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外源微生物菌剂对啤酒糟堆肥碳水化合物降解的影响

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湖南农业科学2011,(13):29~33 Hunan A cultural Sciences 外源微生物菌剂对啤酒糟堆肥碳水化合物降解的影响 喻夜兰,刘 强,荣湘民,谢桂先 (湖南农业大学资源环境学院,湖南长沙410128) 摘要:为了研究将有机废弃物啤酒糟堆制成有机肥而变废为宝的过程,探讨了啤酒糟堆制有机肥过程中碳水化合物含量的变 化。结果表明:添加外源微生物菌剂有利于促进碳的代谢,有效提高堆体的总碳、水溶性碳、纤维素、半纤维素、木质素的降解率; 并能促进堆体的总碳、水溶性碳、半纤维素、木质素的含量下降,但对纤维素含量的影响不一致,既有增强的,也有减弱的。 关键词:外源微生物菌剂;啤酒糟;碳水化合物;降解 中图分类号:S144 文献标识码:A 文章编号:1006—060X(2011)13—0029—05 Effects of Exogenous Microbial Inoculants on Degradation of Carbohydrate in Spent Grains Compost YU e—lan,LIU Qiang,RONG Xiang-min,XIE Gui-xian (College of Resources and Environment,HNA U.Changsha 410128,PRC1 Abstract:In order to compost organic waste spent grains to organic fertilizer,the change of carbohydrate content during composting process was studied.The results showed that exogenous microbial inoculants can accelerate degradation rate of total carbon,water—soluble carbon,cellulose,hemicellulose and lignin,reduce the content of total carbon,water— soluble carbon,hemicellulose and lignin.But,the effects of exogenous microbial inoculants on cellulose content were not consistent. Key words:exogenous microbial inoculants;spent grains;carbohydrate;degradation 啤酒糟发酵制作堆肥时,堆体内发生巨烈的生 供试微生物菌剂共5组。其中,菌剂2为购自 物化学反应,大分子的碳水化合物被逐步降解成小 河北保定市天元肥料研究所的垦德绿;菌剂3为购 分子供给微生物消化利用。碳水化合物的含量影响 自山东亿安的亿安奇乐CM菌;菌剂4、5为本实验 着堆制的进程,标志着堆体的腐熟程度,因此探讨 室培养的复合微生物菌剂B2、B15;菌剂6为购自 酒糟生物型生物肥降解过程中碳水化合物含量变 北京中龙创科技有限公司的满园春。各微生物菌剂 化,有利于对整个堆制过程进行调控。 主要由真菌、细菌、放线菌组成,有效活性菌数量见 1材料与方法 表1。 表1微生物茵剂有效活性茵量 1.1试验材料 供试酒糟为从湖南华狮啤酒有限公司购买的 鲜酒糟经晾晒而成的干糟,全C质量含量为487.14 g/kg,全N质量含量为33.10 ,全P质量含量为 8.32 g/kg,全K质量含量为l4.21 g/kg,碳氮比为 l4.72。酵解填充物为水稻秸秆,采自湖南农业大学 试验基地,全C质量含量为472.76 g/kg,全N质量 含量为8.44 g/kg,全P质量含量为1.35 ,全K 1.2试验设计及取样 质量含量为24.58 g/kg,碳氮比为55.98。 试验于2005年9~12月在湖南农业大学农业 资源与环境专业试验基地进行。新鲜啤酒糟水分含 量高,易腐败变质,因此堆制前,在晴好天气时将啤 收稿日期:2011-03—30 基金项目:国家科技部科技支撑计划(2007BAD87B1 1);湖南 酒糟晒干;供试秸秆晒干后用粉碎机粉碎。堆制时 省科技厅重点项目(2006NK2001) 啤酒糟与秸秆按质量比2:1的比例混合,加水调至 作者简介:喻夜兰(1978一),女,湖南岳阳人,讲师,博士研究 含水质量分数为65%,每个处理按0.02亿个有效 生,主要从事植物营养生态研究。 通讯作者:刘强 活菌/g鲜重接种微生物菌剂,搅拌均匀后,装入底 湖南农 科学 第13期 面半径为0.3 m、高为0.6 m、容积为200 L的塑料 桶中,每桶装料45 kg。D1处理为对照(CK),除不加 微生物菌剂外,所有操作与其他处理相同。试验采 用随机区组排列,重复3次。 每天上午9:00测定堆体中心的温度,并从堆肥 当天开始每7 d从堆体上、中、下各部位取样200 g 左右混匀,一部分样品于105%烘干粉碎过孔径为 0.850 mm的筛,用于数据分析。 1.3 测定方法【卜 1 堆体温度用水银温度计插入堆体中心测定,记 录环境的温度;全c、水溶性有机碳含量用石蜡油一 重铬酸钾氧化法测定;木质素、纤维素、半纤维素含 量用中性洗涤剂法测定。 1.4统计分析方法 试验数据运用Excel、SAS统计软件进行分析 处理。进行方差分析多重比较时采用SSR法,用小 写字母代表处理间的显著水平,大写字母代表处理 间的极显著水平。 2结果与分析 2.1 对堆体全碳(TC)含量的影响 堆肥是利用微生物分解和转化原料中可降解 的有机物质产生二氧化碳、水及热量的过程,其中 碳是微生物活动的能源和碳源。在腐解过程中,微 生物首先利用易降解的有机碳和简单的有机碳进 行新陈代谢和矿化,有不少学者将堆制过程全碳含 量下降到一定值作为堆体腐熟指标_3_。 将不同处理对堆体Tc含量的影响、对堆体碳 素累积降解率和各个时期降解率的影响分别绘制 成图1—3。从图1可知,在整个堆制过程中TC含量 呈下降趋势,且从堆制第7天起,各处理间差异加 大。不同处理对TC的影响在堆制各个阶段有所不 同,因为TC含量变化除受到自身降解速率的影响 外,还受到堆体重量损失、水分损失、氮素损失等影 响,所以分析全碳降解率更能反映碳素的变化。从 图2、图3中可知,堆体在第一周的碳素降解速率最 快。随着堆制进程,堆体降解率减缓,但累积降解率 一直在增加。这主要是因为在堆制过程中,微生物 首先利用简单、易降解的有机物进行新陈代谢和矿 化。堆制活动一开始,简单易降解的有机物就迅速 被微生物分解利用,从而导致堆体中的碳素降解速 率维持较高水平。堆制过程中D3、D6处理对堆体 全碳的降解有较大影响,能较好地促进碳的代谢, 特别是第14~21天堆体全碳降解最多,D2处理的 作用效果相对较差。 500 490 480 470 460 450 14 21 28 35 处理时间(d) 图1 不同外源微生物菌处理对堆体TC的影响 瓣 齄 篷 誉 处理时间(d) 图2不同外源微生物菌处理对堆体碳素 累积降解率的影响 —々一D1—▲一D3—o—D5 14 21 28 35 处理时间(d) 不同外源微生物菌处理对各个时期 堆体碳素降解率的影响 方差分析结果表明,在堆制第7天,各处理间 的TC含量差异未达到显著水平(P =0.80),碳素累 积降解率差异也未达到显著水平(P硐=O.48),堆制 第7天后,各处理间TC含量的差异在0.1水平上 显著(P14d=0.04,P21d<0.01,P28d:0.06,P35d=0.09),碳素 累积降解率的差异达到了显著或极显著水平(P = 0.03,P2ld=0.02,P2{jd<0.叭,P35d<0.01)。 2.2对堆体水溶性碳(WSC)的影响 堆肥中的水溶性碳是一类组分非常复杂,既含 低分子量物质(如游离的氨基酸和糖类),又含各类 大分子成分(如酶、氨基糖、多酚和腐殖酸等)的混 合物。杨毓峰等l4研究表明,水溶性碳是堆肥原料中 第13期 喻夜兰等:外源微生物菌剂对啤酒糟堆肥碳水化合物降解的影响 各种微生物优先利用的碳源,是能够被微生物直 接用来合成自身生命体的重要组成部分。 Chanyansak ̄认为,堆肥过程中水溶性有机物的变 增加;到堆肥后期,随着木质素被微生物逐渐分解 利用,被木质素包裹的纤维素逐渐被释放出来,暴 露在微生物面前,从而加速了微生物对纤维素的分 解利用,堆体纤维素含量下降。 — 化较之固相组分更能灵敏反映堆肥腐熟状况。 Bernal等[61将水溶性碳含量<17 g/kg作为堆肥腐熟 的指标,Hue等[71建立的指标为水溶性碳含量<10 g/ 。D1 —▲一D3 ●一D4 — D5 —●卜D2 ——《卜D6 根据Hue等的标准,本试验的3个处理从刚开 一 22 21 始就处于腐熟状态,这显然不合理。所以,使用水溶 性碳作为堆肥腐熟的指标,要根据具体不同堆肥物 料,确定相应的腐熟指标值来进行评价。 将不同处理对堆体WSC的影响绘制成图4。 从图4中可知,在整个堆制过程中,WSC的含量总 体呈下降趋势,但堆制第7天有所上升,各处理间 变化差异较大。堆肥过程中WSC易被微生物分解 利用而减少,但同时大分子有机物的分解也会产生 一些小分子有机物而使WSC含量增加。因此,WSC 含量是一个动态平衡值。堆制前期,WSC被微生物 分解利用,大分子有机物在微生物的作用下分解, 给堆体补充了WSC,各处理问WSC差异较大(P7d< 0.O1,P 4d:0.04,P2 d=0.o4)。后期堆体中WSC由于 微生物的旺盛活动被消耗掉而减少,各处理间的差 异未达到显著水平(P =0.56, a=0.27)。 处理时I司(d) 图4不同外源微生物菌处理对堆体WSC的影响 2.3对堆体纤维素含量的影响 纤维素是有机废弃物中最丰富的部分,由 13(1-4)键的葡萄糖单元所组成的长链状大分子。纤 维素不能溶于水,难以水解,但在纤维素酶作用下 可水解为纤维二糖,进而水解为葡萄糖。在细胞壁 中纤维素被包裹在木质素中,因此纤维素的降解受 到木质素降解的影响阎。 将不同处理对堆体纤维素含量的影响、对堆体 纤维素累积降解率和各个时期降解率的影响分别 绘制图5、图6、图7。从图5中可知,纤维素含量呈 先增加后减少的趋势。堆制前期堆体中易降解有机 物首先被分解,纤维素降解缓慢,相对被浓缩,含量 删斑】】 寸Ⅱ2O l9 18 17 O 14 21 28 35 处理时间(d) 图5不同外源微生物菌处理对堆体纤维素含量的影响 40 3o 萎zo 懈 萎10 0 处理时间(d) 图6不同外源微生物菌处理对堆体纤维素 累积降解率的影响 处理时间(d) 图7不同外源微生物菌处理对各个时期 堆体纤维素降解率的影响 从图6、图7中可知:堆体纤维素降解率前期 较小,后期较大,大部分处理在第14~28天的降解 速率最高,但堆体累积降解率随堆制进程呈增加的 趋势。添加外源微生物菌剂能促进堆体纤维素的降 解。D3处理对堆体纤维素降解的影响最大,但堆体 纤维素含量仍保持较高水平。 方差分析结果表明,整个堆制过程中各处理间 纤维素含量的差异除第7天未达到显著水平外 ( =0.134 7),其他时期在O.1水平上均显著(P 甜= 32 湖南农业科学 第13期 0.02,P2 d=0.05,P28d=0.09,P3 ̄=0.08)。各处理间的纤 活动加剧,半纤维素降解率加大,含量减少。堆制第 21天,半纤维素含量略有增加,主要原因可能是因 为堆体中木质素和纤维素被分解产生大量小分子 物质,从而使半纤维素含量增加。堆制第21天后, 维素累积降解率的差异达到了显著或极显著水平 (P7d=0.09,Pl4d<0.01,P21d=0.10,P摭1=0.06,P35d<0.01)。 这说明从堆制中后期起不同的处理对堆体纤维素 的降解有较大的影响。 随着微生物的分解利用以及纤维素降解率的下降, 堆体半纤维素含量下降。 25 ,)2O 2.4对堆体半纤维素含量的影响 半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异 质多聚体,将细胞壁中的纤维素和木质素紧密联结 在一起,三者共同构成了细胞的骨架。半纤维素分 子量较大,不能直接透过细胞质膜,只有在胞外酶 (聚糖酶)将其水解为单糖以后,才能被进一步利 用,因此有机物料堆腐过程中半纤维素的降解具有 十分重要的作用 。 将不同处理对堆体半纤维素含量的影响、对堆 体半纤维素累积降解率和各个时期降解率的影响 分别绘制成图8~10。从图中可知:半纤维素含量变 化较为复杂,总的趋势是先上升后下降,半纤维素 累积降解率表现出一直上升的趋势,各个时期半纤 维素降解率不一致,总的趋势呈一个“M”型变化趋 势。堆制第7~14天和第21~28天两个时期的降解 率较高。堆制第7天,半纤维素降解少,各处理问平 均降解率仅为4%,而堆体中其他物质降解相对较 快,各处理问堆体鲜重平均降解率为6%,因此各处 理问半纤维素含量增加。堆制第l4天,堆体微生物 —々一D1—▲一D3—D—D5 12.5 12.O 一 缸吲 钿 懈 9.5 9.O O 14 21 28 35 处理时间(d) 图8不同外源微生物菌处理对堆体半纤维索含量的影响 处理时间(d) 图9 不同外源微生物菌处理对堆体半纤维素 累积降解率的影响 15 10 *5 O 处理时间(d) 图10不同外源微生物菌处理对各个时期 堆体半纤维素降解率的影响 方差分析结果显示,整个堆制过程各处理间的 半纤维素含量的差异在0.1水平上显著(P7d=0.O6, P14d=0.04,P21d=0.09,Pzsd<0.0 1,P35d=0.03)。各处理间的 半纤维素累积降解率除第7天差异未达到显著水平 外,其他时期差异达到了显著或极显著水平(P, = 0.95,P14d=0.02,P2ld=0.10,P28d<O.01,P35d<0.01)。这说明 不同处理对堆体半纤维素的降解有较大的影响。 从图l0中可知,啤酒糟型生物有机肥半纤维 素降解最快时段是第14天和第28天,添加外源微 生物菌剂能促进半纤维素的降解,其中以D5、D6 处理的效果最好,D3处理的效果不明显,堆制结束 时D5的木质素累积降解率比对照高10.61%。 2.5对堆体木质素含量的影响 木质素是自然界中仅次于纤维素的丰富有机 化合物,是有机废弃物的主要成分之一。由于木质 素分子大(相对分子质量>1.0xl0 )且分子结构复杂 又不规则,而难于降解。因此,促进木质素的降解有 利于促进堆肥的进程【1Ol。 将不同处理对堆体木质素含量的影响、对堆体 木质素累积降解率和各个时期降解率的影响绘制 成图11、图l2、图13。由图中可知,整个堆制过程 中,各处理木质素含量的变化较一致,呈先上升后 下降变化的趋势,木质素累积降解率呈增加的趋 势,各个时期木质素的降解速率先增后降呈单峰曲 线变化,其中速率最大的时期是第l4~21天。在堆 制前期,由于有机物料分解速率加快,水分、氮素、 碳素降解较多,堆体重量下降较快,而木质素降解 第13期 喻夜兰等:外源微生物菌剂对啤酒糟堆肥碳水化合物降解的影响 缓慢,相对被浓缩,含量增加。堆制后期,木质素降 解加快,降解率保持在30%左右,相对其他物质有 3结语 着较大的降解趋势,因此堆体中木质素含量下降。 24 2 咖 如20 懈 长18 16 0 14 21 28 35 处理时间(d) 图1 1 不同外源微生物菌处理对堆体木质素含量的影响 /-、 褂 胜 逝 懈 瞧 * 处理时间(d) 图12不同外源微生物菌处理对堆体木质素累积 降解率的影响 曼 蓬 懈 蜓 * 处理时间(d) 图I3不同外源微生物菌处理对各个时期 堆体木质素降解率的影响 方差分析表明,各处理间的木质素含量的差异 在0.1水平上差异达到了显著(P7d=0.06,P,钳=0.03, P2 d==0.09,P2 ̄=0.04,P sd=0.o4)。各处理间的木质素累 积降解率除第7天差异未达到显著水平外,其他各 时期的差异均达到了显著或极显著水平(P7d=0.08, P14d=0.02,P21d<O.O1,P28d<0.01,P35d<0.01)。这说明添加 不同菌剂对堆体木质素的降解有较大的影响。 堆制中后期,以对照的木质素降解率最低,木 质素含量最高,说明添加外源微生物菌剂有利于促 进堆体木质素的降解。几种外源微生物菌剂中又以 D3、D5的效果较好。 添加外源微生物菌剂对堆体总碳含量的影响 显著,对碳素的累积降解率有极显著的促进作用, 其中D3、D6处理对堆体全碳的降解影响较突出; 添加外源微生物菌剂能显著降低堆体的WSC含 量,堆制中后期的降低WSC含量效果极显著;添加 外源微生物菌剂对纤维素含量的影响不一致,有增 强的,也有减弱的,除D4处理外,其他外源微生物 菌剂均能促进纤维素的降解,增加纤维素的累积降 解率,尤其是D3处理的效果最佳;添加外源微生物 菌剂能促进半纤维素的降解,其中以D5、D6的效 果最好,堆制结束时D6的半纤维素累积降解率比 对照高14.98%;添加外源微生物菌剂能降低堆体 中后期木质素的含量,增加木质素的累积降解率, 其中以D5的效果最好。 添加外源微生物菌剂对纤维素含量影响不一 致,可能是因为木质素在微生物作用下降解成纤维 素,对纤维素的含量有一定补充作用,而导致部分 处理纤维素含量高于对照。 参考文献: f1]王玉万,徐文玉.木质纤维素固体基质发酵物中半纤维素、纤 维素和木质素的定量测定分析程序叨.微生物学报,1987, (2):82—84. 【2】鲍士旦.土壤农化分析【M】.北京:中国农业出版社,2000. 【3]李国学,张福锁.固体废物堆肥化与有机复混肥生产[M].北京: 化学工业出版社,2000. 【4]杨毓峰,薛澄泽,唐新保.畜禽废弃物堆肥的腐熟指标[J].西北 农业大学学报,1999,27(4):62—66. 【5]Chanyansak V K,Carbon H.Organic nitrogen ration in water ex— tracts as a measure of compost degradation【J].Journal Ferment Technol,1981,59:215-221. 【6] Bernal M P,Paredes C,Cegarra M A.Maturity and stability parame ters of composts P repared with a wide range of organic wastes叨.Bioresour Technol,1998,63:91—99. 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