不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥腐熟及微生物群落结构影响

李贵霞; 王书梦; 李烨; 周蕾; 韩永辉; 罗晓; 关贝贝

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501276

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (3) :1299-1306 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501276

论文：环境科学、安全科学

不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥腐熟及微生物群落结构影响

李贵霞 ¹^,² ,
王书梦 ¹ ,
李烨 ³ ,
周蕾 ¹ ,
韩永辉 ¹^,² ,
罗晓 ¹^,² ,
关贝贝 ⁴

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Effects of Different Microbial Agents on Maturity and Microbial Community Structure of Aerobic Composting of Cattle Manure

LI Gui-xia ¹^,² ,
WANG Shu-meng ¹ ,
LI Ye ³ ,
ZHOU Lei ¹ ,
HAN Yong-hui ¹^,² ,
LUO Xiao ¹^,² ,
GUAN Bei-bei ⁴

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摘要

针对畜禽粪污污染问题,采用外加菌剂对其好氧堆肥,提高畜禽粪污的肥料化处理及应用。在冬季条件下,以牛粪为发酵原料,添加两种不同微生物菌剂进行好氧堆肥,考察分析堆体理化性质、腐熟度和微生物群落结构的变化特征。结果表明,添加不同微生物菌剂的A、B两组高温期均持续超过7天;堆肥结束时,A、B两组的pH、电导率、C/N和总有机碳、发芽指数均能达到畜禽粪污肥料化腐熟度要求;A组的堆肥效果好于B组。微生物菌剂对堆体微生物群落结构影响较大,在细菌门水上平上,A组放线菌门(Actinobacteria)相对丰度最高,而B组最高的为变形菌门(Proteobacteria);在细菌属水平上,A组相对丰度最高的优势菌属为uncultured_-compost_-bacterium,B组则是unclassified_Vicinamibacterales;在真菌门水平上,A、B两组的优势菌种相似,其中子囊菌门(Ascomycota)为绝对优势菌门;在真菌属水平上,A组的嗜热链球菌属(Mycothermus)丰度具有绝对优势,B组的优势菌属相对丰度分布较均匀。

Abstract

To address the issue of livestock and poultry manure pollution, exogenous microbial agents were applied to enhance the aerobic composting process, thereby improving the fertilizer treatment and utilization of livestock and poultry manure. Under winter conditions, cattle manure was used as the fermentation substrate, and two different microbial agents were added for aerobic composting. The changes in physicochemical properties, maturity, and microbial community structure of the compost were investigated and analyzed. The results show that the high-temperature phase in both Group A and Group B, which were treated with different microbial agents, lasted for more than 7 days. At the end of composting, the pH, EC (electrical conductivity), C/N ratio, TOC (total organic carbon), and GI (germination index) values of both groups met the maturity requirements for livestock and poultry manure fertilizer. The composting effect of Group A is superior to that of Group B. The microbial agents significantly influence the microbial community structure of the compost. At the bacterial phylum level, Actinobacteria has the highest relative abundance in Group A, while proteobacteria was the most abundant in Group B. At the bacterial genus level, the dominant genus in Group A was uncultured-compost-bacterium, whereas in Group B, it was unclassified_Vicinamibacterales. At the fungal phylum level, the dominant species in both groups were similar, with Ascomycota being the absolutely dominant phylum. At the fungal genus level, Mycothermus was the overwhelmingly dominant genus in Group A, while the dominant genera in Group B were more evenly distributed in terms of relative abundance.

Graphical abstract

关键词

牛粪 / 好氧堆肥 / 微生物菌剂 / 腐熟度 / 微生物群落

Key words

cattle manure / aerobic composting / microbial agents / maturity / microbial community

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李贵霞, 王书梦, 李烨, 周蕾, 韩永辉, 罗晓, 关贝贝. 不同微生物菌剂对牛粪好氧堆肥腐熟及微生物群落结构影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(3): 1299-1306 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501276

LI Gui-xia, WANG Shu-meng, LI Ye, ZHOU Lei, HAN Yong-hui, LUO Xiao, GUAN Bei-bei. Effects of Different Microbial Agents on Maturity and Microbial Community Structure of Aerobic Composting of Cattle Manure[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(3): 1299-1306 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501276

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中国畜禽粪污产生量达到约30.50亿t/年^[1]。日益增长的畜禽粪污不仅制约了畜禽养殖业的发展,也成为了环境的主要污染源之一。畜禽粪污具有有机物含量高、氮磷等植物性肥料含量高、热值高等特点,因此畜禽粪污的肥料化、资源化处理与利用技术成为目前的研究热点^[2-3]。

好氧堆肥是畜禽粪污肥料化处理的有效途径之一。好氧堆肥通过高温嗜热微生物的作用实现有机物的降解、灭活粪污中的致病微生物,最终使畜禽粪污腐熟后实现资源化或无害化应用^[4-5]。传统好氧堆肥仅依靠自身微生物作用,存在堆肥时间长、升温速率慢、养分损失大、质量差等问题。

为提高堆肥效能,外源微生物菌剂的接入成为近年来的研究热点。文献[6 -9]表明,外源微生物菌剂的接入会有效促进好氧堆肥中的微生物驱动过程,不仅可以增加肥堆中的微生物多样性,更重要的是加速温度提升、提高堆肥温度和延长堆肥高温期,最终达到堆肥腐熟度加快、堆肥质量提高的效果。唐豪等^[10]通过在牛粪好氧堆肥发酵过程中添加0.2%不同微生物菌剂组合,发现可以不同程度地促进牛粪堆体腐熟,改善养分含量,提高种子发芽指数。Xu等^[11]发现,微生物菌剂的添加不仅能够降低堆肥水分含量,还能提高腐殖质含量和发芽指数。王建才等^[12]通过研究发现,外源菌剂能够显著改变堆肥的理化性质和细菌群落结构,进而提升堆肥效率,更好地保证了堆肥腐熟的质量。

综上,外源微生物菌剂的研发与应用已成为提升高温好氧堆肥效率的关键调控手段。同时,微生物菌剂的应用效果又受到环境温度、堆肥堆制等因素的影响,因此需要根据实际情况选择合适的微生物菌剂。在此背景下,考虑到华北地区的冬季温度低、时间长等现实问题,现采用自主研发的两种微生物菌剂对干牛粪进行好氧堆肥试验,研究在冬季室外条件下不同菌剂对牛粪好氧堆肥基本理化性质和肥堆腐熟度的影响,进一步探究肥堆中的微生物群落的多样性和群落结构变化,为堆肥过程中的微生物调控策略奠定基础,为畜禽粪污的资源化处理和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验堆肥所用牛粪取自石家庄市某奶牛养殖场,所用垫料稻壳和锯末自市场采购,堆肥原料的基本理化性质如表1所示。

试验用微生物菌剂主要有A、B两种,均为自制,其有效活菌数均≥10¹⁰/mL。相关菌种和菌剂的专利申请号分别为:CN 202510383096.2、CN 202510496918.8、CN 202510496842.9。

1.2 实验装置与设计

堆肥试验所用装置容积为70 L,装置结构示意如图1所示。

设计3组肥堆,添加菌剂A的肥堆编号为A,添加菌剂B的肥堆编号为B,未添加菌剂的编号为O。堆肥试验材料设计具体如表2所示。

实验时采用间歇曝气,曝气量8 L/min,通风30 min停10 min。取样天数分别为0、2、5、8、12、16、20 d;取样点分别在装置的上、中、下3个平面,遵循5点取样原则。每次取样500 g,一部分新鲜样品用于测定pH、电导率(electrical conductivity,EC)、发芽指数(germination index,GI)等,可在4 ℃冷藏条件下储存备用;另一部分自然风干、粉碎后,用于测定总有机质(total organic corbon,TOC)、总氮(total nitrogen,TN)等。

1.3 试验测定指标及方法

1.3.1 常规检测指标

堆肥温度通过堆肥装置的PT100温度探头实时监测,每天选取0、4、8、12、16、20 h进行记录。

pH采用酸度计测定(设备型号:2018C132-11);电导率(EC)由电导率仪测定(设备型号:雷磁DDS-307A)。

发芽指数(GI)、总有机碳含量(TOC)和总氮(TN)测定方法均依据《有机肥料标准》(GB NY 525—2021)^[13],其中发芽指数(GI)所用种子为黄瓜种子。

1.3.2 微生物结构检测

分别于堆肥初始时期和堆肥结束时采集样品,将样品放入-80 ℃储存,通过16S rRNA和ITS(internal transcribed spacer)基因测序,对微生物多样性进行了全面分析(委托北京百迈客生物科技有限公司)。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中的理化性质变化

堆肥过程中的理化性质变化是评价好氧堆肥腐熟度的重要指标^[14-15]。本试验堆肥过程中理化性质变化如图2所示。

温度的变化可反映堆体中微生物活性的变化,也体现了好氧发酵的进程。由图2(a)中可知,两个堆肥试验的温度变化相似,均在4 d后达到50 ℃以上,经过7~8 d的持续高温期后,温度开始降低,达到《畜禽粪便无害化处理技术规范》(GB/T 36195—2018)^[16]规定要求。在高温期间,A组温度较B组高2~6 ℃,最高达到61.8 ℃,这表明A菌剂可能更有利于牛粪中有机物分解。

由图2(b)可知,两个堆体的pH趋势变化均为前期下降而后期升高乃至平稳。其原因在于:堆肥前期,有机物被微生物分解后形成的有机酸的积累,导致堆体的pH整体呈下降趋势^[17];当堆肥高温期的结束后,随着氮素氨化后的氨挥发作用越来越小,堆体中的氨态氮及物料所吸附的氨气浓度逐渐增加,使得堆体pH回升^[18]。两个堆体相比,A堆体的pH变化幅度最小、稳定时间也越早越长。这可能是由于A堆体的温度最高导致氨态氮挥发较彻底。两个处理堆肥结束时的pH均低于8.50,均达到了腐熟后的标准。

EC的变化反应堆肥中溶质盐的浓度,过高的盐度(≥4 mS/cm)可能会对植物造成不利影响^[18]。EC的变化如图2(c)所示。A、C3两个堆体的EC变化较平缓,均为略升后降,且一直未超过4 mS/cm; B的EC经历先降后升高又降的变化,且最高值超过4 mS/cm。堆肥前中期,有机物分解产生大量小分子有机酸、CO₂、游离氨或铵盐促使EC值升高,堆肥降温后期,由于有机质的矿化作用以及CO₂和游离氨的挥发,导致EC值下降^[19]。而两个堆体的EC的变化差异较大,可能是不同菌剂中的微生物对堆体中有机物降解的机理及途径存在显著差异。

C/N为TOC与TN的比值,堆肥过程中的碳和氮是微生物活动的必需元素,影响着微生物的群落组成活动。因此C/N也是评判堆肥成熟度的关键指标^[20]。从图2(d)可以看出,两个堆体的C/N均是先升后降。在堆肥前期C/N值呈升高趋势,可能是由于氨气排放量远超于有机物分解碳化的量所致;C/N在高温期之后逐渐下降趋于平稳,这一变化符合正常堆肥趋势;A、B两组变化趋势的差异可能是因为微生物菌群差异造成的对碳和氮的利用不同步所致。在堆肥期间,A、B两组的C/N均大于20,高于有机肥腐熟度要求。同时,在堆肥20 d后,A、B的总有机碳含量分别为60.84%和71.36%,高于《有机肥料标准》(GB NY 525—2021)中20%的要求。

2.2 堆肥过程中的发芽指数

发芽指数GI是反映堆肥对植物种子毒害性和堆肥腐熟度的生物学指标^[18]。如图3所示,随堆肥的进行,A和B处理的GI整体呈先上升后下降再升高的趋势。GI值下降的原因在于:随有机物快速分解而产生大量中间物质,如NH₃、有机酸等,这些会对种子发芽具有一定毒性或抑制作用。堆肥中后期,随着NH₃的挥发和有机酸的进一步分解,堆肥物料的毒性降低,GI值再次升高。堆肥20 d,A、B的GI均到130%以上,超过《有机肥料标准》(GB NY 525—2021)70%要求,由此可见两种微生物菌剂的添加对堆肥发芽率指数和腐熟度呈现积极影响,其中A菌剂表现优于B菌剂。

2.3 堆肥过程中微生物群落结构变化

2.3.1 微生物群落结构Beta多样性分析

Beta多样性主要对是微生物群落结构进行比较,评估微生物群落间的差异^[21]。通过主成分分析(principal component analysis,PCA)分析了不同处理下微生物群落之间的相似程度,其中处理之间的距离越近,表明微生物群落的组成越相似^[22]。将添加菌剂的肥堆(A、B)和未添加菌剂的肥堆(编号O)的PCA对比分析如图4所示。

对细菌门来说,PC1和PC2对各处理细菌群落差异贡献值分别为57.42%和24.36%,两轴的总解释度为81.78%。这表明这两个主成分能够捕捉到样本间大部分的信息,在区分不同处理组的微生物群落结构方面具有较高的代表性。A、B和O堆体的距离均较远,3个处理之间的微生物群落存在明显差异,堆肥过程中微生物组成发生了明显的变化,这除了和两种菌剂自身菌落的差异较大外,堆肥过程中的温度T、pH、EC和C/N等理化特征的不同变化趋势也影响了微生物的生长繁殖^[17]。

由图4(b)可知,在真菌群落变化的PCA上,PC1和PC2对各处理真菌群落差异贡献值分别为56.29%和21.84%,两轴的总解释度为78.13%。B在PC1、PC2上分布于负半轴,于O未有交叉,表明菌剂的添加增加了新的微生物群落。A与O堆体的交叉范围较大,表明菌剂A中的微生物菌落与牛粪原有菌落有部分相同,这也是A菌剂中微生物在堆肥过程中适应性更快的部分原因。

2.3.2 细菌群落变化

堆肥结束后,将添加菌剂的肥堆(编号A、B)和未添加菌剂的肥堆(编号O)细菌菌落相对丰度进行比较,结果如图5所示。

在细菌门水平分类上,O、A、B3个样品的细菌菌落门类和丰度存在显著差异。门类上,O样品的优势门类丰度较多的主要是变形菌门(Proteobacteria,26.96%)、拟杆菌门(Bacteroidetes,32.74%)、厚壁菌门(Firmicutes,21.56%)、放线菌门(Actinobacteria,3.90%)和绿弯菌门(Chloroflexi,4.75%)5个,丰度总和超过90%;A和B样品中则出现了丰度较大的酸杆菌门(Acidobacteriota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)和黏球菌门(Myxococcota)等其他菌落。与O堆相比,A样品中,拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度降低到5.10%,但放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)两个的丰度增长显著,分别达到25.87%和16.46%;B样品中,厚壁菌门(Firmicutes)丰度降低11.05%,但绿弯菌门(Chloroflexi)和酸杆菌门(Acidobacteriota)的丰度分别达到7.16%和9.55%。以上优势菌落均存在嗜热菌,对高温堆肥过程中在纤维素分解、有机质矿化和碳氮循环发挥着关键作用^[23-25]。

细菌丰度在属水平上的变化,O堆的主要优势菌属为假单胞菌属(Pseudomonas)、unclasssified_SBR1031和发酵单胞菌(Fermentimonas),其相对丰度分别为18.75%、3.20%和7.89%。A中假单胞菌属(Pseudomonas)显著降低,uncultured_-compost_-bacterium提高明显,丰度达到13.23%;另外3个优势菌属为unclasssified-SBR1031、unclassified_Steroidobacteraceae和unclassified_Vicinamibacterales,丰度分别达到9.76%、4.49%和2.61%。B堆和A堆出现的菌属相似,但unclassified_Vicinamibacterales、藤黄色单胞菌属(Luteimonas)和Taibaiella相对丰度增长显著,成为优势菌属。

2.3.3 堆肥过程中真菌群落相对丰度变化

由如图6(a)所示,真菌丰度在门水平上,所有样品的优势菌门有子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)和未分类真菌门(unclassified-Fungi),其中子囊菌门(Ascomycota)为绝对优势菌门,其在各样品中的相对丰度为67.21%~82.90%。这和牛粪堆肥中子囊菌门和担子菌门是核心门的研究结果一致^[23,26-27]。担子菌门(Basidiomycota)的相对丰度在3个堆体中的变化相差不大。相较而言,A和B的unclassified_-Fungi和Rozellomycota相对丰度降低明显,但球囊菌门(Glomeromycota)的相对丰度由O的0.27%分别提高到1.68%和3.48%。

如图6(b)所示,真菌菌落的属水平上,优势菌属的相对丰度各有差异,其中的嗜热链球菌属(Mycothermus)、未分类真菌属(unclassified_Fungi)和曲霉菌属(Aspergillus)是所有样品的优势菌属。O堆的优势菌属主要是嗜热链球菌属(Mycothermus)、未分类真菌属(unclassified_Fungi)、unclassified_-Pleosporales和曲霉菌属(Aspergillus),相对丰度分别为20.22%、12.98%、7.14%和4.42%。堆肥结束时,A和B的嗜热链球菌属(Mycothermus)丰度分别达到39.81%和11.55%,unclassified_Fungi相对丰度下降明显;unclassified_Sordariomycetes上升明显。在A、B两个堆体中增加了Chaetomium、Trichocladium以及Acrophialophora等优势菌属。

3 结论

(1)在冬季进行牛粪好氧堆肥,添加不同微生物菌剂的A、B两组的高温期(温度≥50 ℃)均持续超过7 d,满足《畜禽粪便无害化处理技术规范》(GB/T 36195—2018)规定要求;堆肥结束时,A、B的pH、EC值、C/N和TOC、GI值达到《有机肥料标准》(GB NY 525—2021)。

(2)相比较,A组高温期温度值超出B组2~6 ℃;堆肥结束后A组的GI值略高于B组,且A组的pH、电导率、C/N比均较B组稳定。

(3)根据微生物群落Beta多样性分析,O对照组相比,无论是细菌群落还是真菌群落,A、B两组的菌落结构均发生了较大变化。

细菌菌落门水平上,A组优势菌种按丰度依次为放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和变形菌门(Proteobacteria);B组优势菌种按丰度依次为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和酸杆菌门(Acidobacteriota)。在细菌属水平上,按丰度,A组优势菌属主要为uncultured-compost-bacterium和unclasssified-SBR1031;B组则为unclassified_Vicinamibacterales和uncultured-compost-bacterium。

真菌菌落门水平上,A、B两组的优势菌种相似,均为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)和未分类真菌门(unclassified-Fungi),其中子囊菌门(Ascomycota)为绝对优势菌门,其在各样品中的相对丰度为67.21%~82.90%。在真菌属水平上,嗜热链球菌属(Mycothermus)、未分类真菌属(unclassified_Fungi)和曲霉菌属(Aspergillus)是所有样品的优势菌属,但A组的嗜热链球菌属(Mycothermus)丰度具有绝对优势,B组的优势菌属相对丰度分布较均匀。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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