比其他处理变化明显、发酵速度快,以T2处理为优;免翻堆发酵方式堆体物料颜色变化比传统堆体发酵提前5 d,可显著促进发酵进程。
表1 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中物料颜色变化的影响Table 1 Effects of fermentation agents and composting methods on material color changes during mushroom residue fermentation
由图2可见:传统堆体发酵6 d时,T2和T3处理率先进入高温阶段(≥55 ℃),较CK、T1和S处理提前2 d;发酵期间T2处理温度相对较高,高温持续时间较长,最高温度达到71 ℃,高温期持续时间为22 d。免翻堆发酵6 d时,专用发酵菌剂T1、T2和T3处理均率先进入高温阶段(≥55 ℃),较CK和S处理提前 2 d;T2处理最高温度达到73 ℃,高温期持续时间最长为18 d。2种堆体发酵方式下,各处理菇渣堆体的温度变化趋势基本一致,均经历先升高后下降的升温期、高温期、降温腐熟期3个时期,最终接近于环境温度,说明发酵已经结束;其中传统堆体发酵结束需要35 d,而免翻堆体发酵仅需30 d。菇渣专用发酵菌剂总体发酵效果较好,其中T2处理的堆体升温快,高温持续时间长;菇渣专用发酵菌剂结合免翻方式发酵堆体温度高,发酵速度快。
图2 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体温度的影响Fig.2 Effect of fermentation agent and composting methods on compost temperature during mushroom residue fermentation
由图3可见:传统堆体发酵前10 d,各处理堆体的含水率呈缓慢下降趋势;发酵35 d到结束,各处理堆体的含水率下降趋势变缓,CK、T1、T2、T3和S处理含水率降幅为32%、34%、36%、34%和33%,其中T2处理含水率降幅要高于其他处理,且与CK处理差异显著(P<0.05)。免翻堆体发酵前5 d,各处理堆体的含水率呈缓慢下降趋势;发酵5~25 d,各处理堆体的含水率急剧下降;发酵25~30 d,各处理的含水率下降趋势变缓,CK、T1、T2、T3和S处理含水率降幅分别为29%、30%、32%、32%和30%,其中T2处理菇渣物料含水率降幅要高于其他处理,但各处理之间差异不显著(P>0.05)。2种发酵方式各处理菇渣堆体的含水量变化趋势基本一致,所有处理堆体含水率均逐渐降低;添加菇渣专用发酵菌剂的处理降幅更大,可能是菇渣专用发酵菌剂使堆体中的微生物活性加强,加快了微生物的代谢活动,从而产生大量热量,加速水分蒸发。综上,添加菇渣专用发酵菌剂总体发酵效果好,含水率降幅较大,其中以T2处理的堆体含水率下降较快,且传统堆体发酵的降幅大于免翻堆体发酵,可能是传统堆体发酵多次人工翻堆,水分蒸发快所致。
图3 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体物料含水率的影响Fig.3 Effects of fermentation agents and composting methods on the moisture of compost materials during mushroom residue fermentation
由图4可见:传统堆体发酵过程中各处理的 pH 值呈先升高后缓慢降低的趋势,其中在0~20 d时pH值有明显的上升趋势,20 d达到最大值,CK、T1、T2、T3和S处理分别为7.69、7.73、7.84、7.79、7.82;之后,各处理堆体 pH值逐渐下降,发酵后期各处理的pH值均稳定在7.6左右,且各处理差异不显著,至发酵过程结束大约需要35 d。免翻堆体发酵初期各处理的pH值均呈上升的趋势,在15 d达到最大值,CK、T1、T2、T3和S处理分别为7.66、7.61、7.72、7.70、7.67;之后pH值开始逐渐下降,在发酵结束时各处理均降至7.5左右,且差异不显著,至发酵结束大约需要30 d。说明2种发酵方式各处理的pH值变化趋势基本一致,但免翻堆体发酵的pH值较传统发酵早5 d进入稳定期,提前结束发酵。2种发酵方式下,T2处理上升期均保持较高的pH值,表明发酵速度相对较快。
图4 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体物料pH值的影响Fig.4 Effects of fermentation agents and composting methods on pH value of compost materials during mushroom residue fermentation
由图5可见:传统堆体发酵各处理的EC值均呈先升高后下降最后趋于稳定的变化趋势,且处理之间差异不显著,发酵结束约需要35 d。免翻堆体发酵在20 d时,各个处理的EC值达到最大值,之后逐渐趋于稳定,各处理间差异不显著,发酵结束约需要30 d。说明免翻堆体发酵比传统堆体发酵早5 d结束。
综上,添加菇渣专用发酵菌剂堆体发酵效果较好,其中T2处理的pH值和EC值均高于其他处理;免翻堆体发酵的pH值和EC值较传统发酵方式提前5 d达到稳定状态,发酵结束早。
图5 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体物料EC值的影响Fig.5 Effects of fermentation agents and composting methods on EC value of compost materials during mushroom residue fermentation
由图6可见:菇渣发酵初始有机质含量均为452 g·kg-1,发酵过程中有机质含量逐渐降低,发酵结束时趋于稳定。传统堆体发酵在菇渣发酵35 d结束时,添加专用发酵菌剂的处理T1、T2、T3堆体物料有机含量分别为258、247、252 g·kg-1,均低于对照组和S处理,说明专用发酵菌剂降解有机物料效果较好。免翻堆发酵在菇渣发酵30 d结束时,添加专用发酵菌剂的处理T1、T2、T3堆体物料有机质含量分别为244、235、240 g·kg-1,均低于对照组和S处理,同样说明专用发酵菌剂降解有机物料效果较好。以上表明,添加菇渣专用发酵菌剂发酵效果较好,其中T2处理的堆体有机质含量明显低于其他处理;免翻堆体发酵在发酵30 d结束时各处理有机质含量均低于对应的传统堆体发酵35 d结束时的最小值,表明免翻堆发酵方式发酵速度快、降解有机物料效果好。
图6 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体物料有机质含量的影响Fig.6 Effects of fermentation agents and composting methods on the content of organic matter in compost materials during mushroom residue fermentation
由图7可见:2种发酵方式处理菇渣堆体的腐殖化变化趋势基本一致,均呈先快速上升再迅速下降最后再缓慢上升至平衡状态的趋势。传统堆体发酵在发酵35 d结束时,CK、T1、T2、T3和S处理的E4/E6值分别为8.42、8.00、7.31、7.54、8.28,且T2处理低于其他处理。免翻堆发酵在发酵30 d结束时,CK、T1、T2、T3和S处理的E4/E6值分别为8.33、7.61、6.99、7.48、8.38,达到最高值后T2处理下降速度更快,且在15 d时低于其他处理。以上表明,菇渣专用发酵菌剂降解有机物料腐殖化程度较好,发酵结束时,添加专用发酵菌剂的堆体E4/E6值都低于其他处理,其中T2处理E4/E6值保持在更低水平;免翻堆发酵在发酵30 d结束时除S处理外,E4/E6值均低于对应的传统堆体发酵35 d结束时的值,表明免翻堆发酵方式发酵速度快、腐殖化程度好。
图7 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体物料腐殖化的影响Fig.7 Effects of fermentation agents and composting methods on humification of compost materials during mushroom residue fermentation
由图8可见:堆置前物料浸提液处理的种子发芽率为42.44%,2种发酵方式处理发酵过程中GI值变化趋势基本一致,均随着发酵时间的增加而升高。传统堆体发酵在发酵25 d时,T1、T2和T3处理的种子GI值达到80%以上,而CK和S处理则在发酵30 d时才达到80%以上,在发酵35 d结束时T1、T2、T3处理GI分别为87.25%、88.39%、87.64%,显著高于CK和S处理,说明专用发酵菌剂可促进物料发酵腐熟。免翻堆发酵在发酵25 d时T1、T2和T3处理的GI值达到80%以上,比CK和S处理早5 d;在发酵30 d结束时,T1、T2、T3处理种子GI分别为86.49%、88.91%、87.76%,显著高于CK处理和S处理,说明菇渣专用发酵菌剂可促进物料发酵腐熟。添加菇渣专用发酵菌剂处理的GI值均比对照组和S组高,菇渣堆体的腐熟效果较好。免翻堆方式发酵结束时GI值最高的T2处理稍高于传统堆体发酵T2处理,表明免翻堆发酵方式发酵效果好,提高了种子的发芽指数。
图8 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵过程中堆体物料种子发芽指数的影响Fig.8 Effects of fermentation agents and composting methods on the seed germination index of compost materials during mushroom residue fermentation
由表2可知:传统堆体在发酵35 d结束时,5个处理容重为0.23~0.27 g·cm-3,且与CK处理相比,各处理的容重均有所增加,其中T2和T3处理增幅最大,但各处理间差异不显著;各处理总孔隙度为57%~70%,T1、T2、T3和S处理组均与CK处理显著差异。免翻堆体在发酵30 d结束时,5个处理的容重为0.22~0.27 g·cm-3,与CK处理相比,各处理的容重均有所增加,其中T2处理最大,其次是T3处理;各处理堆体总孔隙度为57%~66%,除CK处理外,其他处理之间无显著性差异。2种堆体方式通气孔隙度为 19%~27%,持水孔隙度为36%~42%,各处理大小孔隙均高于CK处理,T1、T2和T3处理与CK和S处理之间显著差异。说明菇渣专用发酵菌剂在一定程度上增加了菇渣发酵的容重和孔隙比,从而改善了菇渣发酵的物理性质。总之,添加菇渣专用发酵菌剂处理的发酵物料物理性质比其他处理变化明显,容重、总孔隙度和大小孔隙比均有增加,以T2处理最优;免翻堆体发酵方式整体比传统堆体发酵效果更好。
表2 发酵菌剂与堆体方式对菇渣发酵结束后物料物理性质的影响Table 2 Effects of fermentation agents and composting methods on physical properties of mushroom dregs after fermentation
由表3可见:传统堆体发酵方式,在菇渣发酵结束时各处理菇渣发酵产物的全磷、全钾以及Fe、Zn含量无显著性差异,而Ca、Mn、Mg、Cu矿质元素含量差异显著,其中S处理的Ca、Mn、Mg含量最低,T1处理Cu含量最低;5个处理发酵产物矿质元素含量差异较小,说明在发酵35 d时,传统堆体的各处理均已达到较好的稳定腐熟状态。免翻堆体发酵方式,在菇渣发酵结束时各处理菇渣发酵产物的Ca、Fe、Mn、Cu和Zn含量无显著性差异,而P、K、Mg矿质元素含量差异显著,其中CK处理的P含量最低,T1处理K含量最低,T2处理Mg含量最低,5个处理的发酵产物矿质元素含量差异较小,说明在发酵30 d时,免翻堆体发酵的各处理已完成腐熟达到稳定。综上,添加菇渣专用发酵菌剂处理的发酵产物矿质元素含量与其他处理相比无明显变化;免翻堆体发酵方式的矿质元素含量低于传统堆体发酵方式,发酵效果较好。
表3 发酵菌剂对传统堆体和免翻堆体发酵结束后物料矿质元素含量的影响Table 3 Effect of fermentation agents on the content of mineral elements in materials after traditional and flip-free composting fermentation g·kg-1
在众多的有机废弃处理方式中,好氧堆制发酵处理废弃物的方法经济成本较低,添加微生物菌剂可以有效增加堆体内有益菌数量,缩短发酵时间,提高发酵效果。接种外源发酵微生物能有效促进纤维素降解、加快发酵腐熟、控制氨挥发。如:黄孢原毛平革菌接种可改善废弃物堆肥细菌群落的理化参数,提高底物利用率[10];放线菌接种可促进发酵过程中的纤维素降解,加速发酵进程[11]。相比于多菌种液态复合微生物菌剂,固体微生物菌剂性能更为稳定,在发酵时有更好的应用效果。Fu等[12]研究表明固态菌剂贮藏费用较低,发酵前不需要扩大培养,且发酵时能够直接投入使用,在运输和质量控制等方面有着独一无二的优势。针对相同的物料堆制发酵,不同配比的发酵复合菌剂也存在发酵周期长短差异、发酵底物是否彻底降解等问题。刘艳婷等[13]添加不同配比的微生物菌剂能促进发酵腐熟的效果。沈大春等[14]发现菌株不同复配能够显著提升木质纤维素的降解效率,提高发酵质量。
发酵属于生物降解过程,发酵效率和最终产品的质量主要由诸多影响微生物代谢的因素控制,如温度、有机质、微生物菌剂等。堆体的温度是各类微生物在生长和代谢过程中吸收、释放的热能在堆体中的总体呈现。据报道,添加复合微生物菌剂能够有效加速堆体升温,维持长时间高温发酵[15];且添加微生物菌剂能够显著延长发酵的高温持续时间[16]。本试验研究结果与其一致,接种菇渣专用发酵菌剂的处理均比对照组和市售菌剂处理能够维持较长的高温时间,且当专用发酵菌剂添加量为0.5%时堆体升温速度快。
本试验结果表明,从发酵6 d开始,添加菇渣专用发酵菌剂的处理与对照组相比堆体含水率下降速度增快,可能是发酵初期高温使微生物分解有机物生成了H2O,补充了堆制发酵消耗的水分,但随着发酵的进行,微生物产生的水分慢慢减少,发酵持续高温和翻抛,水分蒸发过快,而到发酵后期,随着温度的降低,水分蒸发减慢,发酵含水率趋于稳定,这与卢洋洋等[17]研究结果一致。
据报道,有机物料发酵过程中微生物活性pH值最佳范围为6~9[18]。本试验中,各处理的pH值变化整体呈先快速增加后趋于平衡的趋势,最终pH值均达到7.5左右。鲁耀雄等[19]在利用牛粪和食用菌菇渣发酵过程中也观察到发酵完成后堆体呈弱碱性的现象。张洪铭等[20]针对果皮废弃物进行发酵试验,其结果与本试验中pH值变化过程相一致。EC反映基质发酵浸提液中的离子浓度水平。本试验结果显示,各处理的EC值均先缓慢增高后趋于稳定,而添加菇渣专用发酵菌剂的处理EC值比对照组的上升幅度大,其变化规律与谭美等[21]的试验结果一致,2种物料混合发酵处理比单一原料发酵处理EC 值上升幅度更大。
发酵过程中有机物质在微生物作用下分解转化为二氧化碳、水及矿物质等。本试验研究表明,在发酵结束时,添加菇渣专用发酵菌剂的处理比对照组和市售菌剂的有机质含量低,这与施宠[22]在牛粪中添加微生物菌剂的处理比未接种微生物菌剂的处理有机质含量低的研究结果一致。未腐熟的发酵料内含毒性成分,会对作物的生长造成抑制效果,因此可以用种子发芽指数(GI)来评价发酵腐熟度。周万海等[23]研究表明,添加微生物菌剂能加速物料中纤维素类物质的降解,提高发酵物的种子发芽指数,缩短腐熟期,且复合菌剂的接种效果高于单菌接种。本试验中添加适量发酵专用发酵菌剂处理的发芽指数高于对照组,对堆体腐熟度有一定的促进作用。
目前,有机废弃物基质化利用大多采用好氧发酵,是国内外处理有机废弃物的主要方式。好氧发酵可使废弃物进入生物循环,减少了对环境的污染,是一种将废弃物资源化的有效方式,但传统的堆体发酵方式存在以下缺点:1)发酵周期较长,本试验需要35 d;2)发酵堆高度有限,约1 m,占地面积大,场地利用率低;3)发酵过程中翻堆用工量大或强制通风爆气用电量高,成本高;4)翻堆散发臭气,环保压力大。免翻堆体发酵方式具有以下优点:1)装置通风透气,发酵周期缩短,本试验约30 d;2)叠加2层发酵,高度达到4 m,占地面积小,场地利用率提高3倍以上;3)发酵过程中不需要翻堆,省工、省力;4)免翻堆体避免有害气体及臭气的产生和排放。这种利用空气自然输气的快速堆体发酵装置和发酵方式的出现,有效地使外部空气源源不断向堆体内部自然渗透和扩散,可满足微生物对好氧发酵的需求,凸显了免翻堆体发酵方式明显的优势。
综上所述,专用发酵菌剂可促进菇渣物料发酵,添加0.5%专用发酵菌剂的发酵效果优于其他菌剂添加量以及市售菌剂处理;免翻堆体发酵可促进菇渣发酵,较传统堆体发酵方式提前5 d完成发酵,发酵效率高,且发酵效果好。