1、第三章,堆肥微生物學(xué),第一節(jié)、堆肥微生物的種類及特征,堆肥化是微生物作用于有機(jī)廢物的生化降解過程，微生物是堆肥過程的主體。堆肥微生物的來源主要有兩方面。一方面是來自有機(jī)廢物里面固有的大量的微生物種群；另一方面是人工加入的特殊菌種。這些菌種在一定條件下對某些有機(jī)廢物具有較強(qiáng)的分解能力，具有活性強(qiáng)、繁殖快、分解有機(jī)物迅速等特點(diǎn)，能加速堆肥反應(yīng)的進(jìn)程，縮短堆肥反應(yīng)的時間。,堆肥中發(fā)揮作用的微生物主要是細(xì)菌和放線菌，還有真菌和原生動物等。隨著堆肥化過程中有機(jī)物的逐步降解，堆肥微生物的種群和數(shù)量也隨之發(fā)生變化。,一、細(xì)菌,細(xì)菌是單細(xì)胞生物，形狀有桿狀、球狀和螺旋狀，有些還能運(yùn)動。在好氧堆肥系統(tǒng)中，存在著

2、大量的細(xì)菌。細(xì)菌憑借大的比表面積，可以快速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中。所以在堆肥過程中，細(xì)菌在數(shù)量上通常要比體積更大的微生物 （如真菌）多得多。在早期的堆肥生產(chǎn)實(shí)踐過程中非菌絲體結(jié)構(gòu)的細(xì)菌，較具有菌絲體結(jié)構(gòu)的真菌和放線菌更難以被發(fā)現(xiàn)，所以其重要性被忽視了。,假單胞菌,二、放線菌,放線菌在分類學(xué)上是一類具有高G+C的革蘭氏陽性細(xì)菌，能夠比細(xì)菌忍受更高的溫度和pH值，放線菌是具有多細(xì)胞菌絲形態(tài)的細(xì)菌，因此它們又具有一些真菌的特征。在堆肥化的過程中它們在分解諸如纖維素、木質(zhì)素、角質(zhì)素和蛋白質(zhì)這些復(fù)雜有機(jī)物時發(fā)揮著重要的作用。它們的酶能夠幫助分解諸如樹皮、報(bào)紙一類堅(jiān)硬的有機(jī)物。盡管放線菌降解纖維素和木質(zhì)

3、素的能力并沒有真菌強(qiáng)，但是它們在堆肥過程中的高溫期卻是分解木質(zhì)纖維素的優(yōu)勢菌群。,三、真菌,真菌不僅能分泌胞外酶，水解有機(jī)物質(zhì)，而且由于其菌絲的機(jī)械穿插作用，還對物料施加一定的物理破壞作用，促進(jìn)生物化學(xué)作用。在堆肥化過程中，真菌對堆肥物料的分解和穩(wěn)定起著重要的作用。堆肥過程中真菌總的變化趨勢與總的微生物變化趨勢相似，開始時堆肥原料中的真菌以中溫真菌為主，但數(shù)量少于細(xì)菌而與放線菌相近。中溫真菌在堆肥過程中逐漸減少，此后嗜熱真菌逐漸達(dá)到最大值，大部分真菌在堆體溫度達(dá)到50時就不存在了，而當(dāng)溫度超過60時真菌幾乎完全消失；當(dāng)堆肥溫度開始下降，溫度低于45時，真菌的數(shù)量又回升，此時堆肥底物以纖維素和木

4、質(zhì)素為主，因此推測真菌數(shù)量的增加可能是由于堆肥中存在纖維素和木質(zhì)素的原因。,米曲霉,煙曲霉,特異腐質(zhì)霉,嗜熱毛殼菌,無孢菌群,梭孢殼屬,渺小白霉,四、古菌,古菌大多數(shù)為嗜熱菌或超嗜熱菌，最近的研究發(fā)現(xiàn)在堆肥中存在一些低豐度的產(chǎn)甲烷古菌。同細(xì)菌比較其數(shù)量極低（貧養(yǎng)、代時長）。,五、病原微生物及其他微型生物,堆肥化不僅要達(dá)到穩(wěn)定有機(jī)廢物的目的，還要解決堆制過程中存在的公共衛(wèi)生問題，主要病原菌包括在原來廢物中帶有的原生病原菌 （primary pathogens）和堆制過程中產(chǎn)生的真菌、放線菌等次生病原菌 （secondary pathogens）。原生病原菌如細(xì)菌、病毒、原生動物和蠕蟲卵可引起健康

5、個體染病，而次生病原體則可以削弱免疫系統(tǒng)，如造成呼吸系統(tǒng)疾病等。當(dāng)溫度超過70時，在幾天內(nèi)可以達(dá)到滅菌的目的，但在5060時需要持續(xù)的時間為1020d。,微型生物在堆肥過程中也發(fā)揮著重要的作用。輪蟲、線蟲、跳蟲、潮蟲、甲蟲和蚯蚓等低等生物通過在堆肥中移動和吞食作用，不僅能消納部分有機(jī)廢物，而且還能增大表面積，并促進(jìn)微生物的生命活動。,第二節(jié) 堆肥過程中的微生物學(xué)研究,一、堆肥過程中的微生物群落及其動態(tài) 堆肥化的實(shí)質(zhì)是由群落結(jié)構(gòu)演替非常迅速的多個微生物群體共同作用而實(shí)現(xiàn)的動態(tài)過程，所以對該過程的微生物生態(tài)學(xué)過程進(jìn)行監(jiān)控有利于有效地管理堆肥過程。由于在堆肥腐熟過程中微生物發(fā)揮著關(guān)鍵作用，所以有些微

6、生物的特性能反映堆肥的腐熟進(jìn)程。,堆肥初期，是微生物旺盛繁殖并釋放出熱能來不斷提高堆肥溫度的發(fā)熱階段。在這一階段中，堆肥物質(zhì)的變化情況是在好氧條件下，那些容易被微生物分解的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、淀粉類物質(zhì)及簡單的糖類等迅速分解，產(chǎn)生大量熱量。在這一階段中分解這些有機(jī)物的微生物以中溫好氣性種類為主，常見的有細(xì)菌和絲狀真菌。,當(dāng)堆肥的溫度超過50以后，通常被稱為高溫階段，這一階段中，除少部分殘留下來的和新形成的水溶性有機(jī)物繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化外，復(fù)雜的有機(jī)物，如半纖維素、纖維素等開始大量的被具有分解活性的微生物所分解，并進(jìn)入到腐殖質(zhì)的形成過程，出現(xiàn)了能溶解于弱堿的黑色物質(zhì)。這一階段中以高溫微生物最為活躍，常

7、見的有嗜熱細(xì)菌，嗜熱放線菌等。,當(dāng)溫度上升到60以上時，嗜熱絲狀真菌幾乎完全停止活動，嗜熱放線菌和芽孢桿菌的活動占優(yōu)勢。到了70以上，只有嗜熱芽孢桿菌在活動。很多的嗜熱微生物，包括細(xì)菌，放線菌和絲狀真菌，是分解纖維素和果膠類物質(zhì)能力很強(qiáng)的微生物。因此，在高溫階段，纖維素、果膠類物質(zhì)等快速分解，同時產(chǎn)生腐殖質(zhì)。,溫度上升到70以上，大多數(shù)的嗜熱性微生物也不適宜了，微生物大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)。這時，由于已死亡的微生物所含有的各種酶的作用，有機(jī)物質(zhì)的腐解作用仍能進(jìn)行一段時間，但由于酶蛋白不能自我繁殖，所以對有機(jī)物的腐解作用很快就衰退了，溫度開始下降。當(dāng)下降到適當(dāng)溫度時，處于休眠的嗜熱微生物又恢復(fù)了

8、它們的生命活動，堆肥的溫度又會再次上升。為實(shí)現(xiàn)堆肥快速完全腐熟，應(yīng)促使堆肥快速達(dá)到高溫階段，同時保證高溫階段持續(xù)長久 。,二、堆肥微生物降解的基本原理,有機(jī)廢棄物在微生物的作用下，一部分被轉(zhuǎn)化為簡單的有機(jī)物、無機(jī)物，這一過程為礦化作用；而另一部分包括難降解的部分則轉(zhuǎn)化為垃圾層中的有機(jī)部分腐殖質(zhì)，這一過程為腐殖化作用。礦化是將有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化為無機(jī)物的過程，是與微生物生長（包括分解代謝和合成代謝）相關(guān)的過程，被礦化的有機(jī)物作為微生物生長的基質(zhì)和能源，通常只有一部分有機(jī)物被用于合成菌體，而其余部分形成微生物的代謝產(chǎn)物，如CO2、H2O、CH4等。礦化也可以通過多種微生物的協(xié)同作用完成。,礦化和腐殖化

9、是垃圾生物轉(zhuǎn)化過程中既對立又統(tǒng)一的兩個方面，在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。微生物是垃圾降解的主體，生物降解過程以微生物代謝為核心，在過程中則遵循化學(xué)反應(yīng)原理。此外，共代謝在有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程中的作用也引起了人們的注意。,（一）微生物的降解轉(zhuǎn)化能力,1. 微生物個體微小，比表面積大，代謝速率快 2. 微生物種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣 3. 微生物降解酶,（二）微生物對有機(jī)物質(zhì)的吸收,1. 自由擴(kuò)散 2. 促進(jìn)擴(kuò)散 3. 主動運(yùn)輸 4. 基團(tuán)移位,（三）有機(jī)物質(zhì)的生物降解,1. 水解作用 2. 脫羧基作用 3. 脫氨基作用,三、微生物在堆肥物料中吸附遷移的機(jī)理及影響因素,（一）細(xì)菌在堆肥物料中的吸附作用

10、 細(xì)菌在堆肥顆粒介質(zhì)表面的吸附可以被看作一個連續(xù)的過程。首先，細(xì)菌要經(jīng)歷在間隙液相中傳輸而接近固體表面的過程。靜態(tài)下，此過程主要依靠重力、布朗分散、細(xì)菌的運(yùn)動性以及湍流作用的聯(lián)合作用來實(shí)現(xiàn)。,細(xì)菌-堆肥顆粒表面的邊界層(湍流作用) 細(xì)菌與顆粒表面距離大于2nm，發(fā)生可逆吸附(遠(yuǎn)程作用力，包括范德華引力、雙層相互作用力及位阻作用力) ，細(xì)菌細(xì)胞的布朗運(yùn)動仍然存在。 不可逆吸附是由短程作用力包括化學(xué)約束力、偶極作用和疏水性相互作用等引起的，另外胞外聚合物也是引起不可逆吸附的重要原因。細(xì)菌發(fā)生不可逆吸附時，細(xì)菌細(xì)胞的布朗運(yùn)動停止，細(xì)菌不能夠被洗脫。,1. 可逆吸附,減弱細(xì)菌在堆肥顆粒表面的吸附作用主

11、要是集中在減弱可逆吸附作用上。通常，有兩種模型可以描述細(xì)菌在顆粒表面的可逆吸附，一種是基于細(xì)菌和顆粒表面間靜電特性的DLVO理論，一種是基于系統(tǒng)界面自由能的可濕性理論（wettability theory）。這兩種理論結(jié)合起來能夠有效地分析細(xì)菌在顆粒表面吸附的機(jī)理。,1）DLVO理論,DLVO理論是目前對膠體穩(wěn)定性解釋的比較完善的經(jīng)典理論。此理論是以兩相互作用顆粒表面間的范德華引力和靜電排斥力為基礎(chǔ)，兩作用力的平衡直接影響到膠體顆粒間的吸附作用。細(xì)菌由于尺寸較?。ㄆ骄鶠?m）且密度略高于水，可被看作膠體顆粒因此，DLVO理論可以用于分析細(xì)菌的吸附作用。,2）可濕性理論,不同于DLVO理論，可濕

12、性理論不是基于細(xì)菌和顆粒表面的化學(xué)性質(zhì)，而是基于細(xì)菌發(fā)生吸附前后的表面自由能（如表面張力）的變化。大量研究一致證明，可濕性理論能夠合理解釋細(xì)菌在顆粒表面的吸附作用。根據(jù)可濕性理論，改變細(xì)菌表面的疏水性能是一種減弱細(xì)菌吸附作用的有效方法，許多研究表明，通過添加生物或者化學(xué)表面活性劑可以達(dá)到改變細(xì)菌表面疏水性的效果 。,2. 不可逆吸附,細(xì)菌表面分泌的胞外聚合物可作為粘合劑而導(dǎo)致不可逆吸附 顆粒介質(zhì)表面帶正電部位對細(xì)菌的吸引 細(xì)菌與顆粒表面間距足夠?。?nm），短程作用力起主導(dǎo)作用，使兩表面發(fā)生不可逆吸附,（二）細(xì)菌在堆肥顆粒介質(zhì)中的吸附傳輸及其影響因素分析,影響細(xì)菌傳輸?shù)奈锢硪蛩?影響細(xì)菌傳輸?shù)?/p>

13、化學(xué)因素 影響細(xì)菌傳輸?shù)纳镆蛩?四、堆肥微生物生長的影響因素,堆肥化過程是復(fù)雜的，物料經(jīng)混勻后，受營養(yǎng)平衡、水分含量和物理結(jié)構(gòu)等的影響，所以生產(chǎn)工藝過程中要控制各種參數(shù)，就是那些對堆肥過程有影響的物理、化學(xué)和生物因素，它們決定微生物活動的程度，堆肥過程中微生物的活動程度直接影響堆肥周期與產(chǎn)品質(zhì)量。,（一）通風(fēng)供氧,為堆體內(nèi)的微生物提供氧氣 調(diào)節(jié)溫度 散除水分,（二）水分含量,溶解有機(jī)物 水分蒸發(fā)時帶走熱量，起調(diào)節(jié)堆肥溫度的作用,（三）C/N,指堆肥原料與填充料混合物的C/N比，微生物的生長速度與堆肥物料的C/N有關(guān)。微生物生長需要碳源，蛋白質(zhì)合成需要氮源，在堆肥化處理過程中微生物以碳作能源，并構(gòu)成細(xì)胞膜，隨后以CO2形式釋放出來，氮則用于合成細(xì)胞原生質(zhì)。,（四）pH值,理論上pH值對堆肥化過程沒有影響，pH值在312之間都可以進(jìn)行堆肥，而且pH值會隨堆肥化過程發(fā)生變化，這種變化是由于物料被微生物降解后產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的結(jié)果，導(dǎo)致堆肥前期pH值下降和堆肥后期pH值上升，堆肥化處理過程最后階段，一般物料的pH值會上升到8.59.0。但另一方面酸堿度對微生物活動和氮元素的保存有重要影響。,（五）溫度,堆肥化處理過程需要適宜發(fā)酵溫度，溫度是堆肥系統(tǒng)微生物活動的直接反映，是影響微生物活動和堆肥