复合菌剂对污泥堆肥过程中氮素及腐殖质影响研究进展*

肖贺文，赵丽红，崔 强

(1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001；2.锦州水务(集团)有限公司，辽宁 锦州 121002)

城市污泥是一种富含有机物质的废弃物，其有效处理和资源化利用一直是环境保护的重要议题[1]。国外也在研究利用微生物菌剂清理淤泥等方面的技术，日本就有利用微生物菌剂清理淤泥的实例，通过将含有解磷菌、硝化-反硝化菌等微生物的固体菌剂撒入淤泥中，促进淤泥中的有机物和无机盐的降解和转化，减少淤泥量，提高水质。污泥堆肥具有减少废弃物量、提高土壤质量和减少环境污染的潜力[2]，污泥堆肥过程中的氮素转化和腐殖质合成问题一直备受关注。有研究表明，氮素作为植物生长的重要营养元素，其转化过程对堆肥的成败起着至关重要的作用。并且在土壤中，腐殖质可以提供养分，改善土壤结构，增强土壤的保水能力和透气性，从而有助于植物的生长[3]。复合菌剂是一种由多种微生物群体组成的生物制剂，其多样性使其具备多功能性，有助于优化堆肥过程[4]。污泥堆肥的过程实质上是由微生物进行堆肥的发酵过程，外接复合菌剂后，污泥堆肥的发酵温度会提升得更快，以达到更好的堆肥效果。本文将系统总结复合菌剂在污泥堆肥中的应用和其对氮素转化及腐殖质合成的影响，以便更好理解和改进城市污泥堆肥技术应用的可持续性。

1 复合菌剂的分类和作用机制

1.1 复合菌剂的分类

常见用于城市污泥堆肥中的复合菌剂类型主要包括：①细菌菌剂。以细菌为主要活性成分，例如假单胞菌、芽孢杆菌等，具有加速有机质分解、减少病原菌、增加肥效等作用。②真菌菌剂。以真菌为主要活性成分，例如曲霉、木霉等，能够分解纤维素、木质素等难降解有机物，还有丝状真菌菌剂，能够促进有机质的分解，以及酵母菌菌剂，其具有较高的糖发酵能力和较好的适应性，能够提高堆肥产品的质量[5-6]，提高堆肥效率。③放线菌菌剂。以放线菌为主要活性成分，例如链霉菌、诺卡氏菌等，具有较高的耐盐性、抗逆性以及较好的分解能力。在污泥堆肥中可以根据实际情况选择合适的菌剂类型来提高堆肥效果。

1.2 复合菌剂的作用机制

复合菌剂在污泥堆肥中发挥作用的机制包括以下几个方面[7]：①降解有机质。复合菌剂中的微生物群体能分解复杂的有机物质，如蛋白质、纤维素和淀粉等，将它们转化为更容易降解的有机物。这有助于减少有机物损失，缩短堆肥时间，提高有机质的利用率。②氮素转化。复合菌剂中的氮素转化型微生物如氨氧化细菌和反硝化细菌可以促进氮素的有机化和损失减少。氨氧化细菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，而反硝化细菌将亚硝酸盐还原为氮气，从而降低氮素的损失。③腐殖质合成。复合菌剂中的腐殖质合成型微生物，如真菌，能够分泌胡敏酸、富里酸等有机物，促进腐殖质的合成。这有助于提高堆肥产物的有机质含量。④抑制有害微生物。复合菌剂中的微生物可以竞争性地抑制有害微生物和病原菌的生长，从而减少它们在堆肥过程中的滋生。这有助于降低病原菌对堆肥产物的污染风险。⑤改善土壤结构。复合菌剂中的微生物能够促进土壤团聚体的形成和稳定性。团聚体是土壤中的有机质、矿物质和微生物的聚集体，通过促进团聚体的形成，复合菌剂有助于提高土壤的通气性和保水性。⑥增强植物营养。复合菌剂中的微生物可以固定土壤中的营养元素，如磷、钾、锌等，并释放出来供植物吸收利用，有助于提高植物的生长速度和营养价值。⑦减少环境污染。复合菌剂中的微生物能够降解有机污染物和重金属离子，将其转化为无害的物质或降低其毒性。这有助于减少环境污染和对人类健康的危害。

2 复合菌剂对氮素的影响

2.1 氮素的转化

2.2 氮素的分解

复合菌剂在污泥堆肥中促进氮素的分解主要通过以下机制：①蛋白质降解机制。复合菌剂中的微生物可以分泌酶类，例如蛋白酶和氨化酶，这些酶可以促进蛋白质的降解。蛋白质是含氮化合物的重要来源，其分解可以释放出氮元素。②氨化作用机制。复合菌剂中的氨氧化细菌可以将有机氮转化为氨氮。氨氮是一种更容易在堆肥过程中分解和释放的氮形式。③硝化作用机制。硝化细菌可以将氨氮氧化为硝酸盐氮。这一氧化过程有助于氮素的分解和迁移。黄金枝等[13]研究不同复合菌剂对城市污泥堆肥过程中氮素转化的影响，结果表明，芽孢杆菌属可以分泌多种胞外酶，如蛋白酶、纤维素酶、几丁质酶等，能够分解水体中的有机氮物质，将其转化为氨氮和有机碳。通过这一反应，复合菌剂促进氮素的分解和氮化合物的形成，使其更易被植物吸收和利用[14]。这一机制的重要性在于提高堆肥产物中的氮素的有效性。复合菌剂的应用有助于提高堆肥物料的氮素含量，从而增加其营养价值。

2.3 氮素的损失

复合菌剂在城市污泥堆肥中降低氮素的损失主要是通过氧化还原反应来实现的。在堆肥过程中，氮素常以亚硝酸盐的形式存在，容易损失。Yunbei Li[15]等研究不同复合菌剂对城市污泥堆肥过程中氮素转化和损失的影响。结果表明，添加复合菌剂能够降低堆肥中的氨氮和亚硝酸盐含量，增加堆肥中的有机氮含量，减少氮素的淋溶和挥发损失。同时，氮气排放是一种重要的氮素损失途径。复合菌剂中的反硝化细菌通过将亚硝酸盐还原为氮气，有效阻止氮素的流失。复合菌剂也会促进有机氮的有机化，使其更难被流失[16]。通过上述机制，复合菌剂在污泥堆肥中可以降低氮素的损失。这不仅有助于提高堆肥产物的质量，能减轻对环境的氮素污染，对可持续农业和环境保护有重要意义[17]。

3 复合菌剂对腐殖质的影响

3.1 腐殖质的形成

腐殖质是土壤有机质的重要组成部分，富含碳、氮、磷等养分，可影响土壤的物理和化学性质。腐殖质的合成主要通过植物残渣的降解和微生物的代谢活动完成。复合菌剂中的微生物可以加速这一过程，增加腐殖质的合成[18]。腐殖质的形成可分为两个阶段，第一阶段产生构成腐殖质主要成分的原始材料，即由各种形态和状态的有机物质组成的混合物，在微生物作用下分解为各种简单的化合物。第二阶段为合成阶段，即由微生物为主导的生化过程。将原始材料合成腐殖质的单体分子，进而再通过聚合作用形成不同分子量的复杂环状化合物[19]。复合菌剂中的微生物，尤其是真菌和细菌，有强大的有机物降解能力，通过分解有机物质，如植物残渣、有机废弃物等，释放出有机质，从而增强土壤肥力吸收[20]。有机质在堆肥过程中经过一系列生化反应，逐渐转化为腐殖质的组成部分。Chen，Y等研究了不同复合菌剂对城市污泥堆肥过程中腐殖质形成和稳定性的影响[21]，结果表明，添加复合菌剂能够显著提高污泥堆肥中腐殖酸和富里酸的含量和比例，促进污泥堆肥中腐殖质的形成和稳定。因此，复合菌剂通过促进有机物质的降解和腐殖质的形成，提高污泥堆肥效果，为可持续农业和土壤保护提供支持[22]。

3.2 腐殖质、胡敏酸和富里酸含量的变化

在堆肥过程中，腐殖质、胡敏酸和富里酸的含量都有明显的变化。腐殖质是堆肥产物中的主要有机物质，其含量通常会显著增加。这是因为复合菌剂中的微生物分解和合成有机物质，促进腐殖质的形成[23]。胡敏酸通常在初期堆肥阶段占主导地位，含量逐渐下降，而富里酸的含量则逐渐增加[24]。这反映腐殖质的成熟过程，其中初期的不稳定有机物质逐渐被稳定的有机物质所替代，该变化对土壤质量和养分供应有重要影响。胡敏酸和富里酸的相对比例变化也会影响土壤的化学性质，对养分的释放和稳定起到重要作用[25]。因此，在城市污泥堆肥中，关注腐殖质、胡敏酸和富里酸的含量变化对于合理利用堆肥产物并改善土壤质量至关重要。

3.3 复合菌剂对腐殖质组分的影响机制

不同类型的复合菌剂在腐殖质的形成和稳定性上有以下机制：①有机物的分解。复合菌剂中的微生物通过分泌特定的酶类促进有机物的分解。这些酶能够分解复杂的有机物质，将其降解成更小的有机分子以提供有机质的前体物质，进一步转化为腐殖质的组分[26]。②酶活性的调控。复合菌剂可能通过调控土壤中酶的活性来影响腐殖质的形成。这些酶包括腐解酶、氧化酶等，其参与有机物质的降解和转化。复合菌剂的微生物可以分泌特定的酶，提高有机物质的降解速度，从而促进腐殖质的形成[27]。③微生物代谢的调节。复合菌剂中的微生物通过其代谢产物和代谢途径，可能影响有机物质的分解和合成。某些微生物代谢产物可以充当腐殖质的前体物质，加速腐殖质的合成。此外，微生物代谢过程中产生的气体，如二氧化碳，可以影响有机物质的稳定性和组成[28]。④竞争性抑制。复合菌剂中的微生物可以与土壤中的其他微生物竞争，从而降低竞争性微生物对有机物质的降解速率。这有助于延缓有机物质的降解，将其转化为腐殖质的组分[29]。复合菌剂通过影响这些机制，调控腐殖质的组分和形成过程。不同类型的复合菌剂可能在这些机制中具有不同的侧重点和效果，因此在实际应用中需要根据具体情况进行选择。

4 总结与展望

污泥堆肥是一种有效的污泥处理和资源化利用方法，本文综述了复合菌剂在城市污泥堆肥中的应用和作用，探讨复合菌剂对氮素转化及腐殖质合成方面的影响机制，以及复合菌剂对腐殖质组分的影响规律。从微生物学、生物化学、土壤学等多个角度进行深入分析，揭示复合菌剂在城市污泥堆肥中发挥作用的原理和过程。国内现已有多种具有良好性能和实用价值的微生物菌剂，如VT系列复合微生物菌剂等，并在农业生产、污水处理、堆肥等领域得到广泛应用[30]。

在今后的研究中，应从以下几个方面进行深入探讨：①完善复合菌剂在城市污泥堆肥中的应用技术，包括调整投放浓度、时间和频率，以最大程度地发挥其作用。②针对不同城市污泥类型和处理规模，进行多学科交叉研究，以确定最佳的复合菌剂组合和处理策略。③设定多目标优化策略，以平衡城市污泥堆肥的资源回收、环境保护和经济效益。