外源接种粪便好氧堆肥的微生物相变化研究

摘要：为了探明在引入外源混合微生物的粪便好氧堆肥过程中微生物种类和数量变化特性，以粪便为主要培养基，从有关环境中采集堆肥微生物进行富集培养，再以富集培养产物为起始菌种添加到新鲜粪便中，进行模拟堆肥。定量研究了粪便好氧堆肥中细菌、放线菌、霉菌和酵母菌的数量和种类，结果表明细菌是中温阶段的主要作用菌群，对发酵升温起主要作用；放线菌是高温阶段的主要作用菌群；芽孢杆菌、链霉菌、小多孢菌和高温放线菌是堆肥过程中的优势种。
关键词：粪便；外源接种；堆肥；微生物
在好氧堆肥整个过程的各个阶段，由不同种类的微生物参与活动，进行生物氧化分解[1]。国外有人研究过活性污泥堆肥和垃圾堆肥的微生物种类[1]，国内有人研究了垃圾堆肥过程的微生物种类数量[2，3]。但对于粪便堆肥过程中的主要微生物种类数量，特别是引入外源混合微生物的好氧堆肥过程中的微生物种类数量的研究未见有报道。粪便的物理化学特性与活性污泥、垃圾的有所不同，粪便堆肥过程的微生物变化与活性污泥堆肥、垃圾堆肥的微生物变化也有差异。本研究的目的是探明在引入外源混合微生物的粪便好氧堆肥过程中微生物种类和数量变化特性，为筛选粪便堆肥脱臭、快速发酵优势菌群提供依据。
1材料和方法
1.1材料
a.样品。已腐熟的人粪，取自公厕化粪池；已腐熟无臭的猪粪，取自农村养猪场；土壤，取自农村公厕附近多处采集疏松肥沃的土壤。
b.富集培养基。新鲜人粪便，取自大型公厕；木屑及刨花。
c.分离培养基。细菌：牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌：改良高氏一号培养基；霉菌：马丁培养基；酵母菌：豆芽汁培养基。
1.2方法
a.富集培养。将采集的样品和富集培养基按30%和70%(重量比)混合放入500mL摇瓶中，装料约200mL，共7瓶，另设置2瓶对照样(约200mL富集培养基)。在模拟堆肥条件下，200rpm恒温振荡培养，第一、二天中温(30℃)，第三天后高温(55℃)，直到粪便基本无臭；同时测定培养过程中各瓶的臭气变化和减重率变化。第二轮培养，从前一轮的各瓶物料中，选取脱臭效果最好、减重率较高的3瓶物料，移种部分至7瓶新鲜富集培养基中，继续振荡培养，同样设对照样。依此类推连续进行后几轮培养，逐步提高富集培养基浓度至95%，反复富集培养直到粪便完全无臭、腐熟为止。
b.模拟堆肥。以无臭腐熟的驯化样为起始混合菌种添加到新鲜人粪中，加入木屑和刨花，调节含水率在55%左右，C/N比调节在20∶1～30∶1之间，C/P调节在75～150之间，转入铁网框(圆柱状、高30cm、直径20cm)，装料1kg左右。模拟高温堆肥过程，人工控制温度，第一、二天中温(33℃)，第三、四、五天高温(55℃)，250rpm摇床培养。进行了两批模拟堆肥，培养5d后基本无臭，每日从堆料上、中、下三处取样，进行微生物计数，对分离得到的微生物反复纯化，鉴定到属。
c.测定及鉴定方法。臭气测定用6级感官测定法①；计数采用平板稀释培养法[4]；微生物鉴定见参考文献[5～8]，将各菌种鉴定到属。
2结果与讨论
2.1微生物数量的变化
从表1可看出，堆肥中不同类型微生物数量不同，随着堆肥时间的延长，大多数微生物数量呈下降趋势，但不同类型微生物数量下降的特点有所不同，其中有的微生物数量在堆肥后期增加。
表1粪便堆肥过程的微生物数量变化

发酵开始时粪便中微生物数量最多，其中细菌达2.4×1011个/g，放线菌和霉菌都达3.0×107个/g，酵母菌达3.0×108个/g。发酵第一天(中温阶段)细菌有所减少，但细菌仍然占绝大多数，高出了3个数量级，四类微生物的数量依次为：细菌>酵母菌>放线菌>霉菌。到发酵第三天(高温阶段)，除酵母菌外，各类微生物都有明显的减少，其中，细菌减少了2个数量级，放线菌减少了3个数量级，霉菌减少了2个数量级，四类微生物中仍然是细菌数量最多。第五天堆肥开始降温，各类微生物都有所减少，放线菌>酵母菌>细菌>霉菌。经堆肥化后，无论哪一类微生物的数量均大幅度下降。其中，细菌降低了5个数量级，酵母菌降低了2个数量级，霉菌降低了2个数量级，放线菌在高温阶段开始也降低了3个数量级。这表明，堆肥后确实杀灭了粪便中的大部分微生物。
在发酵过程中，无论是在中温阶段还是在高温阶段，细菌的数量总是最大。降温后，细菌比放线菌低1个数量级，但仍比霉菌高1个数量级。在发酵过程中，细菌是优势菌群，对发酵升温有较大的作用。细菌每天约减少1个数量级，最初为1011，在第五天减为106。细菌数量减少的原因是有机物的减少，细菌的繁殖对有机物的要求较高，有机质的减少势必会导致细菌数量的减少。模拟堆肥第三天温度提到55℃，且高温阶段持续3d以上，一些细菌不能适应高温环境，休眠或死亡。在中温阶段，放线菌数量一直呈下降趋势，到第三天降到最低。在高温阶段，放线菌数量逐渐增加，到第五天比细菌多1个数量级，比霉菌多2个数量级。在中温阶段，放线菌减少的原因可能是因各类微生物利用有机物，有机物减少，同时细菌和霉菌与其竞争有机物，中温放线菌可利用的有机物减少。在高温阶段，放线菌增加的原因可能是因大部分易分解有机物被利用，放线菌分解较难降解物质的能力较强，而其它微生物这个能力较弱；并且在55℃高温下，大部分的细菌、霉菌死亡或进入休眠状态，不与放线菌竞争营养物质。因此，放线菌在高温阶段较活跃，利用尚未分解的难降解有机物，进行生长繁殖，数量逐渐增加，是这个阶段分解有机物的主要菌群。