（化学工艺专业论文）微生物发酵菌群的组合及其应用研究.pdf

摘要 利用微生物发酵菌群处理畜禽粪便，是目前普遍关注的课题。纤维素分解菌 和除臭菌作为微生物发酵菌群的两个主要组成部分，在畜禽粪便的资源化过程中 发挥着重要作用。本文自行筛选并复合组成了一组纤维素分解菌复合系f h 3 ，在 对其酶学性质研究的基础上。将f h 3 与自行筛选的具有除臭功能的菌株c b 5 和 c s l 4 组合为微生物发酵菌群，并应用于鸡粪的发酵处理过程。 利用纤维素刚果红培养基初筛，得到了2 3 株纤维素分解菌株，其中的4 株 表现出了较高的纤维素酶活力。通过组合实验，得到了一组纤维素分解菌复合系 f h 3 ，并对其酶学性质进行了探讨。 考察了培养温度、培养基初始p h 、摇床转数、碳源、氮源和培养时间对f h 3 产酶的影响。结果表明，f h 3 适宜的产酶条件在温度为3 0 3 5 之间，p h 在6 0 6 5 之间，最适宜的摇床转数为1 2 0 1 6 0 r m ，最佳碳源为麸皮和滤纸，最佳氮 源为蛋白胨。在最佳培养基和最佳培养条件下，f h 3 的产酶时间为4 8 9 6 h 。 考察了温度、p h 对f h 3 酶促反应的影响，并对其酶液热稳定性进行了研究。 结果表明，f h 3 适宜的酶反应条件为温度在4 5 5 5 ，p h 在4 5 5 5 之间，f h 3 的酶热变性温度在6 0 左右。 利用鸡粪抽提液琼脂培养基初筛，得到了1 5 株具有除臭作用的菌株，其中 的株细菌c b 5 和一株放线菌c s l 4 表现了较高的除臭能力。并将这两株除臭菌 与f h 3 组合为微生物发酵菌群。将该微生物发酵菌群应用于小型发酵实验，结 果表明，接种微生物发酵菌剂的堆肥在第四天达到了最高温度，并且高温阶段持 续的时间长。c n 和粗纤维下降的速率较快，发酵结束后营养元素的含量较没有 接种微生物发酵菌剂的要高。 关键词：畜禽粪便纤维素分解菌株酶学性质除臭菌株微生物发酵菌群发 酵实验 a b s t r a c t u s i n gm i c r o b i a lf e r m e n t a t i o nc o m m u n i t yt od i s p o s eo fl i v e s t o k e a n dp o u l t r y m a n a r ei st h em o s tp o p u l a rp r o b l e mn o w c e l l u l o s ed e c o m p o s i n gm i c r o o r g a n i s m sa n d d e o d o r i z i n gb a c t e r i u m ，a st h em o s ti m p o r t a n tt w op a r t so ft h em i c r o b i a lf e r m e n t a t i o n c o m m u n i t y , w e r ef o u n dt ob ev e r yu s e f u li nt h eu t i l i z a t i o no fl i v e s t o c ka n dp o u l t r y m a n u r e i nt h i sp a p e r , ac o m p o s i t em i c r o b i a ls y s t e mf h 3w a sg a i n e da n di t s p r o p e r t i e sc o n c e r n i n ge n z y m a t i ca c t i v i t yw e r ee x t e n s i v e l ys t u d i e d t w o s t r a i n s d e o d o r i z i n gb a c t e r i u mc b 5 a n dc s l 4w e r es e p a r a t e da n dw e r ec o m p o s e dw i t hf h 3 i n t oam i c r o b i a lf e r m e n t a t i o nc o m m u n i t y , w h i c hw a sa p p l i e di n t ot h ef e r m e n t a t i o n e x p e r i m e n t 2 3s t r a i n so fc e l l u l o s ed e c o m p o s i n gm i c r o o r g a n i s m sw e r ei s o l a t e di na d v a n t a g eo f c e l l u l o s e c o n g or e dm e d i u m a m o n gt h e m4s t r a i n sh a dt h eh i g h e rc e l l u l o s ee n z y m e a c t i v i t y t h r o u g hc o n b i n a t i o ne x p e r i m e n t ，ac o m p o s i t em i c r o b i a ls y s t e mf h 3w a s g a i n e da n di t sp r o p e r t i e so f c e l l u l a s ew e r es t u d i e d s t u d i e du p o nt h ee f f e c to fc u l t u r et e m p e r a t u r e ，m e d i u mi n i t i a lp h ，r e v o l u t i o n ， c a r b o ns o u r c e s ，n i t r o g e ns o u r c e sa n dc u l t u r et i m eo nt h ee n z y m ep r o d u c t i o no ff h 3 t h er e s u l t ss h o w e dt h eo p t i m a le n z y m ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n so ff h 3 t h em e d i u m w i t hb r a na n df i l t e rp a p e ra sc a r b o na n dp e p o t o n ea sn i t r o g e ns o h r c ew a so p t i m a la n d t h em a x i m u mc e l l u l a s ea c t i v i t yw a sr e a c h e da m o n g3 0 3 5 ca n dp h6 0 - 6 5w h e n c u l t u r e df o r4 8 - 9 6 h t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to f t e m p e r a t u r ea n dp ho nt h ee n z y m er e a c t i o no f f h 3 t h et h e r m a ls t a b i l i t yo f e n z y m eo f f h 3w a sr e s e a r c h e dt o o t h er e s u l t ss h o w e d t h eo p t i m a lc o n d i t i o n so f e n z y m er e a c t i o no f f h 3 t h et e m p e r a t u r ew a sa m o n g4 5 - 5 5 a n dp hw a sa m o n g4 5 5 5 t h et h e r m a ld e n a t u r a t i o nw a sa p p r o x i m a t e l y6 0 。c 15 s t r a i n so fd e o d o r i z i n gb a c t e r i u mw e r ei s o l a t e di na d v a n t a g eo ft h es o l u t i o no f m a n u r e a m o n gt h e mas t r a i no fb a c t e r i ac b 5a n das t r a i no fa c t i n o m y c e t e sc s l 4 s h o w e dt h eh i g ha b i l i t yo fd e o d o r i z a t i o n c o m b i n a t e dt h et w od e o d o r i z i n gb a c t e r i u m w i t hf h 3a st h em i c r o b i a lf e r m e n t a t i o nc o m m u n i t ya n du s e di ti nf e r m e n t a t i o n e x p e r i m e n t a p p l i e dt h em i c r o b i a lf e r m e n t a t i o nc o m m u n i t yi n t o t h ef e r m e n t a t i o n e x p e r i m e n tt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt e m p e r a t u r eo fc o m p o s t ，w h i c hw a si n o c u l a t e d m i c r o b i a lf e r m e n t a t i o nc o m m u n i t yr e a c h e dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea tt h ef o u t hd a y a n dl a s tal o n gt i m ea th i g ht e m p e r a t u r e c na n dt h er a t i oo fc r u d ec e l l u l o s ew e r e d e c r e a s e dq u i c k l y t h er a t i oo f n u t r i t i o ns u c ha sn ，p ，k ，e t cw a sm u c hh i g h e rt h a nt h e c o m p o s t ，w h i c hw a s n o ti n o c u l a t e dm i c r o b i a lf e r m e n t a t i o nc o m m u n i t y k e yw o r d s ：l i v e s t o c ka n d p o u l t r y m a n u r e ，c e l l u l o s ed e c o m p o s i n g m i c r o o r g a n i s m s ，e n z y m ep r o p e r t i e s ，d e o d o r i z i n gb a c t e r i a ，m i c r o b i a lf e r m e n t a t i o n c o m m u n i t y , f e r m e n t a t i o ne x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解避态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘堂可咀将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名：独瘟及 签字日期： 年月日签字日期：多晒年；月 j 日 前言 前言 随着畜牧业的迅猛发展，大量的畜禽粪便产生。这样不仅带来了严重的环境 问题，甚至还会威胁到人民的身体健康。然而，畜禽粪便所含有的大量有机质和 n 、p 、k 等营养成分是一个潜在的宝贵资源，如能有效利用，不仅能防治污染， 减少疾病，丽且能为农业提供大量优质有机肥料。处理畜禽粪便等有机废弃物最 好的方法是堆肥法。但是采用传统的手工操作和自然堆积方式，并依靠自发的生 物转化作用，不仅发酵效果不稳定，不彻底，有效的营养成分得不到发挥，大量 的致病菌难以消除，而且周期长，处理量小，无法资源化利用。利用微生物发酵 畜禽粪便等有机废弃物是利用有机质资源的有效途径，不仅解决了畜禽粪便等有 机废弃物带来的环境问题，而且能够缩短自然发酵所需的时间，达到充分腐熟的 目的。 畜禽粪便在处理过程中主要存在两个方面的难题。一方面是畜禽粪便的组成 非常复杂，一般蜕主要有可溶性有机物、蛋白质、脂肪、纤维素、半纤维素和木 质素等。在发酵过程中粗脂肪和碳水化合物容易降解，而纤维素和半纤维素是相 对较难降解，木质素是基本不降解。如何提高它们的分解速率，缩短发酵周期， 提高降解率，得到稳定的发酵产物是目前研究的难点；另一方面由于畜禽粪便在 发酵过程中会产生难闻的恶臭造成环境污染，危害人们身体健康。研究发现，臭 味的主要成分为n h 3 、h 2 s 和一些小分子有机物，这些成分也是植物生长重要的 营养元素。如何消除臭味，将这些营养元素固定下来是处理畜禽粪便的另一个难 题。目前解决这些问题最有效的办法就是制各高效的微生物发酵菌剂，通过微生 物的代谢作用来达到有效的处理畜禽粪便的目的。 本课题利用纤维素刚果红选择性培养基初筛，液体发酵测定酶活力复筛，从 畜禽粪便和堆肥中筛选出4 株酶活力较高的纤维素分解菌株。通过一定的复配原 则，将这4 株菌进行了复配实验，测定酶活力后得到了一组酶活力明显增高的纤 维素分解菌复合系f h 3 ，并对f h 3 的产酶条件和酶促反应条件进行了研究。利 用鸡粪抽提液琼脂培养基从动物粪便中筛选出1 5 株除臭菌，通过感官法初筛得 到2 株除臭效果最佳的c b 5 和c s l 4 菌株，并与复合系f h 3 组成微生物发酵菌 群。将该微生物发酵菌群用于小型鸡粪发酵实验，通过对发酵过程中温度、水分、 粗纤维、全碳、全氮、全钾、速效磷、速效钾等参数的测定，证明了该发酵菌群 在鸡粪的发酵过程中能在一定程度上解决上面的两个难题。 第一章文献综述 第一章文献综述 随着我国畜牧业急速发展，大型现代化畜牧场不断出现，产生了大量的畜禽 粪便，因未及时处理与合理利用，导致的环境污染，成为阻碍养殖业持续稳定发 展的重要因素m l 。然而对于农业生产来说，无论过去、现在和将来，畜禽粪便 都是一种优质的有机肥源f 3 , 4 。从这一意义上看，畜禽粪便是发展现代有机农业 和生产绿色食品的重要和潜在的资源。因此，如何及时、安全的处理和利用畜禽 粪便，化害为利、变废为宝，对减轻环境污染促进养殖业和种植业稳步健康发展， 具有重要意义。 1 1 畜禽粪便的污染现状及其处理利用 长期以来，我国畜牧生产在农村基本上处于副业地位，养殖业以个体农户和 集体为主，数量少且规模小。畜禽粪便主要靠庭院堆沤作为有机肥料还田为主。 故有限规模的畜牧业不会带来环境污染问题。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国畜禽养殖业发生了巨大变化，逐渐由过去的分散 经营、小规模经营和在农区经营、主要分布在农区转变为现在的集中经营、大规 模经营的城市郊区农业化经营。这一生产方式的改变，极大促进了我国畜牧业生 产的发展，使之创造了连续2 0 年持续增长的奇迹，年均增幅近1 0 。1 9 8 6 年我 国的禽蛋产量首次超过美国，1 9 9 1 年肉类产量首次超过美国，以后连续几年保 持世界第一【5 j 。目前畜牧业总产值达到4 0 0 0 亿元，占农业总产值之比例超过三 分之一，成为我国农业和农村经济最活跃的增长点和最主要的支柱产业j 6 l 。 1 1 1 畜禽粪便产生概况及污染现状 规模化养殖在促进畜牧业发展，改善人民膳食结构中发挥作用的同时，也带 来了极大的环境问题。绝大多数畜禽场在兴建时由于资盒、技术、设备等方面的 原因，在生产过程中产生的大量粪便、污水的处理措施考虑的不够，大量的畜禽 粪便与污水未加无害化处理随意摊放，不仅破坏了养殖场周边地区的生态环境， 而且通过空气、水体、土壤等媒介污染和破坏城市居民的生存环境，直接或间接 影响了人体健康，同时也给畜牧场自身发展以及畜牧业的可持续发展带来了不利 影i 响j 7 ，8 1 。 第一章文献综述 1 9 8 8 年农业部估计全国畜禽粪便年排放量为1 - 8 8 4 x 1 0 9 吨，相当于工业废弃 物年排放量的3 4 倍【9 】，1 9 9 4 年上海市畜牧业粪便量已突破1 2 0 0 万吨，远远超 过该市当年工业废渣和生活废弃物的排放量【” 。而北京畜禽粪便年排放量高达 1 0 0 0 万吨，相当于1 7 0 0 万城市人口粪便排放量】。据统计，我国畜禽粪便的年 产生量在1 9 9 5 年约为2 7 亿吨【l 。 美国每年畜牧业产出的固体粪肥约2 0 亿吨。其中5 0 来自集约化畜牧业。 欧盟每年产生的农业废物比污泥多3 倍，比城市垃城多6 倍【t o l 。 目前，畜禽粪便己成为农村及城郊环境污染的主要来源并有越来越严重的趋 势，已引起社会各方面的广泛关注。畜禽粪便对环境的污染及危害见表1 1 。 表1 1 畜禽粪便对环境的污染及危害 t a b 1 - tt h ep o l l u t i o na n d h a r m o f l i v e s t o c ka n d p o u l t r y m a n u r eo ne n v i r o n m e n t 从表1 - 1 中可以看出，畜禽粪便的随意排放造成了水体、空气和土壤的严重 污染，甚至会对人类的健康造成极大的危害。下面将畜禽粪便对这三种资源的污 染机理总结如下。 ( 1 ) 大气污染 畜禽排泄物迅速腐烂发酵，产生h 2 s 、n h 3 、胺、硫醇、苯酚、乙醇、乙醛 等挥发性有机酸以及吲哚、粪臭素等上百种有毒有害物质。如果不及时处理，排 放到大气中就会污染空气，使空气中含氧量下降，使动物及人群的免疫力下降， 呼吸道疾病频发。 ( 2 ) 水体污染 粪便中n 、p 等营养物促使水体富营养化，或使地下水中的硝态氮、亚硝氮 第一章文献综述 浓度增高。e v a n s 年l l f l e m i n g 1 2 , 1 3 1 研究表明：随着粪肥的施用，地下水中f l j n 0 3 - n 的污染物会增加。a d a m e 的研究认为硝酸盐下渗到地下水的数量与所施用的粪便 呈一种函数关系1 1 4 】。在安大略湖的西南部，f l e m i n g e t 以铵负荷量作为粪肥进入 瓦管的示踪研究，发现内插施用液态粪肥会导致水质下降，超出简单播撒粪肥对 水质的影响l l “。 粪便中细菌对地下水水质污染程度的影响因素比较复杂，不同细菌的生存和 繁殖环境的差异较大。据分析畜牧场所在地排放的污水中平均含3 3 万个r n l 大肠 杆菌和6 9 万个m l 肠球菌。d e a n 等对不同的作物体系和管理措施进行比较，得 到类似的结果i j “。c o o k 丌展了一项研究是通过使用1 4 个渗水计来观测地下排水 道中水体中细菌和营养物的输送量与所施用的液态猪粪肥的使用量之间的函数 关系，结果表明：在高施用量与低施用量之间有明显差异【1 7 1 。e d w a r s 研究发现总 氮、氨氮、溶解态磷和总磷的浓度随禽粪和猪粪用量的增加而呈线性递增i t 8 。 ( 3 ) 土壤污染 过量施用粪肥除了导致养分流失和淋失引起地表水和地下水污染外，还会造 成土壤中盐分和重盒属的积累【l ”。畜禽粪便直接排放于地表，或施用粪肥造成土 壤孔隙阻塞，土壤透气、透水性下降，引起土壤板结，尤其是猪粪。为提高动物 肉蛋产量，减少发病率，在畜禽饲料中往往使用各种饲料添加剂，如生长激素、 抗生素、有机化学品( 杀虫剂) 、有机砷、铜、锌和铁等，经畜禽粪便浓缩后排八 土壤，可造成土壤龠分和重金属的积累。m i t c h e l l 等报道了长期施用肉鸡粪便的 田阳j ，c u 、z n 含量已积累到毒害水平。也有资料报道，肉鸡粪中砷的含量已超 过污泥农用标准4 1 m g k g t 2 0 】。在土壤纵剖面中，研究发现下渗水体中细菌的输送 量会因细菌的种类而有所不同。一般而言，所有种类的细菌都会被土壤过滤到某 一程度。 1 1 2 畜禽粪便的处理和利用 虽然畜禽粪便的随意排放对环境和人类的身体健康带来了极大的伤害：但是 另一个方面，畜禽粪便中有机质丰富，含有较高的n 、p 、k 及微量元素，是很好 的制肥原料，如果能够合理利用，对农业的发展和环境保护具有重要的意义。表 1 2 列出了畜禽粪便养分的含量 2 2 1 。 从表1 2 中可以看出，畜禽粪便中含有丰富的营养物质，如何有效的利用这 些营养物质，避免浪费，是目前科学工作者研究的重点。畜禽粪便的处理方法有 很多，如好氧发酵法、厌氧发酵法、饲料化、制备微生物有机肥判等。现将这些 方法分述如下。 1 1 2 1 好氧发酵法 4 第一章文献综述 浓度增高。e v a n s 和f l e m i n g i ”1 研究表明：随着粪肥的施用，地r 水中的n 0 3 一n 的污染物会增加。a d a m e 的研究认为硝酸盐下渗到地下水的数量与所施用的粪便 呈一种函数关系【1 4 1 ，在安大略湖的西南部，f l e m i n g e t 咀铵负荷量作为粪肥进入 瓦管的示踪研究，发现内插施用液态粪肥会导致水质下降，超山简单播撒粪肥对 水质的影响l 1 3 j 。 粪便中；l l | 菌对地下水水质污染程度的影响因素比较复杂，不嗣细菌的生存和 繁殖环境的差异较大。据分析畜牧场所在地排放的污水中平均含3 3 万个，m l 大肠 杆菌和6 9 万个，1 1 1 l 肠球菌【l “。d e a n 等对不同的作物体系和管理措施进行比较，得 到类似的结果【l 。c o o k 开展了一项研究是通过使用1 4 个渗水计柬观测地下排水 馗中水体中绌曲和营养物的输送量与所施用的液态猪粪肥的使用量之问的函数 关系，结果表明：在高施用量与低施用量之间有明显差异7 l 。e d w a r s 研究发现总 氮、氨氮、溶解态磷和总磷的浓度随禽粪和猪粪用量的增加而呈线性递增【1 ”。 ( 3 ) 土壤污染 过量施硝粪肥除了导致养分流失和淋失引起地表水和地下水污染外，还会造 成土壤中盐分和重金属的积累l l w 。畜禽粪便直接排放于地表。或施用粪肥造成土 壤孔隙阻塞，土壤透气、透水性下降，引起土壤板结，尤其是猪粪。为提高动物 肉蛋产量减少发病率，在畜禽饲料中往往使用各种饲料添加剂，如生长激素、 抗生素、有机化学品( 杀虫剂) 、有机砷、铜、锌和铁等，经畜禽粪便浓缩后排入 士壤可造成土壤扮分和重金属的积累。m i t c h e l l 等报道了长期施用肉鸡粪便的 咀间，c u 、z n 含量已积累到毒害水平。也有资料报道，肉鸡粪中砷的含量已超 过污泥农用标准4 1 m g k g 口q 。在土壤纵剖面中，研究发现下渗水体中细菌的输送 量会园细菌的种类而有所不同。一般而言，所有种类的细菌都会被 壤过滤到某 一程度川。 1 1 2 畜禽粪便的处理和利用 虽然畜禽粪便的随意排放对环境和人类的身体健康带来了极大的伤害，但是 另一个方面，畜禽粪便中有机质丰富，古有较高的n 、p 、k 及微量元素，是很好 的制肥原料，如果能哆合理利用，对农业的发展和环境保护具有重要的意义。表 1 - 2 列出了畜禽粪便养分的含量啕。 从表l 一2 中可以看出，畜禽粪便中含有丰富的营养物质。如何有效的利用这 些营养物质避免浪费，是日前科学工作者研究的重点。畜禽粪便的处理方法有 很多，如好氧发酵法、厌氧发酵法、饲料化、制备微生物有机肥料等。现将这些 方法分述如一f 。 1 1 2 1 好氢发酵法 1 121 好氧发酵法 第一章文献综述 人们在长期的生产实践过程中，早己懂得利用畜禽粪便堆积发酵制肥料。但 都是采用传统的手工操作和自然堆积方式，并依靠自发的生物转化作用，发酵周 期长，处理量小。进a 2 0 世纪2 0 年代，出现了机械堆肥技术，并逐渐发展成为处 理畜禽粪便的重要方法之一。 表1 2 新鲜畜禽粪便的养分平均含量 t a b 1 2t h ea v e r a g en u t r i t i o n a lc o n t e n t so f f r e s hl i v e s t o c ka n dp o u l t r ym a n u r e 养分种类水分有机物np 2 0 5 k 2 0 鸡粪 5 0 02 5 51 6 31 5 4o 8 5 鸭粪 5 6 62 6 21 1 01 4 00 6 2 鹅粪 7 7 12 3 40 5 5o 5 00 9 5 猪粪 8 21 5 o0 5 60 4 00 4 4 牛粪 8 31 4 50 3 20 2 50 1 5 马粪 7 62 0 00 5 5o 3 0 0 2 4 羊粪 6 52 8 00 6 5o 5 00 2 5 畜禽粪便好氧微生物降解过程，依据温度变化，大致分为三个阶段，每一阶 段各有其独特的微生物类群。 ( 1 ) 中温阶段：堆制初期，堆层呈中温( 1 5 , - - 4 5 ) 。此时，嗜中温性微生 物活跃，利用可溶性物质糖类、淀粉不断增殖，在转换和利用化学能的过程中产 生的能量超过细胞合成所需的能量，加上物料的保温作用，温度不断上升，以细 菌、真菌、放线菌为主的微生物迅速繁殖。 ( 2 ) 高温阶段：堆层温度上升到4 5 ( 2 以上，便进入高温阶段。从废物堆积 发酵开始，不到1 周的时间，温度一般可达到4 5 6 0 。c ，或者更高。此时，嗜中 温性微生物受到抑制，甚至死亡，而嗜热性微生物逐渐替代嗜中温性微生物的活 动。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外，半纤维素、纤 维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。在5 0 。c 左右活动的主要是嗜热性 真菌和放线菌；6 0 4 c 时，仅有嗜热性放线菌与细菌活动，7 0 。c 以上，微生物大量 死亡或进入休眠状态。 在高温阶段，嗜热性微生物按其活性，又可分为三个时期：对数增长期、减 速增长期和内源呼吸期。微生物经历三个时期变化以后，堆层便丌始发生与有机 物分解相对立的腐殖质形成过程，堆肥物料逐步进入稳定状态。 ( 3 ) 降温阶段：在内源呼吸期，微生物活性下降，发热量减少，温度下降， 嗜中温性微生物再占优势，使残留难降解的有机物进一步分解，腐殖质不断增多 且趋于“稳定”，堆肥便进入腐熟阶段。 第一章文献综述 利用好氧堆肥工艺处理畜禽粪便是在有氧条件下，利用自然微生物将有机物 转化为二氧化碳与水。它的优点在于：好氧堆肥处理过程可以减少恶臭。缺点是： 发酵周期长，而且为了维持过程中有充分的氧气，需要翻堆通气或增氧设备，此 外，处理过程中仍有大量的氨气挥发损失田1 。 1 1 2 2 厌氧发酵法 厌氧发酵也称为沼气发酵或甲烷发酵，是指有机物在厌氧细菌作用下转化为 甲烷的过程。自然界中，厌氧发酵广泛存在，但发酵速度缓慢。采用人工方法， 创造厌氧细菌所需的营养条件，使其在一定设备内具有很高的浓度，厌氧发酵过 程则可大大加快。 用厌氧发酵技术处理畜禽粪便，投资少、成本低、管理方便、处理效果好。 它能使畜禽场废物经处理后得以资源化利用，利用厌氧细菌的分解作用，将有机 物( 碳水化合物，蛋白质和脂肪) 转化为沼气和二氧化碳。厌氧发酵技术具有多功 能性，既治理环境污染，又开发新能源沼气，同时还为农户提供优质肥料， 从而取得综合治理效益。此项技术在净化生态环境方面有三个优点【“1 。 ( 1 ) 厌氧发酵净化技术使污水中的不溶有机物变为溶解性有机物，实现无 害化生产，从而达到净化环境的目的。畜禽粪便进入沼气池后，经过较长时间的 密封发酵，可直接杀死病菌和寄生虫，减少生物污泥量。 ( 2 ) 厌氧发酵产生的沼气用途广泛，可用作生活燃料、生产用能、建沼气 发电站等。 ( 3 ) 沼气池厌氧发酵后，其沼渣、沼液可进行综合开发利用，积极参与生 态农业中物质和能量的转化，实现生物质能的多层次循环利用，获得了良好的综 合效益。厌氧发酵后所产生的沼液作为有机肥用于种植业，形成养殖沼气 种植“三位一体”的生态农业良性循环模式。推广厌氧消化技术处理养殖场畜 禽粪便、污水、废弃物，是改善农村环境卫生、提高人民健康水平的重要途径之 d 利用沼气技术( 厌氧消化) 处理养猪、养鸡场废弃物，理论上可行，技术上成 熟，且具有消除粪臭、杀灭病原微生物、不影响废水中含氮成分和提供能源等诸 多优点。据了解，有不少地方的养殖场利用厌氧( 沼气) 技术处理畜禽粪便，减少 环境污染。上海市早在1 9 9 9 年就建成1 0 2 个畜禽场污水治理工程：福建省福清市 建成的治理畜禽场污水工程成功率和运行率达1 0 0 ；河北省石家庄市采用微生物 高温发酵生产优质有机肥料技术，建鸡粪发酵厂治理鸡粪污染；江苏省靖江市为 解决农村能源及畜禽粪便污染环境问题，有1 6 家畜禽养贿场建起沼气生物链工 程。各地应根据实际情况，在目前不可能投入巨资用于处理畜禽废弃物的情况下， 第一章文献综述 只有根据不同规模、不同饲养方法，因地制宜，综合治理，采取厌氧处理、堆肥 发酵、多级净化等多种治污技术模式【2 4 j 。 厌氧发酵技术在小规模应用方面有许多成功的例子，但对于大中型畜禽养殖 场来说，推广应用沼气处理技术在实践上还存在一些亟待解决的问题，这些问题 主要表现在以下几个方面”。 ( 1 ) 规模化畜牧场污水排放置大，修建大型沼气沲及其配套设备的一次性 投资巨大。例如，上海星火沼气工程总投资9 0 0 万元。养殖业属于微利产业，所 以大部分养殖场都难以承受。利用沼气发电在理论上和技术也不成问题，但同 样存在投资巨大，供电稳定性受季节影响，以及发电设备维护费用高等问题。 ( 2 ) 沼气池的运行效果受气温、季节的影响很大。即使采用沼气作为燃料 和照明能源，其稳定性也极易受气温变化的影响，尤其是北方地区。 ( 3 ) 中型畜牧场大都远离居民点，随着环境意识的不断增强，这种趋势还 在加强，这就给沼气利用增加了困难。一般来说，沼气所产生的能源仅靠畜牧场 内部难以完全消耗但又无法远距离运输和利用，导致少数沼气站不得不将大量 的有用资源排放出去，或者将部分沼气站闲置，或者改装成普通厌氧池。另外， 大多数沼气工程是以获取能源为主要目的，对厌氧发酵液的综合利用和深度处理 考虑不多，从而造成大量的资源浪费。 ( 4 ) 处理后的污水的氨态氮含量仍然很高，必须经过曝气、生物氧化池、 人工湿地、活性污泥等辅助工艺处理，这样就大大增加了工程的运转费用。 ( 5 ) 沼气工程的设计参数具有多变性，一般来说，大中型沼气工程配套的 设备都无法规范化、标准化生产，绝大多数设各都需现场加工，因而沼气工程的 造价一般都比较高。 1 1 2 3 饲料化 畜禽粪便含有丰富的营养成分，最适合于反刍动物。畜禽粪便经适当处理 杀死瘸原菌，改善适口性，并能提高蛋白质的消化率和代谢能。国外畜禽粪饲料 早已商品化，我国畜禽粪便饲料化也早已丌展多年，积累了一些经验。畜禽粪便 饲料化方法主要有以下几种： ( 1 ) 青贮法 粪便中碳水化合物含量低，不能单独青贮，一般和青玉米等禾本科青饲料青 贮，粪便在青贮料中占3 0 4 0 。或与块根类等饲料青贮，粪便占3 0 5 0 ，粪 便不能和无氮浸出物含量低的豆科饲料混合青贮。 青贮时原料食糖量不得少于1 1 5 ，含水量应在6 5 7 5 ，饲科眭度以3 5 厘米为：蠢。可使用青贮窖、青贮塔进行青贮、少量饲料可用塑料袋压紧后青贮 第一章文献综述 2 l 天即可饲喂。 优质的青贮料应具有酸香味，可以提高其适口性，同时可杀死粪便中病原微 生物、寄生虫等，此法在血吸虫病流行区尤其实用。 ( 2 ) 干燥法 采用机器设备将粪便饲料迅速烘干，既可减少粪便中粗蛋白的损失，又可消 除异味，杀死病原体，清洁环境提高适口性。如采用自然风干，粗蛋白的损失 增加，不利于杀灭病原体，污染环境。干燥后的粪便粉碎后，可直接与其它饲料 一起制成配合饲料。 ( 3 ) 化学处理法 使用福尔马林溶液对新鲜粪便进行处理，可促使蛋白变性，减少损失。具体 方法是：用福尔马林直接向粪便中喷洒，用量约占粪便干物质的0 7 ，混合均匀 后，放置l 3 h 即可饲喂。由于福尔马林具有刺激性，用经过福尔马林处理的粪 便进行饲喂的量应该由少到多。同时加入能量饲料饲喂，为改善适口性，还应在 每1 0 0 千克的新鲜粪便中加入5 千克的糖蜜。 畜禽粪便的饲料化处理成本低、效果好，但由于处理过程利用的畜禽粪便 的量较小，因此不能从根本上改变畜禽粪便污染的现状。 1 1 2 4 制备微生物有机肥料 家畜粪便含有农作物所需要的各种营养元素和丰富的有机质，是一种肥效 很好的有机肥料。但新鲜有机肥料中的养分主要呈有机化合物形念，难于被作物 直接吸收利用，大多需经腐熟、微生物发酵分解，使养分逐步释放，才能被作物 吸收利用。常规的堆肥腐熟法分解速度慢、耗时长，环境污染严重，并伴有氮素 损失。采用添加微生物发酵菌剂的方法可以加速发酵过程，并能防止畜禽粪便中 养分的损失。发酵腐熟的物料通过添加一定量的功能微生物菌群，即成微生物肥 料。 生物制肥法主要包括预处理、接种、一次发酵、二次发酵、后处理，l 个部分， 具体工艺流程见图1 1 。与好氧堆肥法相比，该工艺增加了两个接种发酵微生物 的工序来强化发酵效果。 图i - i 禽粪便生物制肥法工艺流程 f i g ，1 - 1t h ep r o d u c i n gp r o c e s so f b i o o r g a n i cf e r t i l i z e r a b o u tl i v e s t o c ka n dp o u l t r ym a n u r e g 困要是圆 第一章文献综述 生物制肥法引入了强化发酵效果的微生物，大大缩短了发酵周期，减少了发 酵过程中氮素的挥发，同时防止了恶臭的产生。但同时出于要接种微生物，操作 手续较复杂，成本较高。 1 1 3 前景展望 畜禽粪便对环境的影响已成为世界各国面临的共同问题，防止和治理畜禽粪 便的污染已刻不容缓。随着畜牧业的进一步发展，畜禽粪便用于肥料的生产能力 必将大于农田的负载能力，因此，必须加大对畜禽粪便处理和开发利用的研究力 度。治理畜禽粪便造成的环境污染是一项系统工程，需要政府及各方面的重视和 投入，需要提高全民的环保意识，采取综合防治措施，各行各业共同努力，将控 制畜禽污染工作落实到养殖生产的产前、产中和产后，畜牧业才能持续稳定的发 展，人类j j 会有一个更加美好的家园。 1 2 微生物在生物有机肥中的应用 2 0 世纪8 0 年代初期，日本等发达国家充分利用生物技术，以畜禽粪便为原 料加入矿质肥和多种“酶”后发酵制成了多种优质有机肥。随着生物技术的不断 发展，特别是微生物接种剂技术的发展，促进了传统有机肥制备技术与生物技术 的有机结合。此技术的核心就是通过引入功能强大的发酵菌群，缩短发酵周期。 再向发酵好的物料中加入有周氮、解磷、解钾功能的复合微生物菌剂，制成颗 粒肥料【”l 。这种肥料可广泛应用于蔬菜、果树和花卉等高附加值作物，并可提高 作物的产量和品质【2 8 】。合理利用和推广这些技术，必将产生良好的经济、生态和 社会效益。 1 _ 2 1 微生物在畜禽粪便发酵过程中的应用 新鲜畜禽粪便中含有造成作物生长障碍和影响人、畜健康及环境质量的物 质，生产中通过堆制使畜禽粪便腐熟以消除这些影响。传统的堆肥法堆肥腐熟的 时间常需2 个月至半年，堆制过程中堆肥周围恶臭难闻，污水流淌，蚊、蝇滋生， 成为农业环境中重要的污染源；又由于造成畜禽堆肥恶臭的主要原因是氨的挥 发，在恶臭扩散的同时，堆肥中氮养分大量损失，从而降低了堆肥的农用价值。 传统堆肥腐熟过程主要是一个由自然微生物参与的生理生化过程，因而有可能利 用添加外源微生物来加速该过程，并调控堆制过程中的碳氮代谢，通过减少氮类 物质分解为n h i + - - n 后以气态挥发损失来控制臭味的产生从而保留更多的氮养分。 9 第一章文献综述 畜禽粪便的有机组分是很复杂的，般来说主要有可溶性有机物、蛋白质、 脂肪、纤维素、半纤维素和木质素等。这些物质在发酵过程中生物可降解性是不 同的，粗脂肪和碳水化台物容易降解，而纤维素和半纤维索是相对较难降解，木 质素是最难降解的。纤维素的降解速度在中温期较高1 2 “，在高温期有所下降至降 温期又有所回升到稳定期基本停止说明纤维素的降解主要靠中温微生物完成。 而半纤维素和蛋白质的降解则从中温到降温期都保持相对稳定，有较高的降解速 率。木质素的降解基本上可以忽略，所以发酵的重点和难点应该是纤维素和半纤 维素的降解。畜禽粪便中本来就有很多种类的微生物存在，但它们构成复杂，对 有机物和纤维素等物质的分解能力不均一，这就大大影响了发酵能力，为了加强 发酵能力，就需要引入一些能加强分解纤维素和半纤维素的微生物。同时，发酵 过程中物料的恶臭严重影响了环境和产品品质，以前人们常利用一些物理和化学 的方法加以防治，但成本高，效果也不是很好。实验研究表明恶臭的主要来源是 n h 3 、h 2 s 以及一些有机小分子，特别是那些含量比较高且阀值又很低的。最近 几年的研究发现，一些微生物的活动，如环球菌，它能分解产生臭味的硫化物， 抑止这些微生物的生长和繁殖有利于除臭1 2 9 1 。1 9 7 8 年，同本罔中米实将分离出 的放线菌接种于家禽粪便中，n h 3 、h 2 s 和有机小分子等恶臭物质很快消失；1 9 7 9 年藤尾雄策等分离出好热性放线菌对鸡粪有良好的除臭效果f 捌。随后研究工作者 们又在除臭机理上r 丌发出了硝化菌和硫化菌，使鸡粪中的n h 3 和d m s ( 二甲基 硫化物) 得到了较好的控制，最近又有生物除臭剂的专利出现。发酵过程中，将 除臭微生物混合到发酵微生物中组成微生物发酵菌群，是当前处理畜禽粪便的有 效方法。 目前，有很多微生物发酵菌群的报道，其中包括的微生物菌种也多种多样， 但是总的看来要有三部分组成，纤维素分解菌、除臭菌和抑制病虫害的菌株。有 些微生物发酵菌群也包括一些功能菌株，比如固氮菌，这些固氮菌能够在发酵过 程中将挥发的氮素固定下来消除臭味，增加营养元素。目时，应用最多，效果 最好的就是同本的e m 制剂。e m 技术是同本琉球大学教授比嘉照夫先生于2 0 世纪 8 0 年代初期丌发成功的项微生物技术。e m ( e f f e c t i v em i c r o o g a n i s m s ) 是有效微 生物群的英文缩写，它是由5 科1 0 属8 0 多种对人类有益的微生物复合培养而成的 多功能微生物菌群，是一种新型复合微生物菌剂，其物理性状为棕褐色液体，光 台细菌、醋酸杆菌、放线菌、乳酸菌和酵母菌等5 大类微生物相互依存于一个生 态系统中。许多研究报道，有效微生物菌群( e m ) 能有效的去除畜禽粪便的恶臭且 具有良好的生物肥料作用口0 j 。目前，e m 技术己在日本的冲绳、可儿市，韩国的汉 城、釜山，泰国的曼谷，巴西的里约热内卢以及美、法等国部分城市得到广泛应 用。我国在这方面这有一定的研究，赵京音等研究表明，鸡粪中添加微生物制 第一章文献综述 剂e m ，较传统堆制法腐熟进程明显加快，除臭效果明显，而且能减少氨的气态 损失。李庆康等也研究表明，e m 能大幅度减少鸡粪臭味，氨味，使鸡粪保存 较多有效养分并具有较高生物活性。除 r e m 菌群，我国目前也自行研究出了一 些微生物发酵菌群。出吉林大学1 3 3 1 研究开发的一个发酵菌群经试验证明对纤维素 和半纤维素有很好的降解能力，并能在很短的时闻消除发酵物料的臭味，其组成 为：绿色木霉、放线菌、酵母菌和地衣芽孢杆菌。沈根祥等【3 4 1 筛选出了能够促进 性冷牛粪高温发酵的专门微生物菌群( h s p 菌剂) ，并在牛粪堆肥中进行了试验 应用，结果表明添自h h s p 菌剂的堆肥熟化速度明显快于空白对照。这些微生物发 酵菌群都能够在一定程度上解决畜禽粪便带来的各种危害，有利于保护环境和人 类的身体健康。 1 2 2 功能微生物在生物肥料制备过程中的应用 根据植物吸收营养的比例，土壤中一般缺少速效的氮、磷、钾元素，以往的 办法是多施用化肥补充。但施用化肥的缺点，一是化肥中的氮、磷、钟元素只能 部分地被植物利用；二是长期使用化肥容易破坏土壤结构，造成土壤板结。另外， 在碱性条件下，磷、钾易形成不溶物从而造成肥料的浪费，施用微生物肥料可以 克服以上缺点。对土壤的分析表明，土壤中难镕性磷、钾很丰富。土壤内有益微 生物既可活化土壤又可增加其肥力。可通过施入适量的微生物肥料束加强。 在生物有机肥的生产过程中，以功能菌或菌群为基础制备的菌剂被接种到腐 熟的有机肥中，然后造粒成肥。这些菌株在肥料施于闩；= | 间后能在植物根区形成优 势菌群，促进土壤中矿物营养元素的吸收，从而促进植物生长。目前，研究比较 多的功能菌主要是固氮菌、解磷菌和解钟菌。能够利用氨气的细菌包括共生固氮 菌、联合固氮菌和自生固氮菌。能够使土壤中无效态磷转化为有效态磷的微生物 种类也很多，研究比较多的是假单胞菌和巨大芽抱杆菌。能够使土壤中矿物态钳 转化为有效形念的细菌，目前发现的主要有扭脱芽胞杆菌、胶质芽胞杆菌、环状 芽胞杆菌等这些