生活垃圾堆肥过程中细菌群落演替规律

应用PCR-DGGE技术研究生活垃圾堆肥过程中的细菌群落演替规律,对堆肥不同时期的宏基因组DNA进行提取,扩增16S rDNA的V3区,分析生活垃圾堆肥过程中细菌群落的变化. DGGE图谱表明,随着堆体温度的升高,DNA条带表现出了明显的动态变化,降温期出现了新的优势条带并趋于稳定,说明堆肥不同时期的细菌群落发生了更替. 对条带分布进行聚类分析,结果表明:以55 ℃为界,将14个堆肥样品划分为2个族,族间的相似性仅为13%,说明堆肥过程中常温期(<55 ℃)和高温期(>55 ℃)微生物群落结构差别较大. 对优势条带回收测序的结果表明:在升温期,堆肥堆体中检测到H. obtusa和人类排泄物中的细菌;但随着温度的升高,具有纤维素降解功能的嗜热微生物Clostridium thermocellum成为堆肥高温期的优势细菌;当堆体温度小于55 ℃时出现了大量的未培养微生物.      

畜禽粪便和桃树枝工业化堆肥过程中微生物群演替及其与环境因子的关系

为了解畜禽粪便和桃树枝工业化堆肥中微生物群落的变化,本研究以猪粪、桃树枝和腐熟有机肥为堆肥原料进行堆肥,通过测定理化指标和利用高通量测序技术,分析了堆肥中理化参数的变化和堆肥微生物群落结构变化.理化参数结果表明,堆体于第2 d快速进入高温期,整个高温期持续30 d;堆肥过程中有机质含量呈波动性变化,但总体下降;堆肥结束时TN含量为20. 58 g·kg~(-1),与堆肥初期相比损失了5. 90%.α多样性分析表明,不同好氧堆肥时期具有不同的微生物群落多样性.在细菌门水平上,厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)在整个堆肥过程中占主导地位,其相对丰度所占比例分别为79. 31%～95. 09%和2. 98%～19. 70%;此外,在堆肥初期,厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)相对丰度分别为87. 36%和9. 66%,在堆肥末期,两者的相对丰度分别为79. 38%和19. 70%;在细菌属水平上,随着堆肥的进行,优势类群从Clostridium_sensu_stricto_1、Terrisporobacter和Bacillus演变为norank_f_Bacillaceae、Bacillus、Oceanbacillus和Pseudogracilibacillus;在真菌门水平上,Ascomycota始终为优势门类;在真菌属水平上,norank_c_Sordariomycetes的比例逐渐增加,在堆肥末期成为优势类群.冗余分析结果显示,环境因子对细菌和真菌群落结构影响相关性排序均为pH铵态氮温度 TOC TN,其中pH对微生物群落组成影响最大. norank_c_Sordariomycetes、norank_o_Sordariales和norank_c_Agaricomycetes可能与铵态氮的挥发有关.     

高温菌剂的添加时间对污泥堆肥指标影响研究

为研究高温菌剂对堆肥指标的影响,实验采用对照方法,分别设计了不加菌剂(1号)、在堆肥开始时加入常温菌(2号)和高温菌剂(3号)、在堆肥物料升温至45℃左右加入高温菌剂(4号)四种处理方式,探讨发酵过程中堆肥温度、水分、pH值、NH4+-N、总氮和有机质含量变化。结果显示:4号堆体升温是最快的,且4号堆体在各项堆肥指标上均明显优于其他三组。说明后加高温菌剂能够加快堆肥的升温速度,更好地促进有机物的降解,提高堆肥的最高温度,延长堆肥高温期,且能在一定程度上控制高温阶段pH,减少氮素流失,提高污泥堆肥效果。     

抗生素降解菌剂对猪粪堆肥腐熟和细菌群落演替的影响

接种抗生素降解菌可促进畜禽粪便中抗生素去除,但相关污染物降解菌对堆肥进程及土著微生物群落演替的影响研究甚少.分析一种以抗生素降解菌种为核心的复合微生物菌剂在猪粪抗生素去除中的作用,探究接种菌剂对猪粪堆肥理化进程以及细菌群落演替的影响.结果表明,抗生素降解菌剂接种处理猪粪中抗生素去除率达81.95%,与对照相比,其抗生素残留总量下降42.18%.在堆肥条件下,接种抗生素降解菌剂促进了猪粪堆肥升温,加速了堆体水分去除,降低了堆肥中氨气和硫化氢累积排放量,使得堆肥产物中氮磷钾总养分含量和萝卜种子发芽指数分别提高6.80%和68.33%,同时堆肥产物中稳定性有机质含量增加,纤维素和半纤维素等难分解物质含量下降.细菌群落结构分析指出,接种菌剂提高了堆肥中放线菌门和厚壁菌门细菌的相对丰度,其中与堆体升温正相关的嗜热菌丰度显著增加（P<0.01）,而致病细菌相对丰度下降.细菌群落共现网络分析表明,接种菌剂改变堆肥土著细菌群落互作模式,降低了细菌群落网络的复杂度和连通性,优化了有益细菌与其他菌群的生态关系,为建立新的和更加健康的堆肥细菌群落奠定了基础,可为抗生素降解菌剂在堆肥中的应用开发提供了科学依据.     

好氧堆肥微生物代谢多样性及其细菌群落结构

好氧堆肥是农业废弃物无害化处理和资源化利用的一条有效途径.为了探究好氧堆肥过程中微生物群落的代谢特征和细菌群落演替现象,了解起关键作用的微生物菌群,通过筛选强降解菌种改善堆肥工艺、提高堆肥效率,采用Biolog法和宏基因组法分析了玉米秸秆和牛粪联合好氧堆肥过程中微生物的碳源代谢能力和细菌群落多样性.结果表明:在第2次翻堆（第14天）时,微生物利用碳源的能力最强,初次建堆时（0 d）和其余翻堆时（第8、20、26天）次之,发酵结束时（第34天）最弱.Simpson、Shannon-Wiener和McIntosh多样性指数表明,建堆时及翻堆时的菌群优势度、丰富度和均匀度均极显著优于好氧堆肥结束.不同好氧发酵时间的微生物群落对同一碳源代谢有差异,同一好氧发酵时间微生物群落对不同碳源的利用率不同.糖类、酸类和醇类是区分好氧堆肥不同时间微生物碳源利用差异的敏感碳源.好氧堆肥不同时间细菌的种类和丰度不同,共享的优势菌门有厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）,在第0、8、14、20、26、34天这6个时间内它们的相对丰度之和分别达90.27%、90.34%、94.26%、84.21%、84.31%和77.61%,且6种门类在不同发酵时间的丰度表达存在消长变化状态.研究显示,参与好氧堆肥不同时间的微生物群落在碳源代谢能力上存在多样性,在细菌菌群的种类和丰度上也存在多样性.      

林可霉素菌渣堆肥微生物群落多样性分析

本试验以林可霉素菌渣-猪粪为原料、污泥-猪粪堆肥作对照,研究了林可霉素菌渣堆肥过程中残留林可霉素的降解情况,并基于Illumina Mi Seq高通量测序分析了林可霉素菌渣堆肥过程中微生物菌群的变化.结果表明:通过堆肥处理可以大幅度降解林可霉素菌渣中残留的林可霉素,经过33 d的堆肥处理后,林可霉素的残留量从最初的1 800 mg·kg-1降到483mg·kg-1,降解率高达73%.同时高通量测序结果表明,由于高含量的林可霉素残留,在堆肥初期和高温期林可霉素菌渣堆肥中细菌群落的分布丰度和多样性指数均低于污泥-猪粪堆肥,但真菌群落丰度和多样性均高于污泥-猪粪堆肥.林可霉素菌渣堆肥中细菌主要以Paucisalibacillus、Cerasibacillus、Bacillus、Virgibacillus、Ureibacillus、Paenibacillus、Sinibacillus属为主,而污泥-猪粪堆肥中主要以Truepera、Actinomadura、Pseudosphingobacterium、Pseudomonas、Luteimonas、Ureibacillus属为主,两者堆肥中微生物群落结构存在显著差异.随着堆肥进入腐熟期,林可霉素残留大幅度降解,抗生素对微生物的胁迫减小或解除,林可霉素菌渣-猪粪堆肥和污泥-猪粪堆肥相比,无论是细菌还是真菌,其微生物群落已逐渐趋同.表明堆肥处理可以大幅降解林可霉素残留,增加微生物多样性,有利于实现林可霉素菌渣无害化处理和资源化利用.     

PCR-DGGE技术对城市餐厨垃圾堆肥中细菌种群结构分析

使用基于16S rDNA的PCR-DGGE(变性梯度凝胶电泳)技术对城市餐厨垃圾堆肥过程中细菌种群结构随时间的变化进行了研究.在堆肥不同时间取样,进行了堆肥温度、pH、含水率、有机质、C/N的变化分析和DGGE分析.结果显示,堆肥温度高于50℃的天数为7d,最高达65℃,可有效杀灭致病菌;最终pH值接近7.5;C/N为20.04.PCR-DGGE图谱显示,不同时间堆肥样中细菌DGGE图谱有着明显的差异性;堆肥升温期细菌种群丰富,优势种群不明显;高温期细菌种群减少,优势种群明显;降温期细菌种群结构基本保持稳定.温度对堆肥过程中细菌种群具有明显的筛选作用.堆肥各阶段DGGE图谱相似性Cs值比较低,堆肥处理后细菌种群结构与堆肥原料之间存在明显差异.     

微生物复合菌剂对污泥好氧堆肥过程的影响

研究了黄孢原毛平革菌与枯草芽孢杆菌复合菌剂在剩余污泥静态强制通风好氧堆肥中的作用.结果表明,根据堆肥过程中的温度(0~5d为中温阶段,6~12d为高温阶段,16~28d为腐熟阶段)变化,复合菌剂的变化导致堆体细菌数量明显高于空白堆体,且堆体中的嗜热真菌在高温期显著增多,促进了有机物的降解,加速了堆体的腐熟.试验组萝卜种子发芽指数(GI)相对空白组提前3d达到了50%,表明复合菌剂的加入迅速地降低了堆体的生物毒性,但由于相对浓缩效应使得堆肥产品Cd含量略有增加.     

不同通风方式对污泥堆肥的影响

采用2种通风方式和5种调理剂进行污泥堆肥,堆温均能顺利达到设定温度(60℃),并能保持一段高温期,堆肥产品的卫生学指标达到了无害化国家标准.同采用正压强制通风相比,采用自然通风与正压强制通风相结合方式,堆温上升迅速,能耗更低.但正压强制通风能加快堆料含水率的降低和有机质的降解.堆料含水率能极大地影响污泥堆肥过程,堆料的含水率不宜超过80%,在污泥堆肥过程中不必对堆料的pH值进行调整.     

分阶段接菌对中药残渣堆肥腐熟度及微生物多样性的影响

堆肥通常用于处理有机固体废弃物,可通过接种木质纤维素降解功能菌群提高堆肥进程及产品品质.然而,堆肥过程中传统的功能菌群一次性添加方式,不仅造成了堆肥过程中较低的堆肥效率,而且堆肥产品品质也并不稳定.为了探究基于不同接种方法对堆肥过程腐熟度和品质的影响,设置M0（不接菌）、M1（分阶段接菌）及M2（一次性接菌）3个好氧堆肥处理,考察各处理堆肥过程中理化性质变化、木质纤维素降解及微生物群落多样性.结果表明:M1处理下,堆肥至第20天,堆体温度达到51.2℃且拥有最高的嗜热温度（67.8℃）;堆肥至第67天,发芽指数达到83.61%.此外,M1处理下腐殖质增长率、总有机碳降解率、纤维素降解率和木质素降解率均最高,分别为50.20%、53.86%、59.87%和40.61%,远高于其他2个处理.变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析显示,在嗜热期,真菌种群对于木质纤维素生物降解的作用比细菌种群更加突出,并且受到总磷含量、pH、碱解氮含量和碳氮比的显著影响.研究显示,分阶段接菌可以显著提高堆体温度及堆体中木质纤维素降解酶活性,促进堆体腐熟进程及堆肥产品中腐殖质等养分积累.      

双氰胺对污泥堆肥过程中酶活性和细菌群落演变的影响

鉴于氮肥增效剂在农田中的保氮经验,研究其对堆肥中氮素的保持具有重要意义.因此,本研究以氮肥增效剂-双氰胺（Dicyandiamide, DCD）为添加剂,脱水污泥为堆肥原料,进行了20 d的堆肥试验,探讨DCD对堆肥过程中氮素转化和酶活性变化及其细菌群落演变的影响.结果表明,DCD的添加降低了堆肥高温期的温度,延长了高温期的持续天数;DCD组显著降低了高温期NH₄-N的含量和整个时期NO₃-N的含量.堆肥结束时,总氮含量与对照相比提高了14.8%.此外,DCD的添加抑制了高温期纤维素分解酶和蛋白酶的活性,抑制了整个过程的硝酸还原酶的活性,而且高温期时,DCD组中厚壁菌门和绿弯菌门的丰度显著低于对照.冗余分析表明,NH₄-N、pH和温度主要影响高温期时酶的活性,NO₃-N和总氮主要影响稳定期时酶的活性.综上所述,DCD通过降低高温期的微生物丰度和相关酶活性,减缓了高温期的氨化作用和后期的硝化作用,减少了氮素损失,是一种可行的污泥堆肥添加剂.     

土霉素降解菌TJ-1在猪粪无害化处理中的作用

利用普通理化分析结合Biolog微平板技术研究了土霉素高效降解菌Staphylococcus sp.TJ-1在新鲜猪粪无害化处理中的作用.结果表明,土霉素高效降解菌的接种能显著提高猪粪中土霉素的降解效率(p＜0.05),21d堆肥结束时可将土霉素降解率从62.7％提升至82.0％.堆肥结束后,不接种降解菌的普通堆肥工艺和接种降解菌的高效堆肥工艺中NH+4-N含量分别为189.34、42.36 mg·kg-1,NO-3-N含量分别为439.38、238.06 mg·kg-1.Biolog结果显示,土霉素降解菌TJ-1对土霉素中碳源的代谢有利于堆体中氨基酸类及芳香族化合物等氮源的降解,缓解了堆体中有毒有害物质对其他微生物的损伤,保证了微生物群落的多样性和活性,对维护堆体生态系统的稳定性具有良好作用.因此,接种高效降解菌进行堆肥是一种良好的消除抗生素残留的猪粪无害化工艺.     

覆盖处理对猪粪秸秆堆肥中氮素转化和堆肥质量的影响

为了探讨覆盖措施对堆肥化中氮素转化与堆肥质量的影响,在自制的强制通风静态堆肥箱中,模拟研究了覆盖腐熟堆肥后,下层猪粪秸秆堆肥及覆盖层中氮素形态和其他腐熟度指标的变化.结果表明:覆盖处理降低了下层堆肥中的含水率、种子发芽指数(GI值)、升温期和高温期的pH值,增大了降温期后的堆肥电导率EC值,而对堆温影响不大.覆盖处理未改变堆制初期下层堆肥中氨气的释放总量,只延缓了氨气的释放时间,但明显增加了降温期后堆肥中硝态氮和有机氮的含量.在堆制期间,覆盖处理的下层堆肥中硝态氮、有机氮、总氮和总磷含量的增幅分别比对照高66.7％、33.8％、32.7％和138.6％;而有机碳降解率、铵态氮和腐殖质含量的降幅则分别比对照低1.1％、8.0％和3.7％.覆盖层中pH值、铵态氮和硝态氮含量的变化说明腐熟堆肥能够吸收下层堆肥释放的氨气并进行硝化作用;覆盖层的腐熟堆肥总体上进行了矿化作用,从而影响了下层堆肥的氮素转化过程及质量.     

外源酶对秸秆堆肥进程的影响及腐熟度模糊评价

为探讨外源酶制剂对秸秆堆肥腐熟进程的影响,通过模拟堆肥试验研究了分别添加纤维素酶、蛋白酶,以及纤维素酶与蛋白酶混合添加情况下堆肥各项指标的动态变化规律,并利用模糊综合评价法对堆肥腐熟度进行了评价.结果表明,纤维素酶与蛋白酶配合使用对堆肥中纤维素的降解及氮素释放都有较强的促进效果,与对照处理相比,纤维素含量降低了14.9%,C/N降低了18.4%,发芽指数提高了6.0%;单施外源纤维素酶主要是促进了纤维素类物质降解速率,显著提高了发芽指数;单施外源蛋白酶则显著促进了含氮物质的分解,铵态氮及硝态氮含量提高;通过对E4/E6、NH+4-N、NO-3-N、C/N、发芽指数等指标进行模糊综合评价,得出纤维素酶与蛋白酶的配合使用对于促进堆肥腐熟效果最佳,其次是纤维素酶堆肥和蛋白酶堆肥,常规堆肥腐熟程度最低.可见,纤维素酶与蛋白酶配合使用对堆肥腐熟有更好的促进效果,可以推测外源纤维素酶和蛋白酶对于促进堆肥腐熟具有协同作用.     

Turnover and loss of nitrogenous compounds during composting of food wastes

Few people have so far explored into the research of the dynamics of various nitrogenous compounds (including water-soluble nitrogen) in composting of food wastes. This study aimed to investigate the solid-phase nitrogen, water-soluble nitrogen, nitrogen loss together with ammonia volatilization in the process of food wastes composting. A laboratory scale static aerobic reactor in the experiment was employed in the composting process of a synthetic food waste, in which sawdust was used as the litter amendment. In the experiment, oxygen was supplied by continuous forced ventilation for 15 days. The results have shown that the concentrations of total nitrogen and organic nitrogen decrease significantly in the composting process, whereas NH₄ ⁺-N concentration increases together with little fluctuation in NO₃ ⁻-N. After composting, the total content of the water-soluble nitrogen compounds in the compost greatly increased, the total nitrogen loss amounted to 50% of the initial nitrogen, mainly attributed to ammonia volatilization. 56.7% of the total ammonia volatilization occurred in the middle and late composting of the thermophilic stage. This suggested that the control at the middle and late composting of thermophilic stage is the key to nitrogen loss in the food waste compost. __________ Translated from Environmental Science and Technology, 2006, 29(12): 54–56, IV–V [译自: 环境科学与技术]     

不同堆肥工艺处理的城市污水污泥对滨海湿地土壤中养分释放特征和潜力的影响

通过土壤培养实验研究了4种不同堆肥［纯城市污水污泥堆肥、玉米秸秆生物炭（CSB）改良堆肥、益生菌菌剂（EM）改良堆肥和CSB+EM改良堆肥］在土壤中的碳、氮、磷和钾等养分释放特性及其对土壤溶解有机质（DOM）光谱特征、微生物群落的影响.结果表明,堆肥添加可显著降低土壤的pH,提高土壤的电导率,同时提高土壤中植物可利用养分［如可溶性有机碳（DOC）、NH₄⁺-N、NO₃^--N、速效磷（AP）和速效钾（AK）］含量;比较不同堆肥发现CSB+EM改良堆肥（CSB+EM-C）具备更高的养分释放潜力,且同时显著提高土壤DOM的腐殖化程度;高通量测序结果发现堆肥添加可以增加优势菌门水平上的相对丰度（如变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门）,但不同堆肥之间有所差异,其中CSB+EM-C的提高潜力最大.综合上述结果证实CSB+EM的堆肥工艺具有最佳的堆肥养分供应和改善土壤质量的潜力.该研究能够为建立有效的城市污水污泥资源化利用和滨海湿地退化土壤改良综合技术策略提供科学的理论依据.