研究论文 正式出版 版本 3 Vol 10 (4) : 406-418 2019
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畜禽粪添加对菌糠堆肥过程中酶活性的影响
Effects of manure addition on enzyme activities during spent mushroom substrate composting
: 2018 - 07 - 18
: 2018 - 11 - 12
: 2018 - 11 - 21
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摘要&关键词
摘要:堆肥是农林废弃物资源化利用的重要途径之一,可以有效地转化和利用生物能源。在堆肥过程中生物酶能转化有机质,释放植物与微生物所需的能量与矿质元素,促进物质循环和能量流动。食用菌菌糠富含纤维素、木质素等有机质,以及氮、磷、钾等营养成分。因此,研究堆肥过程中生物酶活性的变化特征可以为农林废弃物资源化利用提供有效的数据与理论支持。以香菇菌糠为底料、鸡粪和羊粪为辅料、EM复合菌为起始菌剂进行菌糠堆肥试验,监测了脲酶活性、蔗糖酶活性和纤维素酶活性的变化特征。研究结果表明:(1)鸡粪对脲酶活性和蔗糖酶活性的提升显著,混合粪对蔗糖酶活性的提升显著;(2)鸡粪添加后,三种酶活性之间呈显著正相关关系;(3)酶活性随堆肥时间变化呈先上升后下降的趋势,pH与酶活性负相关,EC与酶活性正相关。研究结论显示鸡粪比羊粪更适合用作菌糠堆肥辅料,且最佳堆肥配方为XG︰JF︰HZ︰YK︰HS︰CM= 6︰2︰1︰1︰1︰1。未来的工作中,有必要进一步研究菌糠堆肥过程中的其他酶活性及其控制因素,这将有助于推进食用菌菌糠的资源化利用进程(比如有机肥生产)。
关键词:鸡粪;羊粪;菌糠堆肥;脲酶活性;蔗糖酶活性;纤维素酶活性
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope The total amount of spent mushroom substrate (SMS) has been increased continously over the past decades. The current SMS disposals include burning, spreading, burying and landfilling. But all these disposals will cause significant waste of resources as we as envionmental pollution. SMS is also rich in organic matter and nutrient, which can be effectively recycled by composting. Microbial extracellular enzymes play critical roles on the degradation of organic matter and the releasing of nutrients. Therefore, the objectives of this study were to investigate enzyme activities and their underlying mechanisms during SMS composting. These results will provide effective data and theoretical support for the resource utilization of agricultural and forestry residues. Materials and methods SMS composting was carried out at Northwestern Polytechnical University in 2017. In this study, we investigated the effects of different kinds of manure addition on urease activity, invertase activity and cellulase activity along the SMS composting. The experiment treatments are chicken manure (JF), sheep manure (YF) and a combination of JF and YF additions. The pH value and electric conductivity (EC) were also measured along the composting and enzyme measurements. Results Chicken manure addition significantly increased urease activity and invertase activity by 15.74% and 111.49%, respectively. Mixed manure addition (combination of chicken manure and sheep manure addition) significantly increased invertase activity by 111.60%. The three kinds of enzymes activities were significantly correlated with each other after the chicken manure addition. The pH was negatively correlated with the enzyme activities, while EC was positively correlated with the enzyme activities. Discussion As one of the most effective ways to recycle the agricultural and forestry residues, effective composting strategy was one of the research hotspots during the recent years. Extracellular enzymes catalyze the decompostion and depolymerization of organic matter, playing crucial roles in promoting the nutrient cycles. Therefore, it is likely to icrease the composting efficiency by enhancing extracellular enzymes activities. The key findings in the current study showed that manure addition, particularly chicken manure addition, could effectively increase the enzymes activities. Moreover, the enzyme activities were closely correlated with pH and EC, prodiving possible ways to increase composting efficiency by providing favourable conditions for extracellular enzymes. For example, addition of plant ash and frequently dump will be conducive to the composting. Conclusions Our results provide the evidence that chicken manure is more effective than sheep manure in catalyzing the SMS composting, and optimal compost formulation is XG∶JF∶HZ∶YK∶HS∶CM= 6∶2∶1∶1∶1∶1. Recommendations and perspectives Our results highlight the importantce to further study the factors affecting the enzyme activities during the SMS composting, which will contribute to the effective utilization of SMS, such as organic fertilizer production.
Keywords: chicken manure; sheep manure; spent mushroom substrate composting; urease activity; invertase activity; cellulase activity
菌糠(spent mushroom substrate,SMS),即食用菌栽培废料,其主要基质为秸秆、木屑、稻草等(陈明利等,2015)。据统计,过去10年我国食用菌年产量超过2000万吨,平均年增长率达10%,已成为全球食用菌产量大国之一(孔雷等,2016;中商情报,2017)。然而,随着食用菌产量的递增,菌糠的数量也正在急剧增加。现阶段我国对菌糖的处理方式以传统处理为主,包括直接丢弃、就地焚烧、掩埋等(表1)。实际上,食用菌菌糠富含纤维素、木质素等有机质,以及氮、磷、钾等营养成分(卫智涛等,2010)。丢弃和焚烧等处理方式不仅造成了资源的浪费,还引起了大气、水和土壤污染等环境问题。因此,菌糠资源化利用成为当前的一项重要研究任务。目前,国内外关于菌糠资源化利用的途径主要包括堆肥、再生产、生态修复等(表1)。其中堆肥处理可以变废为宝、有效避免环境污染,具有广阔的应用前景。比如,单建明等(2012)利用菌糠堆肥生产的有机肥使小白菜增产14.5%,李赟等(2017)利用菌糠作为堆肥辅料使氨气减排53.6%,Law et al(2003)从菌糠堆肥抽提液中回收的五氯苯酚降解酶能够有效净化污水。
表1   菌糠传统处理与资源化利用的对比
类型
Type
途径
Pathway
影响
Impacts
参考文献
Reference
传统处理
Conventional
直接丢弃、就地焚烧、掩埋等。
Discarding, burning and burying directly, etc.
(1) 难于管理。
Unmanageable.
(2) 资源浪费。
Waste of resources.
(3) 环境污染。燃烧烟尘、PM2.5,水土污染等。
Environmental pollution. Smoke and fine particulate matter, water and soil pollution.
Phan and Sabaratnam, 2012;
楼子墨,2016
(Lou, 2016)
资源化利用
Innovative
(1) 堆肥(有机肥、沼气)
Composting (organic fertilizer and biogas)
(1) 方便管理。加快产业发展的同时,进一步加强菌糠的回收利用和监督管理。
Manageable. Speeding up development of industry, further strengthening recycling and management of SMS.
孙建华等,2008
(Sun et al, 2008);
Lin et al, 2014
(2) 再生产(回收品、替代品、动物饲料)
Reproduction (recycling, substitute and animal feed)
(2) 经济实效。实现菌农、企业、政府互惠共赢模式,同时促进循环经济发展。
Economical and effective. Mutually beneficial and win-win cooperation among farmers, enterprise and government, and promoting development of circular economy.
李浩波等,2005
(Li et al, 2005);
Ashrafi et al, 2014;
Gao et al, 2015
(3) 生态修复(改良剂、能源原料、吸附材料等)
Ecological restoration (modifier, energy feedstock and sorbing material, etc.)
(3) 绿色环保。利于资源循环利用,环境污染的预防、控制和修复。
Environmental friendly. Resources recycling, and prevention-remediation of environmental pollution.
Wall et al, 2011;
García-Delgado et al, 2015;
袁志辉等,2016
(Yuan et al, 2016)
生物酶的酶促作用和微生物的代谢作用共同促进堆肥过程中的物质循环和能量流动(陈骥等,2013;李甲亮等,2014)。生物酶来源于微生物、动植物的活体及残骸,并通过酶促作用转化有机质和驱动营养元素循环(刘丛强,2009)。酶活性可用于碳循环(蔗糖酶、纤维素酶等)、氮循环(脲酶、蛋白酶等)和磷循环(磷酸酶等)的监测,且这些生物酶影响着微生物对营养物质吸收和利用的效率(Chen et al,2016;Chen et al,2017;Chen et al,2018)。生物酶活性是堆肥过程中的重要表征参数,能够从生物化学方面反映有机物质的降解、无机养分和重金属的转化情况及堆肥产品的腐熟程度(Mondini et al,2004;戴芳等,2005)。例如,脲酶活性与氮转化密切相关,蔗糖酶和纤维素酶活性可以表征碳的分解转化。微生物通过分泌酶来补充生长发育所需的能源和碳源,进而加速有机质的分解(关松荫,1986;谷洁,2006)。
农作物废料与畜禽粪结合堆肥能够缩短发酵时间、减少元素损失,是当前生态农业和农业生产可持续化发展的重要研究方向之一(张鸣等,2010)。堆肥产品一方面可以改善土壤结构、降低容重(Pagliai et al,2004;Wahba,2007);另一方面可以增加土壤有机碳储量,提高土壤有效磷、有效氮的含量(Amlinger et al,2003;Lynch et al,2005),在改善土壤肥力方面具有巨大潜力(Insam et al,2010)。依据酶活性的变化特征可以推断物质转化的进程和规律,以便更好地控制堆肥产品的质量。菌糠堆肥生产的有机肥是一种重要的堆肥产品,为了优化和推广菌糠有机肥生产技术,研究菌糠堆肥过程中畜禽粪添加后各种生物酶活性的变化特征尤为关键。本研究利用香菇菌糠为底料、鸡粪和羊粪为辅料、EM(effective microorganism)复合菌为起始菌剂进行堆肥试验,旨在研究:(1)畜禽粪(鸡粪、羊粪)添加对菌糠堆肥过程中酶活性的影响;(2)理化性质(pH、EC(electric conductivity)等)对酶活性的影响;(3)进一步优化堆肥辅料的选择,以及堆肥条件的控制。
1   材料与方法
1.1   堆肥原料与装置
试验所用原料为香菇菌糠(XG)、鸡粪(JF)、羊粪(YF)、EM菌剂、海藻渣(HZ)、椰壳粉(YK)、滑石粉(HS)、草木灰(CM)等。其中,EM菌剂由光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阳性放线菌群及发酵系的丝状菌群等复合培养而成,广泛用于农业废弃物堆肥;海藻渣可提高植株体内的可溶性蛋白和有机酸含量,起增产作用;椰壳粉能降低土壤容重和密度,提高土壤空隙度和田间持水量;滑石粉可降低肥料结块率;草木灰用于调节堆腐料酸碱度。试验装置为36个10 L堆肥桶,此装置为双盖,下有渗滤液出口(图1)。主要实验仪器包括菌棒粉碎机、分析天平、手提称、紫外-可见光分光光度计、水浴锅、pH计、EC计、温度计、干燥箱、恒温培养箱等。


图1   堆肥桶示意图
Fig.1 Conceptual graphs of the composting bucket
1.2   堆肥方法
堆肥试验于2017年8—9月在西北工业大学长安校区数字化大楼进行。主要试验步骤如下:(1)菌棒粉碎;(2)物料称量、混匀;(3)物料润湿;(4)EM菌剂配制、活化;(5)堆肥发酵;(6)定期翻堆、取样;(7)相关指标的测定;(8)观察堆肥腐熟度。8月7日堆肥开始进行第1次取样,6天后进行第2次取样,之后每隔1周取1次样,共取5次样。依据畜禽粪添加的种类分为4组试验,原料的具体配比如表2所示(CK表示对照组)。
表2   堆肥原料添加的配比
组 Group编号 Number原料配比 Material ratio
CKⅠ-1,Ⅱ-1,Ⅲ-1XG︰HZ︰YK︰HS︰CM= 6︰1︰1︰1︰1
Ⅰ-2—Ⅰ-12XG︰JF︰HZ︰YK︰HS︰CM= 6︰2︰1︰1︰1︰1
Ⅱ-2—Ⅱ-12XG︰(JF+YF)︰HZ︰YK︰HS︰CM= 6︰2︰1︰1︰1︰1
Ⅲ-2—Ⅲ-12XG︰YF︰HZ︰YK︰HS︰CM= 6︰2︰1︰1︰1︰1
XG、JF、YF、HZ、YK、HS和CM分别表示香菇菌糠、鸡粪、羊粪、海藻渣、椰壳粉、滑石粉和草木灰。
XG, JF, YF, HZ, YK, HS, CM indicate respectively Lentinus edodes SMS, chicken manure, sheep manure, seaweed slag, coconut shell powder, talc powder and plant ash.
1.3   测定方法
取干重为4 g的过筛堆肥物料,按水、物料比5︰1混合后静置2 h,过滤后用pH计测定酸碱度(pH),用EC计测定电导率(EC)。生物酶活性的测定均采用比色法,取样于恒温培养箱中,37℃培养24 h后,通过紫外-可见光分光光度计比色分析(关松荫,1986)。脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定,于578 nm处进行比色,其酶活性以1 g样品中 NH3-N 的质量(mg)表示。蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,沸水浴10 min后,于508 nm处进行比色,其酶活性以1 g样品中葡萄糖的质量(mg)表示。纤维素酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,沸水浴10 min后,于540 nm处进行比色,其酶活性以1 g样品中葡萄糖的质量(mg)表示。酶活性单位为mg·g-1·d-1。
1.4   数据处理
利用Excel 2016和SPSS 19完成试验数据的统计分析,运用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异(LSD)方法检验差异性,Pearson相关性方法分析相关系数。利用Origin 2017作图。试验数据的异常值剔除方法参考张敏和袁辉(1997)报道的拉依达准则(n>10条件下实用),线性回归分析的数据标准化处理采用归一化方法,异常值判别式和归一化公式分别如下:
式中:为试验数据,分别为平均值、最大值和最小值,分别为标准差和归一化值。
2   结果与分析
2.1   堆肥过程脲酶活性的变化
添加畜禽粪堆肥能有效地提升脲酶活性,脲酶活性随堆肥时间变化有显著差异。8月7日堆肥开始时各组试验的脲酶活性相同,发酵启动后脲酶活性开始发生显著变化。8月13日Ⅰ、Ⅱ组的脲酶活性显著高于对照组,且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组之间的脲酶活性呈显著性差异:Ⅰ组>Ⅱ组>Ⅲ组(图2)。8月20日,对照组与Ⅰ、Ⅱ组之间的差异不明显,但显著高于Ⅲ组,这说明添加羊粪的Ⅲ组对脲酶活性的提升能力较低。8月27日,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组之间的脲酶活性无明显差异,但Ⅱ组显著高于对照组。9月3日,Ⅰ组的脲酶活性降低,显著低于对照组、Ⅱ组和Ⅲ组。堆肥过程中Ⅰ、Ⅱ组的脲酶活性随时间的变化先迅速升高再缓慢降低,8月13日左右达到峰值,峰值分别为(0.87 ± 0.05) mg·g-1·d-1、(0.73 ± 0.07) mg·g-1·d-1,其脲酶活性分别提升了112.20%、78.05%。Ⅲ组和对照组的脲酶活性呈缓慢上升趋势,9月3日左右达到峰值,峰值分别为(0.64 ± 0.03) mg·g-1·d-1、(0.66 ± 0.05) mg·g-1·d-1。与对照组相比,整个堆肥过程中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的脲酶活性分别提升了15.74%、23.15%、0.46%。9月3日添加鸡粪的Ⅰ组堆肥腐熟,脲酶活性最低,Ⅱ、Ⅲ组和对照组的脲酶活性显著高于Ⅰ组,说明其堆肥发酵还在继续进行。结果表明:鸡粪添加对脲酶活性提升显著,能够缩短发酵时间,而混合粪、羊粪添加的堆肥效果较差(腐熟度较低)。


图2   畜禽粪添加对堆肥过程中脲酶活性的影响
Fig.2 Effects of manure addition on urease activity during the composting
2.2   堆肥过程蔗糖酶活性的变化
堆肥过程中的蔗糖酶活性存在显著差异,不同程度地得到了提升。如图3所示,8月13日、20日,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的蔗糖酶活性显著高于对照组, Ⅰ、Ⅱ组之间的差异性不显著,但Ⅰ、Ⅱ组的蔗糖酶活性显著高于Ⅲ组(图3)。8月27日,Ⅰ、Ⅱ组的酶活性显著高于对照组和Ⅲ组,Ⅲ组与对照组的差异不显著。9月3日,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组与对照组的蔗糖酶活性差异不明显。发酵开始后,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组和对照组的蔗糖酶活性随堆肥时间变化呈现先上升后下降的趋势。蔗糖酶活性在8月20日左右达到峰值,对照组、Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组的峰值分别为(2.65 ± 0.24) mg·g-1·d-1、(5.94 ± 0.46) mg·g-1·d-1、(6.52 ± 0.58) mg·g-1·d-1、(4.31 ± 0.27) mg·g-1·d-1,且Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组的蔗糖酶活性分别提升了124.15%、146.04%、62.64%。与对照组相比,整个堆肥过程中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的蔗糖酶活性分别提升了111.49%、111.60%、40.99%。依据同一组不同日期的酶活性变化的差异性可知,Ⅰ、Ⅱ组的蔗糖酶活性显著性变化趋势一致,鸡粪、混合粪添加对蔗糖酶活性的提升效果相近,且较羊粪添加更为显著。


图3   畜禽粪添加对堆肥过程中蔗糖酶活性的影响
Fig.3 Effects of manure addition on invertase activity during the composting
2.3   堆肥过程纤维素酶活性的变化
如图4所示,8月13日Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的纤维素酶活性差异不明显,且Ⅱ组显著低于对照组;8月20日、27日和9月3日对照组显著高于实验组。8月7日堆肥开始时各组试验的纤维素酶活性相同。发酵开始后Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的纤维素酶活性随时间变化呈现先快速上升再缓慢下降的趋势,且一直低于对照组,可能原因是EM菌剂发酵周期较短(6—15日),取样周期较长(7日)而错过实验组纤维素酶活性峰值的监测。因此,纤维素酶活性的峰值应该在8月7—13日。对照组的纤维素酶活性在9月3日突然快速增加,这是由于8月27日进行了EM菌剂的补充喷洒使得对照组的纤维素酶活性迅速增加,而Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的堆肥由于趋于腐熟,其纤维素酶活性没有升高。根据酶活性的显著性变化趋势可知,堆肥后期Ⅰ、Ⅱ组的纤维素活性下降趋势和速度相近,Ⅲ组的酶活性下降趋势较快(图4)。结果表明:纤维素降解过程中,Ⅲ组的降解效果优于Ⅰ组和Ⅱ组,羊粪添加对纤维素降解的促进作用更强。


图4   畜禽粪添加对堆肥过程中纤维素酶活性的影响
Fig.4 Effects of manure addition on cellulase activity during the composting
2.4   各种酶活性之间的关系
相关性分析结果如表3所示,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的酶活性相关性不同。Ⅰ组的脲酶活性、蔗糖酶活性和纤维素酶活性之间呈显著正相关关系。Ⅱ组的脲酶活性与蔗糖酶活性、纤维素酶活性相关性不显著,但蔗糖酶活性与纤维素酶活性显著正相关。Ⅲ组的脲酶活性与蔗糖酶活性显著负相关,与纤维素酶的相关性不显著;蔗糖酶活性与纤维素酶活性呈显著正相关关系。结果表明:Ⅰ组的三种酶活性之间的关联性最为紧密,相互影响,相互促进。
表3   畜禽粪添加后各种酶活性之间的相关性
酶活性
Enzyme activity
蔗糖酶
Invertase
纤维素酶
Cellulase
蔗糖酶
Invertase
纤维素酶
Cellulase
蔗糖酶
Invertase
纤维素酶
Cellulase
脲酶 Urease0.540**0.611**0.0840.251-0.361*-0.293
蔗糖酶 Invertase--0.376*--0.410**--0.439**
*表示在0.05水平(双侧)上显著相关;**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。
* represents correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed); ** represents correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).
2.5   酶活性与pH、EC的关系
通过差异性分析知整个堆肥过程中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的pH显著高于对照组,Ⅲ组的EC显著高于对照组、Ⅰ组和Ⅱ组(p>0.05)。如图5所示,随着堆肥进行pH呈现上升趋势,EC呈现先上升后下降的变化趋势。pH在堆肥初期上升缓慢,中后期上升速度加快。EC在堆肥初期缓慢上升,中后期缓慢下降。




图5   畜禽粪添加后pH、EC的变化
Fig.5 Changes of pH and EC after manure addition
对照组的酶活性与pH、EC之间的相关性均不显著(表4)。鸡粪添加后脲酶活性与pH显著负相关、与EC显著正相关,混合粪、羊粪添加后脲酶活性与pH、EC相关性均不显著。混合粪和羊粪添加后蔗糖酶活性与pH呈显著负相关、与EC相关性不显著,鸡粪添加后蔗糖酶活性与pH、EC的相关性均不显著。混合粪和鸡粪添加后纤维素酶活性与pH显著负相关、与EC显著正相关,羊粪添加后纤维素酶活性与EC显著正相关、与pH相关性不显著。忽略试验处理的条件下,酶活性与pH、EC的线性回归分析结果如图6所示,整体上酶活性与pH负相关,与EC正相关。蔗糖酶活性和纤维素酶活性与pH显著负相关(图6a),纤维素酶活性与EC显著正相关(图6b)。
表4   畜禽粪添加后酶活性与pH、EC的相关性

Group
脲酶活性
Urease activity
蔗糖酶活性
Invertase activity
纤维素酶活性
Cellulase activity
pHECpHECpHEC
CK
0.252
-0.543**
-0.185
0.619**
0.004
-0.291
0.044
0.267
-0.177
-0.769**
0.227
0.737**
-0.0560.106-0.411**0.185-0.603**0.504**
0.324-0.329-0.580**0.335-0.2920.442**
**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。
** represents correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).


图6   酶活性与pH、EC的线性回归分析
Fig.6 Linear-regression analysis between the enzyme activities (EAs) for pH and the EAs for EC
3   讨论
3.1   畜禽粪添加对酶活性的影响
畜禽粪富含氮磷钾、有机质等营养成分,富集多种微生物,能够加快菌糠堆肥发酵过程中有机质的分解速率。菌糠与畜禽粪结合堆肥,一方面能够提高原料的利用效率,减少堆肥过程中NH3、CO2、CH4等气体的排放,降低环境污染风险;另一方面能够减少养分损失,提高酶活性,提升有机质的转化效率,从而缩短堆肥时间,提高堆肥质量(陶金沙等,2014;Li et al,2018)。研究显示:与对照组相比,鸡粪添加显著提升了脲酶活性,鸡粪、混合粪添加显著提升了蔗糖酶活性。畜禽粪添加对纤维素酶活性的提升效果不明显,且酶活性低于对照组。一个可能的原因是畜禽粪添加后纤维素酶活性的峰值出现在1周内(谷洁等,2005;李敏清等,2010),而本实验取样错过了这个峰值期。
鸡粪添加对脲酶活性的提升显著,这是由于鸡粪中有机质含量较高,为微生物繁殖提供了充足的物质基础(王亚飞等,2017),促使其加速繁殖,短期内脲酶活性迅速上升,1周左右达到峰值。鸡粪、混合粪添加后蔗糖酶活性显著增加,可能原因是鸡粪诱导微生物增殖,以及堆肥过程释放的CO2促使微生物新陈代谢增强,比如呼吸速率加快(曹宏杰和倪红伟,2013)。Chen et al(2017)通过建立土壤胞外酶活性与土壤呼吸之间的关系分析出蔗糖酶活性与土壤呼吸正相关,证实了上述的解释。羊粪添加对纤维素酶活性的促进效果较好,原因可能是羊为食草性动物,粪便中纤维素酶含量较多促进了纤维素的降解。此外,研究结果表明鸡粪添加后三种酶活性之间呈现显著正相关关系,混合粪、羊粪添加后脲酶活性与纤维素酶活性的相关性不显著。综合比较下,鸡粪对三种酶活性的提升效果最好。生物酶是一系列生物化学反应的催化剂,它能够加速生物降解过程的矿化和腐殖化。生物酶活性越高,有机质的降解速度越快,合成腐殖质的原料(有机质分解产生的小分子中间产物)越多,堆肥腐殖化程度也越高。优质堆肥辅料能够增加堆肥物料的养分含量,改善微生物群落结构,进而提升酶活性生产出高品质的堆肥产品(Vargasgarcía et al,2010)。本研究表明:Ⅰ组堆肥的酶活性提升最为显著,因而鸡粪是最佳菌糠堆肥辅料。
3.2   理化性质对酶活性的影响
理化性质(温度、湿度、O2、pH、EC等)会改变微生物的群落组成和生理功能进而影响生物酶活性(Insam et al,2010)。一方面,堆肥不均匀主要受温度、氧气浓度和湿度的影响;另一方面,发酵过程的酶活性受pH和EC的影响。如图6a所示,堆肥发酵是分层进行的,处于上表面的A层白色菌丝更加密集,其下部的B层菌丝不明显,原因是表层氧气浓度较高,促进了微生物的新陈代谢。图6b显示堆体表面的菌丝分布密度也存在差异,中间区域的菌丝密度较桶壁区域大,原因是中间区域的温度较高,微生物繁殖快。堆体内部的厌氧区域会产生部分有机酸,翻堆能加快有机质降解和降低堆肥盐分浓度(化党领等,2011)。因此,预测周期性地翻堆利于堆肥均匀、稳定。




图7   8月20日取样的剖面图和表面图
Fig.7 Profile and surface of soil samples on August 20th
堆肥过程产生的有机酸、NH3、CO2等也会影响生物酶活性。已有研究表明:堆腐初期,有机质矿化分解生成有机酸,pH随之降低;堆腐后期,有机酸与其他中间产物合成腐殖质,pH升高(孙利宁等,2009)。此试验表明:堆肥初期pH上升缓慢,堆肥中后期pH上升较快。原因是堆肥初期加入草木灰轻微提高了pH,能够加快发酵启动速度并提升有机质的降解速率。pH>8时,NH3会大量释放,造成氮素损失(姜新有等,2016)。此试验中,堆肥条件一直维持pH<8,氮素损失较少,堆肥稳定。
EC大小反映堆肥过程中有机离子和无机离子的浓度以及有机质转化的情况。已有研究表明:堆腐初期,有机物料分解产生大量小分子物质,诸如小分子有机酸及各种阴、阳离子(HCO3-、HSO4-、NH4+、H+等)使EC上升;堆腐中后期,随着NH3、CO2的挥发,EC缓慢下降(孙利宁等,2009)。这与本研究结果一致。此外,土壤正常EC为0—4 dS·m-1,EC过高会导致土壤盐碱化,抑制植物的生长,而且对土壤自身的物理、化学性状也会产生不良效应(鲍士旦,2000)。研究表明:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的EC都下降了,但混合粪、羊粪添加后EC均高于4dS·m-1。因此,鸡粪更适合作为菌糠堆肥的辅助料。
堆肥条件的控制影响着堆肥产品的质量。除了选择合适的堆肥辅料、定期翻堆(调节氧气浓度、温度、湿度)、加入草木灰(调节pH)等方式外,还有很多其他相关控制措施。例如:王楠等(2017)通过调整菌糠、鸡粪配比来提高堆肥质量,诸葛诚祥(2017)通过筛选高效降解菌剂来优化堆肥速率和质量,黄梅(2014)通过加入蚯蚓提升菌糠降解效率。
3.3   菌糠堆肥试验的改进与展望
由于时间和能力有限,此试验尚存一些不足之处,需要进一步改进。首先,堆肥装置容积较小,不利于温度的提升与保持;其次,取样周期较长,不利于温度、水分动态变化和纤维素酶活性峰值的监测;最后,监测指标较少,还需要进一步监测氮磷钾、重金属含量和微生物群落的变化。接下来,将优化试验(包括设计方案、堆肥装置、取样周期、监测指标等),继续研究菌糠堆肥过程中其他生物酶的作用与机理,并筛选高效降解菌剂,分析堆肥原料的最佳配比和效益,研发菌糠有机肥生产技术。
目前,菌糠堆肥的应用探究主要包括菌糠有机肥、菌糠提取液和环境修复等方面。农业领域以有机肥生产为主,向生物炭、生物腐殖酸、培养基制备等方向拓展(Lou et al,2017;王思同,2017;Meng et al,2018a);工业领域以工业发酵提取有效酶为主,向吸附剂、抑菌剂、染色剂制备等方向进行拓展(Grujić et al,2015;李欣欣等,2018);环境领域以土壤修复为主,并向污泥处理、污染物降解等方向拓展(胡宗福,2016;袁志辉等,2016;Meng et al,2018b)。然而,菌糠堆肥的应用过程中还存在诸多问题需要深入探讨:(1)畜禽粪中抗生素类兽药等物质的降解和转化,以及风险评价。(2)目前生物有机肥起效单一,如何生产同时对多种农作物、多种病害均具有良好效果的菌糠有机肥。(3)有机肥、提取液中酶系作用机理的综合研究。(4)环境修复过程中的工艺优化和效益评价。
4   结论
通过监测菌糠堆肥过程中脲酶活性、蔗糖酶活性和纤维素酶活性的变化特征,并着重分析了畜禽粪添加对酶活性的影响以及其他可能的影响因素。研究表明,鸡粪比混合粪、羊粪更适合用作堆肥辅料,鸡粪添加后脲酶活性和蔗糖酶活性得到显著提升,这有利于有机质的降解和转化。因此,添加鸡粪的Ⅰ组堆肥为最佳配方,即XG︰JF︰HZ︰YK︰HS︰CM= 6︰2︰1︰1︰1︰1。堆肥发酵是分层进行的,周期性翻堆、添加草木灰等措施能调节堆肥条件,控制堆肥稳定高效。针对菌糠堆肥过程中生物酶活性的研究,有利于推进菌糠资源化利用的进程,为菌糠有机肥生产提供科学依据和技术支持。
致谢
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稿件与作者信息
张 勇
ZHANG Yong
陈宇鹏
CHEN Yupeng
权秋梅
QUAN Qiumei
张 锋
ZHANG Feng
陈 骥
CHEN Ji
chenji@ieecas.cn
基金项目: 国家自然科学基金项目(41701292);中央高校基本科研业务费专项资金(3102016QD078);中国博士后基金(2017M610647,2018T111091);陕西省青年科学基金(2017JQ3041);黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金(SKLLQG1602);中国科学院气溶胶化学与物理重点实验室开放基金(KLACP-17-02)
National Natural Science Foundation of China (41701292); Fundamental Research Funds for the Central Universities (3102016QD078); China Postdoctoral Projects (2017M610647, 2018T111091); Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province (2017JQ3041); State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology (SKLLQG1602); Key Laboratory of Aerosol Chemistry and Physics, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences (KLACP-17-02)
出版历史
出版时间: 2018年11月21日 (版本3
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地球环境学报
Journal of Earth Environment