（环境工程专业论文）提高垃圾堆肥肥效的优势菌种筛选研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着城市化建设进程的加快和人民生活水平的提高，我国城 市生活垃圾发生着很大的变化，首先是由于城市人口的增加，城 市生活垃圾的产生量越来越多。其次是由于生活水平的提高，垃 圾中的有机物含量越来越高，垃圾的热值也有了很大的提高。由 于堆肥化能同时实现垃圾的无害化、减量化和资源化，作为城市 生活垃圾的处理方法之一，堆肥化越来越受到人们的重视。然而 传统方法堆制的肥料常因含有大量木质素、纤维素而致使堆肥效 果不佳，于是加强木质素、纤维转化为稳定的腐殖质便成为堆肥 充分腐熟的关键，也是近年来针对高效木质素、纤维素降解菌的 分离与筛选进行大量研究的原因所在。研究表明，白腐菌是降解 木质素和纤维素类芳香族化合物能力最强的微生物，过去多集中 于白腐菌促进造纸废水中木质素和纤维素降解的应用研究，且已 取得较好成效，而将其应用于堆肥中降解木质素和纤维素的研究 却很少。 本论文从促进城市生活垃圾中木质素和纤维素的分解，从而 加速有机物降解考虑，通过向城市生活垃圾堆肥化处理中添加筛 选出的白腐菌的优势菌种，对其能否在生活垃圾堆肥化处理中促 进木质素和纤维素的分解，加快腐熟速率，减少腐熟时间，提高 堆肥质量进行了初步研究。 关键词：白腐菌；优势菌种；木质素；纤维素；城市生活垃圾； 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s tr a c t w i t ht h es p e e d i n gu po f u r b a n i z e dc o n s t r u c t i o na d v a n c e m e n ta n d p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r de n h a n c e m e n t ，t h em u n i c i p a ls o l i dw a s t ei no u r c o u n t r yh a sg r e a tc h a n g e s a b o v ea l l ，t h ep o p u l a t i o no fc i t yh a s i n c r e a s e d ，a n dt h em u n i c i p a ls o l i dw a s t eh a sb e e np r o d u c e dm o r ea n d m o r e s e c o n d l y ，b e c a m eo fl i v i n gs t a n d a r d se n h a n c e m e n t , o r g a n i c c o n t e n ti sm o r ea n dm o r eh i g h t h ec a l o r i f i cv a l u ei nm u n i c i p a ls o l i d w a s t ea l s oh a da b i g e n h a l l c e m e n t b e c a u s ec o m p o s t i n gc a n s i m u l t a n e o u s l ym a k em u n i c i p a ls o l i dw a s t eh a r m l e s s ，d e c r e m e n ta n d r e s o u r c 娲，a so n eo fm u n i c i p a ls o l i d w a s t ep r o c e s s i n gm e t h o d s ， c o m p o s t i n g i sm o r ea n dm o r ev a l u e db yp e o p l e h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a lc o m p o s te f f e c ti sn o t t o og o o db e c a u s eo fi n c l u d i n gag r e a t d e a lo fl i g n i na n dc e l l u l o s e ，s os t r e n g t h e n i n gt h et r a n s f o r m so fl i g n i n a n dc e l l u l o s et oh u m u sb e c o m e st h ek e yt h i n g so ff u l lw e l l - r o t t e d c o m p o s t a l s oi ti s an ；a s o no fal o to fr e s e a r c h e si ns e p a r a t i n ga n d s e p a r a t i n gm i c r o o r g a n i s m sw i t hh i g hc a p a c i t yo fl i g n i na n dc e l l u l o s e d e g r a d a t i o ni nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h ew h i t e - r o t f u n g u si s t h es t r o n g e s tm i c r o o r g a n i s mi n d e g r a d i n gl i g n i n a n d c e l l u l o s e i nt h ep a s t ，t h ea p p l i e dr e s e a r c h e sw h i c hc o n c e n t r a t e di n p r o m o t i n gl i g n i na n dc e l l u l o s e sd e g r a d a t i o no fp a p e r m a k i n gw a s t e w a t e ra n dh a v eo b t a i n e dab e t t e rr e s u l t ，b u tt h ea p p l i e dr e s e a r c h e si n d e g r a d i n gl i g u i na n dc e l l u l o s ei nc o m p o s t i n ga r ef e wi nt h ef a c t c o n s i d e r i n gp r o m o t i n gi i 印i na n dc e l l u l o s e sd e c o m p o s i t i o n , t h u s a c c e l e r a t i n go r g a n i cd e g e n e r a t i o n i nc o m p o s t i n g t h r o u g ha d d i n g w h i t e - r o tf u n g u s sp r e p o n d e r a n tf u n g u sf i l t r a t e dt ot h em u n i c i p a ls o l i d w a s t ec o m p o s t i n g , t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h a ti tw h e t h e ro rn o tc a n p r o m o t e sl i g u i na n dc e l l u l o s e sd e c o m p o s i t i o ni nt h em u n i c i p a ls o l i d w a s t ec o m p o s t i n gp r o c e s s e s ，s p e e d su pt h ew e l l r o t t e dc o m p o s ts p e e d , 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 p r o d u c t sf e r t i l i z e re f f e c t i v e n e s s k e y w o r d s ：w h i t e - r o tf u n g u s ，p r e p o n d e r a n tf u n g u s ，l i g n i n ，c e l l u l o s e , m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，c o m p o s t i n g 第1 章绪论 1 1 城市生活垃圾的危害及处理 1 1 1 城市生活垃圾的危害 城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o li dw a s t em s w ) 是指城市生活中 所废弃的各种固体垃圾的总称，它的主要来源包括生活垃圾和商 业垃圾“1 。随着工业化国家的城市化和居民生活水平的提高，城市 生活垃圾的增长十分迅速。据统计，日本最近1 0 年垃圾平均每日 抛弃量增加一倍，英国城市垃圾量1 5 年增加了一倍。美国1 9 7 0 1 9 7 8 年因经济萧条，生活垃圾增长不快，仅为2 。1 9 7 8 年后，随 着经济复苏，增长率达4 以上，目前达到5 。欧洲经济共同体国 家生活垃圾平均增长率为3 ，德国为4 ，瑞典为2 ，韩国生活垃 圾增长率达1 1 ”3 。我国城市生活垃圾的产生量近几年增长也较快。 2 0 0 0 年中国城市生活垃圾的产生量达到1 5 亿吨，占地达6 万公 顷，并以8 1 0 的年增长率在递增。由于处置设施严重不足，目 前己有2 3 的城市陷入垃圾的包围之中，大大影响了城市的美好 形象，制约着城市的发展和建设。 大量的城市生活垃圾如不加以科学合理的处置而任意堆放， 必将对环境造成日益严重的污染，若进一步恶化，将威胁到人类 的生存。城市生活垃圾对环境的影响主要表现在以下四个方面” 钔： 对土壤环境的影响。土壤是许多细菌、真菌等微生物聚集 的场所，这些微生物与其周围环境构成一个生物系统，在大自然 的物质循环中，担负着碳循环和氮循环的一部分重要任务。国际 禁止使用的持续性有机污染物在环境中难以降解，这类垃圾进入 水体或渗入土壤中，将会严重影响当代人和后代人的健康，对生 态环境也会造成长期的不可低估的影响。 对水体环境的影响。垃圾可随地表径流进入河流湖泊，或 者随风迁徙落入水体，从而将有毒有害物质带入水体，杀死水中 生物，污染人类饮用水水源，危害人体健康；垃圾产生的淋滤液 危害更大，它可进入土壤污染地下水，或者直接流入河流、湖泊 和海洋，造成水资源的水质型短缺。 对大气环境的影响。堆放的垃圾中的细微颗粒、粉尘等可 随风飞扬，进入大气并扩散到很远的地方：一些有机垃圾在适宜 的温度和湿度下还可发生有机物降解，释放出沼气，在一定程度 上消耗其上层空间的氧气，使植物衰败；有毒有害废物还可以发 生化学反应产生有毒气体，扩散到大气中危害人体健康。 对人体健康及生态的影响。2 0 世纪3 0 年代到7 0 年代，国 内外发生了不少因垃圾处置不当而引起的人群大面积中毒的公害 事件，如美国纽约州罗芙运河附近填埋化学废料而使该地区出现 婴儿畸形，以及日本富山县含镉废渣排入土壤引起的痛痛病等事 件。尽管近几年来，严重的污染事件发生较少，但垃圾污染环境 对人类健康将会遭受的潜在危害和影响是难以估计的。 1 1 2 城市生活垃圾的处理 城市生活垃圾问题是当今人类面临的主要问题之一。近几年 来，随着经济的发展和城市居民生活水平的提高，无论是工业发 达国家，还是发展中国家，城市生活垃圾的处理和污染防治都已 成为城市生态系统的难点和热点。 纵观国内外有关生活垃圾处理技术的理论研究和工程实践， 成熟且常用的生活垃圾处理技术主要有填埋、堆肥、焚烧和回收 利用四种。这四种处理技术即可单独使用，也可组合使用。不同 的城市或地区，由于具体情况各异，在实施过程中会采用不同的 组合模式。例如：有的城市采用单一的填埋技术，有的城市采用 填埋和焚烧或填埋和堆肥二种技术，也有的城市同时采用填埋、 焚烧和堆肥三种技术。而回收的技术目前仅在我国少数几个城市 进行试点，应用实例不多。这些常用技术特点如下： 卫生填埋处理 现代城市生活垃圾的填埋处理主要指卫生填埋处理。卫生填 亘亩童道太堂煎研究生学位论文第3 页 埋法是通过采用工程技术措施，防止产生污染及环境危害的土地 处理方法。 卫生填埋法是大量减少城市生活垃圾的有效方法，也是所有 垃圾处理工艺剩余物的最终处理方法。其主要优点是技术比较成 熟，操作、管理容易实现，处理能力大，投资少，不受垃圾成分 变化影响等。当今世界各国和地区都将其作为一种主要的城市生 活垃圾处理技术。不过垃圾卫生填埋处理技术也有着不足之处： i 占地多，场址选择越来越困难； i i 对填埋物料没有严格要求，导致浪费大量可回收利用资 源； i i i 渗滤液和填埋气的综合治理、防治技术有待提高； i v 运输、填埋操作、管理等费用不断在提高。 随着其它城市垃圾处理技术的开发和土地资源的匮乏，卫生 填埋处理应被视为垃圾处理系统中的辅助环节以及垃圾处理的最 终选择。 焚烧处理 焚烧处理具有很多优点：能使垃圾迅速、大比例减容，一般 可使垃圾减容9 0 ；无害化彻底，细菌、病原菌在高温下能较彻 底被杀死；余热可供发电；占地面积小。但焚烧处理也具有一定 的局限性： i 要求垃圾有一定的低位热值，即可燃成分含量要高，否则， 必须添加助燃剂，这又导致运行费用提高，一般城市难以接受； i i 大量可回收利用资源在焚烧过程中被烧掉，造成资源浪 费，回收的热能也只能达到一次性“再生”，无法实现资源的多次 循环利用； i i i 焚烧处理产生的烟气带走约3 0 的热能，而且由于含二 嚼英必须净化后排放，这造成热能浪费以及运行成本提高。 堆肥处理 堆肥处理技术简单、可靠、易于因地制宜、产晶方案灵活， 既可以解决城市垃圾的出路问题，又可达到资源回收利用的目的， 具有一定的经济和社会效益。对传统工艺而言，要提高城市垃圾 堆肥的处理效果，垃圾要经过严格的预处理，而且堆肥品必须经 过再次破碎分选，才能得到符合质量要求的堆肥产品。另外，堆 肥周期长，占地面积大，卫生条件差也是其弊端之一。堆肥处理 是针对垃圾中可被微生物降解的有机物进行的，因而它只是垃圾 中有机成分的处理技术，而不是所有垃圾的最终处理技术。但是 由于具有显著的无害化和资源化特点，这种城市生活垃圾的处理 技术应该得到进一步研究和大力推广。 1 1 3 垃圾堆肥技术国内外研究现状 近年来，欧洲许多国家积极发展有机垃圾厌氧消化系统，广 泛应用于屠宰场垃圾、厨余垃圾、农牧业垃圾等有机垃圾的处理。 这是一项新的垃圾生物处理技术，它在厌氧状态下利用微生物使 垃圾中的有机物快速转化为甲烷和二氧化碳，与传统的卫生填埋 相比，将厌氧消化过程由几年缩短到3 0 d 以内，与好氧堆肥相比， 改变了占地大、处理时间长，管理复杂和有气味等问题，厌氧消 化处理具有过程可控制、易操作、降解快、生产过程全封闭，产 物可计量和再利用等特点。由于厌氧发酵工艺与好氧工艺相比在 处理有机垃圾方面具有这些独特的优势，因而具有广阔的发展前 景。微生物除臭技术，此新技术在国外垃圾处理上已有应用。1 9 9 3 年，日本宫崎市等5 座城市首次采用此生物技术，近1 0 年过去了， 现在日本3 3 0 0 多个乡镇中有3 0 0 0 个以上垃圾站用此技术处理垃 圾。 城市生活垃圾堆肥处理是利用垃圾中的可被生物降解的有机 物的处理技术，因此原料垃圾中有机物的比例是其堆肥成功的关 键因素之一。目前我国大城市生活垃圾中有机成分约占总量的 6 0 ，无机物约占4 0 ，垃圾源头分类收集，是实现垃圾减量化、 资源化和无害化的必由之路。我国政府有关部门很重视城市垃圾 的堆肥化处理技术。在国家“六五”、“七五”和。八五”科技攻 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 关计划中，均设立了堆肥化技术和专用设备的研究和开发课题。 我国从8 0 年代起即开始应用“2 次发酵工艺”，采取了强制通风、 好氧发酵，使1 次发酵周期缩短为l o d ，堆肥机械日趋完善，生产 趋向产业化。2 0 世纪9 0 年代初，开始着手发展机械化连续堆肥生 产技术。目前，已在北京、上海、杭州等许多城市建立了一批城 市垃圾的机械化连续堆肥化设施。但我国垃圾堆肥处理技术与工 业化国家的工业化堆肥技术相比，水平还有一定的差距，这主要 表现在：垃圾堆肥生产机械化程度低，堆肥质量不高，因而肥效 低，限制了堆肥的使用；大多数采用简易堆肥，在发酵条件控制、 2 次环境污染防治等方面不尽人意：堆肥工艺大多为间歇式，随着 城市垃圾中有机物含量的增高。应发展并采用连续堆肥技术。 简易高温堆肥技术 简易高温堆肥技术一般工程规模较小、机械化程度低、采用 静态发酵工艺、环保措施不齐全、投资及运行费用均较低。主要 缺点是堆肥过程无法控制，特别是对周围环境影响较大，其应用 也受到一定限制。 机械化高温堆肥技术 机械化高温堆肥技术工程规模相对较大、机械化程度较高、 一般采用间歇式动态好氧发酵工艺、有较齐全的环保措施、投资 及运行费用均高于简易高温堆肥技术。“七五”和“八五”期间， 我国相继开展了机械化程度较高的动态高温堆肥研究和开发，并 取得了一些积极成果。无锡、杭州、上海等地已建成了一批机械 化程度较高的堆肥厂，具有较完整的前处理、发酵、后处理工艺 及设备。其堆肥产品质量、运行操作可靠性、环境质量等指标都 达到了较高水平。机械化高温堆肥由于处理成本较高而难以在我 国更大范围内推广应用。 然而，传统堆肥( 不论在城市垃圾还是农业垃圾堆肥) 处理 过程中常含有大量木质纤维素，由于许多微生物不能分解木质素 而导致受到外层木质素包裹的纤维素分解也受到限制，致使堆肥 效果不佳。因此加强木质纤维转化为腐殖质便成为堆肥充分腐熟 的关键，进行针对高效木质纤维素降解菌的筛选与分离的研究是 非常有必要的。 1 2 课题的目的和意义 随着城市化建设进程的加快和人民生活水平的提高，我国城 市生活垃圾发生着很大的变化，首先是由于城市人口的增加，城 市生活垃圾的产生量越来越多。其次是由于生活水平的提高，垃 圾中的有机含量越来越高，垃圾的热值也有了很大的提高。由于 堆肥化能同时实现垃圾的无害化、减量化和资源化，作为城市生 活垃圾的处理方法之一，堆肥化越来越受到人们的重视，现代好 氧堆肥技术发展至今，国内外都已形成了较为成熟的工艺，堆肥 过程中可控制参数适宜范围也有了较为明确的结论。堆肥主要是 利用垃圾中的土著微生物在一定温度、湿度和p h 值条件下，使有 机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质土壤，用作肥料和 改良土壤。 据相关报道，成熟堆肥中腐殖质主要是由木质素、纤维素、多 聚糖和含氮化合物质所形成的腐殖酸，芳香结构多，碳水化合物 较少。一般生活垃圾中木质素、纤维素主要来源于废纸与庭院杂 草，农业废物中木质素、纤维素主要来源于秸杆等禾本植物，木质 素、纤维素的含量较高。而木质素是由苯丙烷结构单元通过醚键 和碳一碳键联接而成的复杂的、近似球状的无定形芳香族高聚物， 溶解性差，并难以被酸水解且其含有各种生物学稳定的复杂键型， 对酶的水解呈抗性，是目前公认的微生物难降解的芳香族化合物 之一。因此，不论在城市垃圾还是农业垃圾堆肥处理过程中，由于 许多微生物不能分解木质素而纤维素受到外层木质素包裹的保护， 都导致纤维素分解也受到限制。故传统堆肥常因含有大量木质纤 维素而致使堆肥效果不佳，于是加强木质纤维转化为腐殖质便成 为堆肥充分腐熟的关键，也是近年来针对高效木质纤维素降解菌 的筛选与分离进行大量研究的原因所在。研究表明，白腐真菌是降 解木质素和纤维素类芳香化合物能力最强的微生物，过去多集中 于白腐菌促进造纸废水中木质素和纤维素降解的应用研究且已取 得较好成效，而将其应用于堆肥中降解木质素和纤维素的研究却 很少。 本论文从促进木质素和纤维素的分解，从而加速垃圾堆肥有 机物降解考虑，通过往垃圾堆肥添加筛选出的白腐菌的优势菌种， 对其能否在生活垃圾堆肥处理中促进木质素和纤维素的分解，减 少堆肥的腐熟时间，加快腐熟速率，提高堆肥产品的肥效进行了 初步研究。 1 3 课题研究的主要内容 根据课题研究目的，课题主要研究内容包括以下3 方面： 优势菌种的筛选。首先对从自然界采集到的枯枝上存在的 菌落进行分离、纯化，得到纯化的白腐菌菌落，从中筛选出具有 高效降解木质素和纤维素能力的菌株。 优势菌种在堆肥中的应用研究。通过向垃圾堆肥中添加筛 选出的高效降解木质素和纤维素的优势菌种，对其能否在固体废 物堆肥处理中促进木质素和纤维素的降解进行了初步研究。 堆肥产品的肥效研究。以草坪作为施肥对象，对两种有机 肥样品同步进行草坪生长的生物特征试验，探讨优势菌种在提高 堆肥产品肥效中的重要作用。 1 4 技术关键 根据课题的主要研究内容，此课题中拟要解决的关键问题有 以下几点： 筛选优势菌种。本课题以试验方法检验优势菌种( 白腐菌 菌落) 应用于垃圾堆肥以提高堆肥肥效，因此筛选出合格的优势 菌种( 白腐菌菌落) 为本课题的关键之一。 优势菌种应用于堆肥。向垃圾堆肥中添加筛选出的高校降 解木质素和纤维素的优势菌落，研究其在固体废物堆肥处理中促 进木质素和纤维素降解作用。 亘直銮鋈盔堂塑主丛塞生耋垡迨塞蔓! 墓 1 5 课题研究技术路线 本论文采取的技术路线如下： 论文技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章城市生活垃圾堆肥处理技术 2 1 堆肥化的概念 堆肥化( c o m p o s t i n g ) 是利用自然界广泛存在的微生物( 细菌、 放线菌、真菌等) 或商业菌株，有控制地促进可被生物降解的有机 物向稳定的腐殖质( h u m i cs u b s t a n c e ，h s ) 转化的生物化学过程。 这一过程也是地球表面生态过程的一部分，它参与地球表面的物 质和能量循环。堆肥化过程可用下述反应式表达： 有机废弃铴+ o t 蕴生i ! l 稳定的有机残渣+ c o l + 且由+ 能量 在人为控制条件下，通过堆肥化可以将固体废物中的有机物转 化成为有机肥料一一堆肥( c o m p o s t ) ，这种有机肥料作为堆肥化的 最终产物，不仅性能稳定，还对环境的危害甚小。因此，堆肥化 是固体废物，尤其是城市生活垃圾无害化、稳定化和资源化的有 效途径之一。 2 2 堆肥化的基本原理和影响因素 2 2 1 堆肥化的基本原理 生活垃圾的好氧堆肥是在有氧的条件下，利用微生物( 主要是 好氧细菌) 具有氧化、分解有机物的能力，在一定温度、湿度和p h 值条件下，使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质土 壤的物质，用作肥料和改良土壤，其基本过程如图2 1 。 按堆肥过程中起作用的微生物对氧气要求的程度可分为好氧 法和厌氧法。现代化堆肥工艺特别是城市生活垃圾堆肥工艺，大 都是好氧堆肥。好氧堆肥系统温度一般为5 0 6 5 i ：，最高可达到 8 0 ，堆制周期短，故也称为高温快速堆肥。 日房 易分 糖类 卜鞠耻 雨啊瞳醋糠 生i 立圾 解有 淀粉类勰 机物 蛋白质，氨辩擎 l 活脂肪 甘油+ 脂肪酸- 氕囊罅黄 垃 氟、 准分 纤维索 卜单糖到一 i 圾 斤目 解有 半纤维索 南炎 术质索 芳香组化合物十嘞嗽：别 皇点机物 萁它 图2 一l 堆肥化的基本原理 f i g 2 - - 1t h ep r i m a r yp r i n c i p a lo fc o m p o s t i n g 好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物( 主要是好氧细菌) 的作用来进行的。在堆肥过程中，有机废物中的可溶性有机物质 透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收；固体的和胶体 的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为可 溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动一一氧化还 原和生物合成过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机 物，并放出微生物生长、活动所需的能量，把另一部分有机物转 化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。 此过程可用图l 一2 简单说明： 掉入环境 + + 释放、转换为热能 或提供生物合成所需 图1 2 好氧堆肥基本原理 f i g 1 - - 2t h ep r i m a r yp r i n c i p a lo fa e r o b i cc o m p o s t i n g 2 2 2 堆肥工艺流程及影响因素 堆肥工艺程序 回甲 国甲 雠 丑丽塑丽+ i匾 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺，它通常由前处理、 预发酵( 一次发酵) 、主发酵( 二次发酵) 、后处理及贮藏等工序组 成。城市生活垃圾的堆肥的前处理主要包括破碎和分选，通过破 碎和分选，去处非堆肥物质，调整垃圾的粒径。预发酵主要是通 过翻堆或强制通风向发酵装置内供给氧气，使垃圾中存在的微生 物作用而开始发酵，这一阶段一般是从温度升高到开始降低为止。 主发酵一般是将预发酵工序尚未分解的易分解有机物和较难分解 的有机物进一步分解，使之变成腐殖质、氨基酸等比较稳定的有 机物，得到完全成熟的堆肥制品。后处理主要包括除臭、去处杂 物，并根据需要进行再破碎等。贮藏主要要求干燥和透气，闭气 和受潮会影响制品的质量。 堆肥过程参数 堆肥过程就是堆肥物料在通风条件下，微生物对物料中有机 质进行生物降解的过程。因此，堆肥过程的关键就是如何更好地 满足微生物生长和繁殖所必须的参数，归纳起来主要有以下几个 方面： i 有机质含量 对于快速高温机械化堆肥而言，首要的是热量和温度间的平 衡问题。有机质含量过低，其在发酵过程中所产生的热量不足以 维持堆肥所需要的温度，影响堆肥化的进程，并且产生的堆肥肥 效低；有机质含量过高又将给通风供氧带来影响，从而产生厌氧 和发臭。研究表明，堆肥合适的有机物含量约为2 0 8 0 $ 之间。 i i 水分 堆肥中水分的主要作用在于：溶解有机物，参与微生物的 新陈代谢；水分蒸发时带走热量，起调节堆肥温度的作用。水 分为微生物生长所必需，在堆肥过程中，物料含水量的最低值取 决于微生物活性，如果物料中含水量太低，堆肥中微生物的活性 就会受到抑制：而含水量最大值取决于物料的空隙容积。按重量 计，5 0 6 0 的含水率，最有利于微生物分解，水分超过7 0 9 6 ，湿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 度难以上升且易造成厌氧状态，水分低于4 0 不能满足微生物生长 需要，有机物难以降解。因此堆肥原料水分的多少，直接影响好 氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥 工艺过程的成败。 i i i 温度 温度是堆肥得以顺利进行的重要因素，温度的作用主要是影 响微生物的生长，一般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温 菌，堆肥初期，堆体温度一般与环境温度相一致，经中温菌1 2 天的作用，堆肥温度便能达到高温菌的理想温度5 0 6 5 ，在这 样的高温下，一般堆肥只要5 6 天即可达到无害化。过低的堆体 温度将大大延长堆肥达到腐熟的时间，而过高的温度将对堆肥微 生物产生有害的影响。 i vc n 和c p 微生物的生长速度与堆肥物料的c n 有关。微生物自身的c n 为4 3 0 ，因此，作为营养基的有机物的c n 也最好处于该范围， c n 为1 0 2 5 时，有机物的降解速度最大。据加利福尼亚大学研 究报道，当原料中c n 为2 0 ，3 0 5 0 ，7 8 时，其相应的堆肥时间 为9 1 2 d ，l o 1 9 d 和2 1 d 。在堆肥过程中，微生物以碳作能源， 并构成细胞膜，随后以c 0 ：形式释放出来，氮则用于合成细胞原生 质。因此发酵后物料的c n 值将会减少，一般为6 1 4 ，最高可 达2 7 以上。在成品堆肥施用时，如果其c n 值过高，易引起土地 氮饥饿，因此要求成品堆肥c n 值为1 0 2 0 。据此可推算出城市 垃圾堆肥的最佳c n 值应为2 0 3 5 。磷是磷酸和细胞核的重要组 成元素，也是生物能a t p 的重要组成成分，一般要求堆肥料的c p 在7 5 1 5 0 为宜。 vp h 值 p h 值对微生物的生长也是重要因素之一，一般微生物最适宜 的p h 值是中性或弱碱性。在整个堆肥过程中，p h 值随时间和温度 的变化而变化，在堆肥初期，由于有机酸的生成，p h 值下降( 可降 至5 o ) ，然后上升至8 8 5 左右，如果堆肥为厌氧状态，则p h 值继续下降。在堆肥过程中如果没有特殊情况，一般不必调节p h 值，因为堆肥物料自身具有较好的p h 缓冲作用，而且微生物也可 以在较大的p h 值范围内生长繁殖。 v i 氧浓度 氧气是降解过程中好氧微生物生长所必须的物质。从理论上 讲，好氧堆肥过程中，需氧量取决于碳被氧化的量，但由于堆肥 过程中有机物的分解具有不确定性，难以根据堆肥物料中的碳含 量变化精确确定需氧量。在好氧堆肥的通风供氧过程中，不同反 应系统和不同通风控制系统所要求的堆体的氧浓度( 以体积百分 含量计) 控制情况不同，如对于强制通风静态垛堆而言，采用时间 控制的通风方式要求堆体内氧的浓度在5 1 5 ，而对于密闭反应 器系统而言，采用氧含量控制的通风方式要求堆体内氧浓度在 1 5 2 0 。因此，确定好氧堆肥过程中堆体的供氧情况要根据实际 情况而定。 第3 章白腐菌对木质纤维素的降解机制 3 1 木质纤维素资源简介 木质纤维素的来源非常广泛，主要是植物的根、茎和叶三部 分，在我国，主要是未被充分利用的农作物秸秆。农作物秸秆的 组成一般为：纤维素3 1 4 0 ，半纤维素3 5 4 8 ，木质素1 5 2 5 。我国作物秸秆和农工下脚料资源十分丰富，品种多( 重要作 物秸秆近2 0 种) 、数量大( 全国年产各类农作物秸秆达5 7 亿t ， 相当于北方草原打草总量的5 0 倍，占全世界秸秆总产量的 2 0 3 0 ，从某种意义上说，我国的作物秸秆总量和粮食作物秸秆 平均每年以1 2 5 1 2 1 0 t 和1 1 0 0 3 1 0 t 的速度稳步增长，预 计2 0 1 0 年我国作物秸秆资源将达到8 7 5 0 0 1 0 t ) ，分布广但不 均匀，这为研究者研究和充分利用木质纤维素提供了广阔的空间 和美好的前景。 木质纤维素是纤维素( c e l l u l o s e ) 、木质素( 1 i g n i n ) 、半纤 维素( h e m i c e l l u l o s e ) 三者的统称。植物纤维原料中的纤维素、木 质素和半纤维素主要存在于细胞形式，其含量比例大致为4 ：3 ： 3 ，其中纤维素是纤维的骨骼物质，而木质素与半纤维素以包容物 质的形式分散在纤维之中及其周围，它们之间主要靠共价键紧密 连结，同时也存在一定程度的化学键连结。 纤维素是植物细胞壁的主要组成成分，不同植物的相同部位 或同一植物的不同组织或器官的细胞壁中，纤维素的含量存在差 异，其含碳量约占自然界有机体中碳总量的4 0 。纤维素是由e 一1 ，4 一苷键的葡萄糖单元构成的长链状大分子，因含有大量的 一o h 而易形成分子间、分子内氢键。天然纤维素具有一定的结晶 区和无定形区，聚合度大( 一般为1 0 0 0 1 0 0 0 0 ) ，结构紧密。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 松柏醇 香豆薄 慨 倔一= 4 明 芥子醇 木质素是仅次于纤维素的一种最丰富可再生的纤维资源，分 子量约6 0 01 0 0 0 k u ，它与纤维素、半纤维素被称为植物体的“三 素”，光合作用所固定的c 0 ：有很大一部分被转化为木质素，通过 光合作用储存在植物体中的太阳能中，木质素大约占去了4 0 ，在 木本植物中，它的含量约占2 7 3 2 ，草本植物中占1 4 2 5 。 它由苯基丙烷单元通过醚键和碳一碳键连结聚合而成的近似球状 的芳香簇高聚体，木质素中一般含有松柏醇、芥子醇和对香豆醇 三种不同类型的苯基丙烷单体( 单体结构如下图) ，它们随植物品 种、植物年龄甚至细胞壁形态部位的不同而存在着不同的比例， 如：针叶树的木质素主要由松柏醇的脱氢聚合物构成愈创木基木 质素；阔叶树的木质素由松柏酵和芥子醇的脱氢聚合物构成愈刨 木基一紫丁香基木质素；而草本植物则是由松柏醇、芥子醇和对香 豆醇的脱氢聚合物和对香豆酸组成。由于这三类醇的共聚化产生 了不均匀的、无旋光性的、交叉键合、高度分散性及高度抗生物 降解性的芳香高聚物，对绝大多数微生物的攻击均有抗性，因而， 木质素的分解特别慢，而且，在完整的木质组织中。木质素是以 一种物理屏障存在的，它包围纤维素，成为外围基质，保护纤维 素免遭微生物袭击和降解酶的进攻，其降解必须先于纤维素分解， 是地球上碳素循环的限速过程，故木质素的降解在碳素循环及植 物纤维素材料有效利用中占有非常重要的地位。 与纤维素不同，半纤维素不是均一聚糖，而是一群复合聚糖 的总称。组成半纤维素的糖基主要有：d - 木糖基、d _ 甘露糖基、 g 蛐 一 r 五 一 r d 半乳糖基葡萄糖基、l 一阿拉伯糖基、4 o - 甲基一葡萄糖尾酸基、 d - 半乳糖醛基、d _ 葡萄糖糖醛酸基等，这些糖基构成半纤维素时， 一般不是由一种糖基构成一种聚糖，而是由2 4 种糖基构成的 复合聚糖( 平均聚合度约2 0 0 ) ，原料不同，复合糖的组分也不同， 就是同一种原料，产地不同，部位不同，它们的复合聚糖的组成 也是不相同的，这就决定了半纤维素结构的复杂性、不确定性， 因而对它的研究利用较少。 3 2 白腐菌的研究进展 3 2 1 白腐菌生物学背景 自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌 等，但已知的唯一能广泛降解木质素的生物是真菌。以木材的腐 朽类型，木质纤维素降解真菌可分为三类：白腐菌( w h i t er o t f u n g i ) 、褐腐菌( b r o w nr o tf u n g i ) 和软腐菌( s o f tr o tf u n g i ) 。 2 0 世纪8 0 年代初s c i e n c e ) 首次报道白腐菌p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m 的降解作用，便引起了环境界的广泛关注。 白腐菌( w h i t er o tf u n g i ) 是一类奇特的丝状真菌，它可以 直接入侵木材的细胞腔内，释放降解木质素和其它木质组分( 纤维 素、半纤维素、果胶等) 的酶，导致木材腐烂成白色海棉状团块， 故因此而得名。分类上，白腐菌属真菌门，绝大多数为担子菌纲 ( b a s i d i o y c e t e s ) ，少数为子囊菌纲，包括多孔菌、侧耳、香菇 等2 0 0 多个品系。p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 是其典型种，属 非褶菌目，中文名黄孢原毛平革菌，己成为研究木质素降解的模式 菌。 白腐菌最突出的功能在于，它是迄今为止最有效、最主要的 木质素降解微生物，可彻底降解木质素为c 0 。和h 2 0 在自然界的碳 素循环中起关键作用。而褐腐菌、软腐菌、放线菌、细菌等一般 认为在木素降解中仅起二次性作用。白腐菌分泌木质素降解酶系 的同时，还有纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等活性，因而比木霉、 曲霉等更适合分解天然的木质纤维素物质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 白腐菌菌丝体为多核，少有隔膜，无锁状联合，多核的分生 孢子常为异核，担孢子却是同核体，存在同宗配合和异宗配合两 类交配系统。白腐菌通过分泌非专一性的木素降解酶系以单电子 氧化、共代谢及脂肪过氧化等途径进行降解活动。 3 2 2 白腐菌降解木质纤维素研究发展趋势 有关白腐茵及其技术研究陆续展开，经十多年不懈努力，在 基础领域取得可喜的成果，应用方面也有长足进展。如在基础领 域方面，多数研究者以美国麦迪逊国家林产品研究所的黄孢原毛 平革菌( p c h r y s o s p o r i u ) 为研究对象，并从中分离出与木质素 降解相关的酶系木质素过氧化物酶( 1 i g n i np e r o x i d a s e ，l i p ) 和 锰过氧化物酶( 1 i n - p e r o x i d a s e ，8 n p ) ，并对这些酶的分离提纯、 特性、生物催化机理、分子生物学和产酶最适培养参数等方面作 了大量研究，j o n a n s s o n 等人曾报道，t r a 皿e t e s v e s i c o l o r l e n t i n u l ae d o d e 和p h l e b i ar a d l a t e 也能产锰过氧化 物酶，秦小琼等也报道了红栓菌( p y c n o p o r u sc i n n a b a r i u s ) 等能 产胞外漆酶；在研究白腐菌降解木质纤维素的次序问题上， e r i c k s s o n 和h i g h l e y 等人的研究发现，在白腐菌腐朽木材时，菌 丝体先穿透多聚糖层( 半纤维素) ，然后才开始降解木质素和纤维 素。在应用研究方面，白腐菌应用于环境治理等方面的研究较多， 张晓昱等人将白腐菌技术应用于造纸工业、饲料工业、发酵食品 工业、生物肥料和环境保护等领域的研究取得很好的成果。然而， 到目前为止，有关白腐菌及其技术的研究与应用仍有许多空间： 白腐菌的非专一性降解机理仍有待进一步确证； 白腐菌的生物学特性仍未得到较好地阐明； 白腐菌降解天然木质纤维素的机制有待研究； 白腐菌技术应用范围仍未扩宽，如在环境治理、饲料资 源开发及食品药物等方面的应用。秸秆是一类天然的木质纤维素 资源，它的应用非常广泛，如造纸行业、饲料行业，生物肥料等。 但涉及到白腐真菌降解秸杆木质素的问题，研究较浅，未研究机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 理。 未来白腐菌及技术的研究还可从在以下几方面进一步地发 展： ( 1 ) 采用高科技分析仪器，进一步研究白腐真菌的降解能力， 扩大降解底物的范畴，并揭示更深入的机制。 ( 2 ) 现有白腐菌对木质纤维素的降解机理是基于降解模型化 合物的过程推测，对于天然木质纤维素的降解机理研究很少，尤 其是对木质纤维素降解次序的问题，还需要更深入、广泛地研究。 ( 3 ) 对培养条件进行综合调控。白腐菌降解机制复杂。操控因 素多，要掌握好降解活动，必须强调条件的完善和优化。 ( 4 ) 进行多种微生物联合应用研究，尽管白腐菌对多种复杂的 有机大分子底物有特异性降解作用，但并不是万能，它与其它微 生物协同作用在降解效应中各具特长，综合利用更有前途和生命 力。 ( 5 ) 对白腐茵的生物学特性的研究深度可进入基因工程阶段， 对其中的重要酶采用重组技术研究其同质异质表达与调控机制， 这样可以按人类意愿改造菌种，生产高效酶制剂以实现其应用需 要。 3 3 白腐菌对木质素降解 白腐菌除对木质素有降解作用以外，还对众多结构各异有机 物大分子物质如多环芳香族化合物，氯化芳香族化合物，农药， 染料等表现出独特的降解敏感性，由于其独特的降解能力，吸引 人们去进一步提示其机制的奥秘，科学家们经十几年系统的探索， 己在整体上对白腐菌的降解机制作了阐述，它们的主要规律及相 关概念如下： ( 1 ) 降解启动条件 白腐菌的降解活动只发生在次级代谢阶段，与降解过程有关 的关键酶只有当一些主要营养物，如氨、碳、硫限制时才形成， 产生酶的这种营养限制称为本质素降解条件( l i g n i o l y t i c c o n d i t i o n ) 。 ( 2 ) 降解的主要酶系统 白腐菌在对营养限制作应答反应时形成一套酶系统： 产生h 2 0 ：的氧化酶：细胞内葡萄搪氧化酶和细胞外乙二醛氧化 酶。它们在分子氧参与下氧化相应底物而形成h 2 0 。一激活过氧化 物酶，启动酶的催化循环。 木质素过氧化酶( l i g n i np e r o x i d a s e ，l i p ) 一胞外酶，需h ：0 2 ，含 血红素，氧化还原电位很高( 可氧化电离能达1 5 v 的非酚环坏) ， 催化非酚类芳香族底物。 锰过氧化物酶( m a n g a n e s ep e r o x i d a s e ，m n p ) 一胞外酶，依赖 m n ( ) ，需h 2 0 。，含血红素，氧化还原电位较l i p 低，催化酚类、 胺类及染料等依赖m n 的氧化。 需0 2 的多酚氧化酶：漆酶( 1 a c c a s e ，e c1 1 0 3 2 ) 一胞外酶， 需0 2 作为氧化剂，含c 的氧化酶，氧化还原电位更低，催化木质 素相关酚类的电子氧化，尤其是丁香型木质素，形成酚氧基，导 致c 。氧化芳香基一c 。断裂以及侧链上c 。一c ，之间断裂。还原酶、 甲基化酶、蛋白酶、纤维素酶及其它酶。 以上酶的全部或部分共同组成白腐菌降解系统的主体。 ( 3 ) 降解是以自由基为基础的链反应过程 过氧化物酶是反应启动者，先形成高度活性的自由基中间体 ( 如黎芦醇离子、氧离子、羟基自由基等) ，继而以链反应方式产 生许多不同自由基，促使底物氧化。这种自由基反应是高度非特 异性和无立体选择性的，致使降解对象并非是酶于底物的一一对 应关系，而是一类乃至多类底物的关系。 ( 4 ) 降解活动是细胞外进行的 细胞学定位表明，降解发生在细胞外，这种细胞外降解系统 为众多不可水解的，异质的，结构复杂的大分子有机物提供更易 被处置的调节环境。l i p 和p 只有在深度脱木素后，才能渗入 木材纤维的s 2 层。利用抗血清及免疫金标记技术，在细胞壁降解 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 阶段对l i p 、m n p 和l a c c 进行定位，发现这些酶并不进入完好 的、未被降解的木材内。而且在木腐的初期阶段，细胞壁内也未发 现降解木素的酶。研究证明：大分子的蛋白，例如分子量大于 4 0 0 0 0 d a 的降解酶类，明显地不能穿过完整木材中的微孔结构。只 有当细胞壁发生了深度破坏，才在次生壁胞间层中发现了酶。 f l o u r n o y 等对细胞壁空隙容积及大小进行研究发现：完整木材表 面微孔的最大