促进畜禽粪便和秸秆快速堆肥的微生物复合菌剂及其生产生物有机肥的方法

1.本发明属于生物发酵工艺处理农业有机废弃物技术领域，具体涉及一种促进畜禽粪便和秸秆快速堆肥的微生物复合菌剂及其生产生物有机肥的方法。


背景技术：

2.据统计规模化畜禽养殖业快速发展过程中产生的农业固体废弃物(作物秸秆、畜禽粪便等)年产量高达50亿吨，当中含有丰富有机质、氮、磷、钾、微量元素和腐殖质等多种植物营养成分，氮磷钾总储量约0.63亿吨，相当于0.49亿吨尿素、1.19亿吨过磷酸钙和0.34亿吨氯化钾，但目前畜禽粪便和秸秆资源化利用率不超过70％，如不快速科学的处理和利用，不仅造成资源浪费，而且将导致严重的环境污染，给全国生态环境安全带来了巨大的压力及隐患问题。好氧堆肥是在多种微生物共同作用下可以将固体废弃物分解、转化释放热量，加速堆肥熟化、杀灭病原微生物和产生大量腐殖质，最后生成安全、稳定的产品，来减少环境问题的可持续过程。然而，传统的堆肥技术费时费力，尤其不适合中国地少人多的基本国情，如何快速有效的堆肥化处理这些农业废弃物已逐渐成为科学研究的焦点。堆肥过程中添加的一些主要成分为木质纤维素的作物根茎辅料，其存在于整个堆肥过程中很难完全被分解，是限制堆肥效率和有机肥生产的关键技术瓶颈。因此，将这类农业有机废弃物堆肥化处理，制成高附加值的商品有机肥和生物有机肥是解决这一问题的有效途径，通过进一步工艺优化技术将产生巨大的生态、经济和环境效益。
3.堆肥是否达到腐熟，是衡量堆肥产品质量好坏的一个标准，当堆肥未到达腐熟时，施入土壤环境中，堆肥产生的毒性物质会严重抑制植物的生长，病原菌和杂草种子杀灭不完全也会对植物生长不利，加大病害发生率，造成减产减质。堆肥是一个时间性的微生物进程，在多种微生物协同作用下将有机物转化为有机肥，不同时期的微生物组成不同，升温期由常温细菌和真菌占据主导地位降解简单化合物，如糖、氨基酸、蛋白质等，同时释放能量，提高堆体温度。随着堆体温度逐渐升高，进入高温期后被激活的高温微生物开始降解脂肪、纤维素、半纤维素和一些木质素。然而，由于真菌的耐热性略低，大部分真菌在堆体温度超过60℃后就停止生长。随着可降解底物的消耗殆尽，微生物活性开始降低，从而导致温度下降，此时放线菌占据主要生态位，能够降解剩余的糖、纤维素和半纤维素，并联合真菌降解耐聚化合物。因此，在不同好氧堆肥阶段保持微生物的活性以便使其在堆肥过程中更快地行使功能与作用显得重要。
4.由于高温阶段大量微生物活性下降，腐熟阶段能高效降解木质纤维能力的功能菌株少，导致传统堆肥发酵周期长，堆肥占地面积大，处理成本高，物料腐熟不完全，有机肥产品质量参差不齐，作物烧苗和病虫害发生严重。因此，迄今为止，国内外对畜禽粪便好氧堆肥工艺及方法进行了大量的研究，方法包括条垛式、滚筒式和槽式发酵等，工艺优化包括通过外源添加不同辅料调节堆肥碳氮比、ph值、o2浓度、含水率和温度等。
5.本发明结合堆肥进程中微生物组成研究结果，构建高效发酵功能菌群复合，解决
物料分解率低和堆肥周期长等问题，筛选出具有促进畜禽粪便和秸秆快速腐熟能力的功能微生物，通过添加不同菌群组合，优化堆肥工艺，从而有效缩短堆肥时间、加快堆肥腐熟、生产高附加值新型生物有机肥，为推动农业固体废弃物资源化利用和有机肥生产提供科技支撑。


技术实现要素：

6.为了解决畜禽粪便和秸秆堆肥周期长、腐熟不完全导致有机肥产品质量差以及病原菌的施入加大植物病害发生等问题，本发明提供一种畜禽粪便和秸秆高效快速堆肥的微生物复合菌剂，将复合菌剂直接添加到畜禽粪便和秸秆物料进行好氧堆肥，能显著缩短堆肥时间、提高堆肥效率、生产高质量有机肥。
7.本发明的目的可通过以下技术方案实现：
8.一种促进畜禽粪便和秸秆高效好氧堆肥的微生物复合菌剂，包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、土芽孢杆菌、烟曲霉菌和哈茨木霉。
9.进一步地，枯草芽孢杆菌：地衣芽孢杆菌：土芽孢杆菌：烟曲霉菌：哈茨木霉的有效菌落数量比1:5:5:10:50。
10.在本发明的实施例中提供了上述微生物复合剂在禽粪便和秸秆堆肥中的具体应用：
11.(1)原材料的建堆与接种：将牛粪和水稻秸秆按干重比70:30混合，然后按照质量比2％-3％的接种量接入堆肥复合菌剂混匀；
12.(2)堆肥过程：前两周每三天翻堆一次，以后每一周翻堆一次；
13.(3)堆肥后熟：堆肥30天后，将肥料放置在通风阴凉处约15天，使其进入后熟阶段，待堆肥完全腐熟即含水率在30％-40％左右，碳氮比为20左右，ph为8.5左右，发芽指数大于95％时表示已完全腐熟的有机肥。
14.上述复合菌剂高温堆肥产生的腐熟有机肥特征为，有机肥经过高温堆肥后其含水率为31.2％、总碳含量为26.5、总氮含量为1.32％、碳氮比为20.2和ph为8.02。
15.在接种的微生物菌剂作用下进行高温堆肥，既能促进物料中木质纤维降解，也能通过菌剂添加后堆肥持续性高温杀死物料中杂草种子和病虫卵等有害微生物。本发明复合菌剂中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和土芽孢杆菌具有促进堆肥生物质转化作用，产生能量提高堆肥温度，存在于整个堆肥周期；烟曲霉具有耐高温和高效木质纤维降解能力对堆肥中木质纤维降解具有显著作用，可加快堆肥物质转化效率；哈茨木霉可以协同木质纤维降解菌进行木质纤维降解，同时哈茨木霉是植物根际促生菌，存在于有机肥中能提高堆肥质量，施入土壤中对植物生长和病害防控具有显著效果。
16.本发明通过接种肥料促腐剂枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、土芽孢杆菌、烟曲霉菌和哈茨木霉，能有效缩短堆肥时间，提高堆肥效率，快速生产高质量有机肥，其方法和产品与传统堆肥相比有以下优势：
17.(1)本发明所述的复合菌剂中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、土芽孢杆菌、烟曲霉菌和哈茨木霉均为肥料促腐有效微生物，能够将堆肥物料中复杂成分统一发酵腐熟。这些微生物菌剂间不存在拮抗作用，能够在好氧堆肥过程中互相协同充分实现原料物质转化与降解，生产出高品质有机肥。
18.(2)本发明所制备的畜禽粪便微生物促腐菌剂能可实现堆肥的快速升温，同时保持较久的高温时间、缩短整个堆肥周期，与常规堆肥比较可以缩短25-40天时间，工艺稳定、大大缩短了有机肥制备周期。
19.(3)本发明与常规堆肥相比堆肥周期短，大大减少了氮素在堆肥过程中的流失，生产的有机肥含有丰富的有机质(20％-25％)，总氮量可以达到1％-1.5％，完全达到国家有机肥的行业标准，是一种优质的有机物料载体，可用于制备高附加值有机肥产品。
20.(4)本发明加快畜禽粪便的资源化有效利用，既有利于自然生态保护，减少环境污染，又可变废为宝，降低木霉发酵生产成本，最大可能地实现经济社会效益，同时也符合当今循环可持续发展的战略方针。
附图说明
21.图1复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中温度变化。
22.图2复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中含水率变化。
23.图3复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中全碳(tc)含量变化。
24.图4复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中全氮(tn)含量变化。
25.图5复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中c/n的变化曲线。
26.图6复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中ph的变化。
27.图7复合菌剂牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中发芽指数的变化曲线。
具体实施方式
28.以下实施例以牛粪和水稻秸秆堆肥原料为例说明本发明的技术方案，但并不因此限定本发明的保护范围。
29.(一)复合菌剂制备
30.1、复合菌种组成
31.枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、土芽孢杆菌均购买自宁波生物科技有限公司菌种保藏中心，菌种货号分别为：bmz135815、bmz135439和bmz065639。
32.烟曲霉菌和哈茨木霉均来自申请人实验室、南京农业大学固体废弃物资源化利用实验室，菌种保藏号分别为：cgmcc no.3309和cgmcc no.12166。
33.2、复合菌种培养
34.将枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、土芽孢杆菌分别接种到含有500ml牛肉膏蛋白胨培养基的容量为1l的三角瓶瓶摇瓶培养，培养条件为：初始ph范围为5.0-6.0，摇床转速为180rpm/min，培养温度为37℃，培养48小时后作为菌种备用。摇瓶培养所用牛肉膏蛋白胨培养基配制方法为，以配制1l的量为例：称取牛肉膏5g，蛋白胨10g，nacl 5.0g全部溶解后，加蒸馏水定容至1l，115℃灭菌20min。
35.将烟曲霉接种到含有500ml pda培养基的容量为1l的三角瓶进行摇瓶培养，培养条件为：初始ph范围为5.0-6.0，摇床转速为180rpm/min，培养温度为37℃，培养72小时后作为菌种备用。
36.将哈茨木霉接种到含有500ml pda培养基的容量为1l的三角瓶进行摇瓶培养，培养条件为：初始ph范围为5.0-6.0，摇床转速为180rpm/min，培养温度为28℃，培养72小时后
作为菌种备用。
37.烟曲霉和哈茨木霉摇瓶培养所用pda培养基配制方法为，以配制1l的量为例：称取200g削皮土豆后切成小块放到1l沸腾的去离子水里煮30min，过四层纱布后向滤液中添加20g葡萄糖，定容至1l，115℃灭菌20min。
38.3、复合菌剂制备
39.摇瓶培养后，取发酵液通过稀释涂布准确测定可培养菌落数并用无菌水调节菌落数至1
×
108/ml。将调节后的菌液按照枯草芽孢杆菌：地衣芽孢杆菌：土芽孢杆菌：烟曲霉菌：哈茨木霉按照有效菌落数量比1:5:5:10:50混和均匀后与菌种吸附剂米糠按照体积质量比(1:10)在搅拌机中进行混匀吸附，混匀后在常温干燥至含水量低于20％，获得微生物复合菌剂，存储于阴凉干燥处备用。
40.(二)牛粪水稻秸秆好氧堆肥实验
41.以预先进行干燥处理至含水量约为38％
±
2.0％的蓬松细碎状牛粪作为主要原料，以水稻秸秆(0.5-1cm左右)作为调节剂进行堆肥发酵。牛粪来自湖南省畜牧兽医研究所牛场，水稻秸秆收集自湖南长沙当地农户。将总鲜重约100kg的牛粪和水稻秸秆按照70:30(干重)比例混匀，调节c/n为26.5、含水率为62.4-63.2％、ph为7.33进行好氧堆肥处理，牛粪和水稻秸秆基本理化性质见表1。通过设置如下处理：不接种微生物处理(对照组)、接种复合菌剂、接种商业起爆剂(益加益生物菌肥腐熟发酵剂)，比较接种组与对照组的堆肥效果，以及接种复合复合菌剂与商品化起爆剂堆肥效果的比较，各设两个平行。堆肥初期各堆总鲜重约100kg，分别在不同处理中接种提前准备好的复合菌剂和商业起爆剂、对照组添加等量灭菌吸附剂米糠，接种量与堆体质量比为3％、堆体含水率为62.4-63.2％。放入长宽高各为0.5m
×
0.4m
×
1m(堆体长宽高各为0.4m
×
0.4m
×
1m)的泡沫保温箱堆肥装置内进行堆肥实验。
42.(二)堆肥后熟
43.前两周每三天翻堆一次，以后每一周翻堆一次。建堆后分别于1、3、7、14、21、28、30、45天进行样品采集。采集的方法如下：将堆体平均分为三个部分(前、中、后)。各部分选取一个剖面，采取剖面多高度等量取样法，即将堆体分成多段，在每段多个高度(上层：0.05m-0.1m；中层：0.5m-0.6m；下层0.8m-1.0m)采集等量样品，然后进行样品混匀，四分法取样品三次，使样品具有代表性。一部分保存在4℃冰箱，一部分自然风干用于测定理化指标与肥料腐熟度分析。
44.堆肥30天后，将堆肥堆积在通风阴凉处堆放15天，使其进入后熟阶段，待堆肥完全腐熟，上述用复合菌剂进行牛粪和水稻秸秆堆肥的有机肥经高温堆肥后绝大多数植物病原微生物被杀死，最终有机肥含水率在30％-35％、c/n在20左右之间，发芽指数gi大于95％。将堆肥完成的有机肥通过筛选机将比较粗的部分筛选出来，该产品为黑色粉末状固体，为优质有机肥，为了适应不同地区对产品的需求，对粉末状有机肥进行造粒制备成颗粒状肥料。
45.表1堆肥物料基本理化性质
[0046][0047]
堆肥过程中肥料发芽指数的测定：将4℃冰箱保存的肥料样品浸提、离心和过滤后，取5ml至铺有滤纸的培养皿中，加入20粒饱满的独行菜种子，25℃恒温避光培养3天后测定发芽指数(gi)，分析堆肥物料腐熟程度及有机肥质量。
[0048]
gi计算方法：gi(％)＝(堆肥浸提液的种子发芽率
×
种子根长)/(蒸馏水的种子发芽率
×
种子根长)
×
100
[0049]
图1表示的是牛粪和水稻秸秆好氧堆肥过程中温度变化曲线，从图中可以看到接种复合菌剂或商业起爆剂的堆肥处理比不接菌的对照处理升温速度快且温度高，同时翻堆后温度恢复时间比对照快，说明接种堆肥微生物能通过加快堆体物质代谢，产生更多的能量迅速提升堆体温度提前进入高温期，且能促进堆体整体温度增加，能够更加有效的促进堆体物料中物质的转化与杀灭当中的病虫卵微生物与杂草种子。
[0050]
图2表示的是牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中含水率变化曲线，由图2可知，堆肥的初始物料的含水率为62.4-63.2％，随着堆肥过程的进行，含水率不断降低，接种复合菌剂与接种商业起爆剂和对照组相比能显著加快堆肥过程中含水率的下降，到堆肥过程结束，复合菌剂堆肥处理中堆体处于快速升温和高温阶段，微生物的代谢活动比较旺盛，有机物降解速度较快，所以水分利用和蒸发的速率也较快。堆肥结束后样品含水率低至31.2％，整个过程中水分大多是在0-20天散失的，而堆肥后期水分散失速率降低，这正好与堆体温度变化相一致。
[0051]
图3表示的是牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中全碳(tc)含量的变化曲线，由图3可知，整个堆肥过程中全碳的含量在0-45天内降低，其中接种复合菌剂处理与接种商业起爆剂和对照组相比能显著降低全碳的含量，这主要是由于在堆肥初期物料中含有相对较多的容易降解的有机物，例如简单糖类、蛋白质等物质，复合菌剂微生物与其他处理相比能更加迅速降解物质生成co2、h2o和能量。堆肥后期，全碳的含量维持在相对稳定的范围内。
[0052]
图4表示的是牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中全氮(tn)含量的变化曲线，由图4可见，全氮在整个堆肥过程中的含量不断上升，直到30天左右的时候达到一个相对较高的状态(1.32％左右)，以后则变化不大，其中接种组合菌剂处理与接种商业起爆剂和对照组相比能显著增加全碳的含量，主要是因为接种复合菌剂能加快堆肥温度升高，促进牛粪快速腐熟。复合菌剂与接种商业起爆剂和对照组相比减少了一定的氮损失。
[0053]
图5表示的是牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中c/n的变化曲线，由图5可见，牛粪堆肥的初始物料的混合物c/n比在26.5左右，经过45天的发酵过程，c/n降低至21.9，后15天尽管c/n仍有下降但速率明显降低。这个结果正好与全碳和全氮的变化相吻合，也说明在前30天堆肥中微生物的代谢是最活跃的。
[0054]
图6表示的是牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中ph变化曲线，由图6可知，在整个堆肥过程中，ph基本呈现一个不断上升的趋势，于第45天达到最大值，本次堆肥过程中的ph维持在7.11-8.185之间。其中接种复合菌剂处理与接种商业起爆剂和对照组相比能显著降低堆肥ph，原因是复合菌群微生物活性高功能强大，能够高效降解堆肥原料中营养物质而积累
有机酸类，ph较低可以控制堆肥过程中nh3的挥发来降低堆肥过程中n元素的损失，显然本发明中不存在这样的问题。
[0055]
图7表示的是牛粪水稻秸秆好氧堆肥过程中发芽指数的变化曲线，由图7可见，堆肥过程中发芽指数呈现一个先下降后上升的趋势。在堆肥前期发芽指数由从第1天的29.9-30.6降到第7天的25.4-26.3％，这可能是由于初始物料含水量比较高，并且含有较多的可溶性有机物，造成局部厌氧，微生物厌氧发酵，产生小分子的有机酸类物质；随着堆肥的进程，第45天达到最大且稳定，其中接种复合菌剂处理与接种商业起爆剂和对照组相比堆肥发芽指数更高为115％，说明复合菌剂在整个堆肥过程中具有高生物活性，能将这些有机酸类物质降解利用，堆体毒性减小，发芽指数增大。当种子发芽指数95％才能作为达到堆肥腐熟的标准。本试验中堆肥gi在第30天就达到96％，所以可以认为堆肥在第30天左右已经达到腐熟。