CN101186537A - 梯次循环接种温控堆肥的方法 - Google Patents

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Abstract

一种梯次循环接种温控堆肥的方法，在堆肥过程的三个不同阶段，根据堆温分别添加三种不同的促腐降解菌剂，且在每个阶段的堆制发酵过程中，取出其中的一部分原料作为功能菌剂供下一轮堆肥接种使用。由于不需要每次发酵都接种新菌剂，明显降低了堆肥成本，且循环接种能有效克服外接微生物与土著微生物的拮抗问题，充分发挥了土著微生物的积极作用，达到事半功倍的效果。

Description

梯次循环接种温控堆肥的方法
一、技术领域
本发明属农业科学中利用微生物发酵制造天然肥料的技术领域，具体涉及一种将农业有机废弃物堆肥发酵时所用的梯次循环接种微生物并控制堆肥温度的方法。
二、背景技术
我国是一个农业大国，每年产生大约50亿吨的农业废弃物，包括畜禽粪便、农作物秸秆、乡镇生活垃圾、加工业废弃物等，这些有机废弃物的随意丢弃不仅造成了严重的环境问题，同时也是资源的巨大浪费。
好氧堆肥是目前应用较多的一种堆肥方法。传统的好氧堆肥处理法主要利用堆料中的土著微生物自然发酵完成，各类微生物在堆肥过程中交替作用，逐步分解堆料中的有机物，并最终形成腐殖质类物质。由于堆料中土著微生物起始数量少、增殖慢，且多不耐高温，降解能力弱等原因，导致传统堆肥法可控性差、发酵时间长、腐熟质量不稳定、产生臭味等，无法达到集约化生产的大批量快速处理要求。
为提高堆肥质量和堆肥效率，国内外的相关人员做了大量的研究工作。目前的进展主要集中在针对堆料中某些难降解成分开发对应的降解菌剂和酶制剂等，如专利文献CNZL 200510097902.2《农业废弃物发酵菌剂及其制备方法》中公开了一种由扣囊复膜孢酵母ZJY和灰藤黄链霉菌W两种新菌株及另一已知菌种蜡状芽孢杆菌E1-2制成复合菌剂或单一菌剂用于农业废弃物处理；专利文献CN02154206.6《一种复合微生物发酵菌剂、制备方法及其用途》提出了一种由芽孢杆菌、无芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、光合细菌、丝状真菌和乳酸菌等七种微生物组成的复合微生物发酵菌剂，用于畜禽粪便的处理；专利文献CN200610078588.8《一种用于堆肥发酵的复合微生物菌剂及其生产方法和用途》公开了一种由酿酒酵母、植物乳杆菌、总状毛霉、米曲霉组成的复合微生物菌剂，用于堆肥发酵等。
为了解决新接入的微生物与土著微生物竞争的问题，常采取在堆肥初期杀灭土著微生物的方法。在专利文献CN 02120353.9的发明专利申请《三阶段温度控制堆肥法》中，提出在堆肥初期要通热空气使温度在3～5小时内迅速达到75℃以上的高温，维持6～10小时后杀灭土著微生物，冷却至室温再进行接种。但是土著微生物往往对具有复杂组分的堆料有较好的适应性，在堆肥的过程中可以发挥不小的积极作用，能弥补外来接种微生物功能上的不足。完全杀死这些土著微生物是对微生物资源的一种浪费；而且升温所需的热空气也还需要额外的能源。无论是从微生物资源利用还是节约能源角度，CN 02120353.9的方法都不是一种最佳选择。
由于在堆肥过程中对堆料降解起促进作用的主要是微生物所生成的各类降解酶，因此直接接种酶液也能促进堆料的快速腐熟，接种酶液也不存在与土著微生物进行竞争和拮抗的问题。因此，应用酶制剂促进堆肥化具有一定的优点，也是目前堆肥促腐剂发展的一个方向。专利文献CN 200510031704.6《一种促进农业废物堆肥腐熟的活性添加剂及其应用》提出了由芽孢杆菌、黑曲霉、木霉、青霉按比例混合发酵产生的发酵液的复合酶液，用于堆肥的一次发酵阶段，以促进果胶、半纤维素、纤维素等的降解；专利文献CN ZL 200610031263.4《腐熟促进剂及其在农业废物堆肥化中的应用》公开了一种由淀粉分解菌、果胶分解菌、半纤维素分解菌、纤维素分解菌和木质素分解菌等分别发酵产生的发酵液经滤除菌体后混合配制而成的复合酶液，用于农业有机废物的堆肥化。
由于上述这些方法在堆肥添加降解菌剂或酶制剂时都采用了一次投入法，一次投入降解菌剂或酶制剂进行堆肥存在以下不足：如添加单一酶制剂或单一功能菌剂往往只有利于堆料中某一类物质的降解，不能促进堆料中其它物质的腐解；由多种微生物混合成的复合菌剂采用一次投入法时，针对性不强，接种后的微生物群落需要在堆肥不同阶段进行结构上的自我调整，会损失不少有益的生物资源，而且具有纤维降解功能的菌群多为一些高温或中温的真菌及放线茵，常会产生一些制约其它菌群生长的次级代谢产物；复合酶液一次接种，各类不同酶系往往也不能在最佳反应条件下发挥作用，大量浪费添加剂资源。
目前常用的堆肥原料主要是畜禽粪便、农作物秸秆、食品加工业废弃物、生活垃圾等，其基本成分包括粗蛋白、粗纤维、脂肪、淀粉和果胶等，而植物组织中纤维素和木质素被认为是比较难降解的，它们的分解转化效率直接影响堆肥的腐熟效果。一般都认为在堆肥的发酵初期木质纤维素不发生降解，其分解转化主要发生在高温阶段和腐熟阶段。
植物组织的细胞壁主要由果胶、纤维素、半纤维素和木质素相互嵌合而成，果胶、半纤维素、纤维素的降解能显著破坏细胞壁结构，这些物质在前期的有效降解一定能显著提高后期微生物对木质素、纤维素的攻击分解。因此如果在堆肥发酵的初期促使木质纤维素类物质降解，必然有助于加速堆肥的腐熟。
基于上述分析和一次投入法的不足，也有研究者提出了不同的解决方案。如专利文献CN ZL 03118137.6《两次接种微生物复合菌剂堆肥法》公开了分别在堆肥开始和堆肥物料温度升至55～60℃时两次添加两种不同功能的复合菌剂进行堆肥的方法；专利文献CN ZL 200610031262.X《两次添加不同促腐发酵剂的垃圾堆肥法及其促腐发酵剂》提出了一种在堆料的不同堆制阶段，即堆肥开始和堆肥降温阶段的中后期，两次添加不同的两种复合酶制剂的垃圾堆肥法。这些方法在一定程度上符合了堆肥过程不同阶段的需要制备相应的含多类酶的复合菌群或酶液的要求。但是，这些方法每次堆料发酵都需要使用新的菌剂或酶制剂，增加了堆肥成本，且菌剂或酶制剂的投加种类和投加时机也有待进一步研究改进。
三、发明内容
本发明的目的是研究改进菌剂或酶制剂的投加种类和投加时机，探索更加经济合理的堆肥方法。
本发明的技术解决方案为：一种梯次循环接种温控堆肥的方法，在堆肥过程的三个不同阶段，根据堆温分别添加三种不同的促腐降解菌剂，其特征在于：
a.在堆肥初期，将中低温促腐降解菌剂混入堆肥原料中进行堆制发酵，中低温促腐降解菌剂可以是假单胞菌属解脂肪菌、放线菌目或芽孢杆菌属解淀粉菌、芽孢杆菌属解蛋白菌、假丝酵母菌属解半纤维素菌、曲霉属解果胶菌、乳酸菌中的一种或多种组合；
b.堆温上升到55～60℃、维持5天以上后，添加嗜高温促腐降解菌剂，充分混匀后继续堆制发酵，嗜高温促腐降解菌剂可以是芽孢杆菌属嗜高温蛋白降解菌、曲霉属嗜高温解果胶菌、曲霉属嗜高温半纤维素降解菌、青霉或木霉属嗜高温纤维素降解菌中的一种或多种组合；
c.进入堆肥降温阶段、堆温下降到30～40℃后，添加半纤维素、纤维素、木质素促腐降解菌剂、充分混匀后继续堆制发酵；半纤维素、纤维素、木质素促腐降解菌剂可以是曲霉属半纤维素降解菌、青霉或木霉等纤维素降解菌、白腐菌或褐腐菌等木质素降解菌中的一种或多种组合；
d.在上述三个阶段中，在每个阶段的堆制发酵过程中，取出其中的一部分原料作为功能菌剂供下一轮堆肥接种使用。
本发明中所提及的各种微生物均可使用已知微生物，且采用常规的制备方法。
本发明的有益效果在于：
(1)不需要每次发酵都接种新菌剂，明显降低堆肥成本；
(2)三种在不同温度发挥作用的功能菌群在堆肥的不同阶段梯次接种，有利于在其活性的适宜条件下发挥作用，并有利于其增殖和取得数量上的优势地位；
(3)外接菌群通过堆肥过程中的自我调整实现结构优化，土著微生物与外来菌群实现和谐互补，在堆肥的过程中积极发挥作用，因而循环接种所使用的功能菌剂中各功能菌群实现了平衡最优化，并充分适应堆肥复杂的原料组分和腐熟进程。
接种的外源微生物如何有效的与土著微生物竞争，如何利用土著微生物对复杂组分堆料的适应性，充分发挥其积极作用，弥补外来接种微生物在功能上的不足，一直是困扰堆肥菌剂发展的问题。完全杀死这些土著微生物，可以解决外源微生物与土著微生物的竞争拮抗问题，却是对土著微生物资源的一种浪费，完全消除了土著微生物在堆肥中所起的积极作用。循环接种能有效克服外接微生物与土著微生物的竞争、拮抗问题，充分发挥土著微生物的积极作用，达到事半功倍的效果。
四、附图说明
图1为梯次循环接种法与对照处理的堆肥温度变化曲线。
五、具体实施方式
实施例1：三种不同促腐降解菌剂的制取
市购或从有关微生物保藏机构获得所需的菌种，在对应的培养基上按常规进行斜面活化培养和液体扩培培养。
所使用的斜面活化培养基有PDA培养基、营养琼脂培养基、阿须贝培养基、MRS培养基等；
所使用的液体扩培培养基有PDA培养基(培养霉菌、酵母菌)、肉汤培养基(培养细菌)、高氏1号培养基(培养放线菌)、MRS培养基(培养乳酸菌)等。
不同菌种的液体扩培完成后，直接以各种微生物培养液以重量配比为：
                解脂肪菌                15～25％
                解淀粉菌                15～25％
                解蛋白菌                15～25％
                解半纤维素菌            10～20％
                解果胶菌                10～20％
                乳酸菌                  5～15％
的比例制成中低温促腐降解菌剂；
以各种微生物培养液在菌剂中的重量配比为：
                嗜高温蛋白降解菌        10～20％
                嗜高温解果胶菌          10～20％
                嗜高温半纤维素降解菌    30～40％
                嗜高温纤维素降解菌      30～40％
的比例制成嗜高温促腐降解菌剂；
以各种微生物培养液在菌剂中的重量配比为：
                半纤维素降解菌          20～30％
            纤维素降解菌        35～40％
            木质素降解菌        35～40％
的比例制成半纤维素、纤维素、木质素促腐降解菌剂。
各微生物的具体使用菌种分别是：
解脂肪菌——铜绿假单胞菌
解淀粉菌——诺卡氏菌
解蛋白菌——枯草芽孢杆菌
解半纤维素菌——产朊假丝酵母
解果胶菌——米曲霉
乳酸菌——植物乳杆菌
嗜高温蛋白降解菌——地衣芽孢杆菌
嗜高温解果胶菌——黑曲霉
嗜高温半纤维素降解菌——黑曲霉
嗜高温纤维素降解菌——绿色木霉
半纤维素降解菌——里氏木霉
纤维素降解菌——点青霉
木质素降解菌——黄孢原毛平革菌
上述仅是我们推荐的菌剂配方组成，本领域技术人员可以基于本发明的精神在本发明的基础上进行拓展和延伸。本发明对现有技术的贡献在于不同类群微生物的搭配，而至于各组分的含量是本领域技术人员所熟知和常用的，根据要处理的有机废弃物的成分和选用的微生物的功能来确定，本发明微生物发酵剂的剂型及制备方法也是常规的。
实施例2：
将以奶牛场牛粪80％(重量百分比)、小麦秸秆20％(重量百分比)构成的有机废弃物原料条垛形堆制，发酵初期控制水分60％。
a.堆肥初期，将中低温促腐降解菌剂按堆肥原料重量的2％直接添加，充分混匀后进行堆制发酵；
b.当堆温上升到55～60℃，进入堆肥高温期维持5天以上后，按堆肥原料重量的2％直接添加嗜高温促腐降解菌剂，充分混匀后继续堆制发酵；
c.进入堆肥降温阶段、堆温下降到30～40℃后，再按堆肥原料重量的3％添加半纤维素、纤维素、木质素促腐降解菌剂，充分混匀后继续堆制发酵直至完成。
在堆肥进程中，每天记录气温与堆温的变化，根据不同升温情况适当翻堆以维持良好的发酵状态。
对照例处理：原料成分配比相同，堆肥初期一次性按照使用说明加入某市售堆肥腐熟菌剂，条垛形堆制，堆制过程中不添加任何物质。在堆肥进程中，每天记录气温与堆温的变化，根据不同升温情况适当翻堆以维持良好的发酵状态。
两种堆肥方法的效果对比如图1和表1、表2所示。
从图1、表1和表2所示可看出，堆料中微生物数量在整个堆肥的过程中都比普通方法具有优势，微生物数量的增多也促进了堆肥初始阶段堆料的升温，使堆料在第3天就达到了55～60℃的高温，添加的高温解纤维菌还有助于保持高温发酵阶段，堆温高于60℃的天数达到了11天，而对照处理仅为6天，有效地促进了堆料腐熟、提高堆肥效率，可比普通堆肥法提早5～10天收获堆肥成品。同时，促腐降解菌剂所含的复合酶系可以加速堆料物质降解，其中纤维素降解率提高了20.1％，木质素降解率提高了17.1％。
                表1堆肥过程中的微生物数量变化
                        (单位：cfu/g干样)
  第二次接种前   第三次接种前   降温期后期
  处理   对照   处理   对照   处理   对照
  细菌真菌放线菌   2.6×1071.7×1055.1×106   2.1×1072.9×1053.5×106   3.6×1065.8×1067.2×107   4.2×1051.1×1048.4×106   4.1×1097.9×1066.7×106   8.3×1081.7×1051.4×106
              表2堆肥过程中几种有机物的总降解率(100％)
  第二次接种前   第三次接种前   降温期后期
  处理   对照   处理   对照   处理   对照
  果胶半纤维素纤维素木质素   46.721.510.15.7   38.216.19.84.3   73.269.547.923.8   52.745.134.216.3   81.783.069.645.1   60.957.749.528.0
实施例3：
如实施例2所述，在三个不同的堆肥阶段中，在每个阶段的堆制发酵过程中，取出其中的一部分原料作为功能菌剂供下一轮堆肥接种使用。循环接种量控制在10～20％(重量百分比)。循环回复接种后，不需要每次发酵再投加新菌种，不仅明显降低了堆肥成本，而且在多次循环回复接种后，由于各功能菌群更加平衡优化，堆肥效果更好。
表3、表4为经过10轮梯次循环回复接种后的各项数据实测结果。
            表3梯次循环接种后堆肥的微生物数量
                     (单位：cfu/g干样)
  第二次接种前   第三次接种前   降温期后期
  细菌真菌放线菌   3.5×1074.2×1054.7×106   6.1×1067.1×1066.4×107   3.7×1092.3×1077.5×106
表4梯次循环接种后堆肥的主要有机成分分解效果(100％)
  第二次接种前 第三次接种前   降温期后期
  果胶半纤维素纤维素木质素   44.922.111.45.3 71.970.749.122.3   82.184.370.442.7
实测数据说明，循环接种确实能有效克服外接微生物与土著微生物的拮抗问题，充分发挥土著微生物的积极作用，达到事半功倍的效果。

Claims (2)

1.一种梯次循环接种温控堆肥的方法，在堆肥过程的三个不同阶段，根据堆温分别添加三种不同的促腐降解菌剂，其特征在于：
a.在堆肥初期，将中低温促腐降解菌剂混入堆肥原料中进行堆制发酵；
b.堆温上升到55～60℃、维持5天以上后，添加嗜高温促腐降解菌剂进行堆制发酵；
c.进入堆肥降温阶段、堆温下降到30～40℃后，添加半纤维素、纤维素、木质素促腐降解菌剂进行堆制发酵；
d.在上述三个阶段中，在每个阶段的堆制发酵过程中，取出其中的一部分原料作为功能菌剂供下一轮堆肥接种使用。
2.如权利要求1所述的梯次循环接种温控堆肥的方法，其特征在于：
a.堆肥初期使用的中低温促腐降解菌剂可以是假单胞菌属解脂肪菌、放线菌目或芽孢杆菌属解淀粉菌、芽孢杆菌属解蛋白菌、假丝酵母菌属解半纤维素菌、曲霉属解果胶菌、乳酸菌中的一种或多种组合；
b.堆温在55～60℃时添加的嗜高温促腐降解菌剂可以是芽孢杆菌属嗜高温蛋白降解菌、曲霉属嗜高温解果胶菌、曲霉属嗜高温半纤维素降解菌、青霉或木霉属嗜高温纤维素降解菌中的一种或多种组合；
c.堆肥降温阶段添加的半纤维素、纤维素、木质素促腐降解菌剂可以是曲霉属半纤维素降解菌、青霉或木霉等纤维素降解菌、白腐菌或褐腐菌等木质素降解菌中的一种或多种组合；
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