解磷微生物强化堆肥磷组分转化研究进展_贾凯雪 (1).pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220810基金项目:国家自然科学基金(32071552)第一作者:贾凯雪(1999)，女，硕士，主要研究方向为有机废弃物资源化。aurorajkx 163com*通信作者:魏雨泉(1991)，男，博士，副教授，主要研究方向为有机废弃物资源化与微生物生态。weiyq2019 caueducnDOI:10.13205/jhjgc202212012贾凯雪，徐少奇，魏自民，等 解磷微生物强化堆肥磷组分转化研究进展 J 环境工程，2022，40(12):8997解磷微生物强化堆肥磷组分转化研究进展贾凯雪1，2徐少奇1，2魏自民3陈文杰1，2詹亚斌1，2师雄4李季1，2魏雨泉1，2*(1中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193;2中国农业大学有机循环研究院(苏州)，江苏 苏州 215100;3东北农业大学 生命科学学院，哈尔滨 150030;4中国长江三峡集团有限公司 长江生态环境工程研究中心，北京 100038)摘要:好氧堆肥是有机废弃物资源化的有效途径之一，但堆肥产品的供磷肥力较化肥相差甚远，使得有机废弃物堆肥产品在市场上存在竞争短板，因此，调控堆肥磷素资源有效性和磷组分转化具有重要意义。针对堆肥过程中可促进难溶性磷活化的解磷微生物，利用微生物强化和微生境调控手段，提高磷转化相关功能微生物在堆肥中的相对丰度和活性，能够显著改善堆肥过程磷组分形态，提升有效磷含量，但该过程易受到物料来源、堆肥过程工艺条件、微生物种间关系等多重因素影响。因此，综述了堆肥磷素转化规律及堆肥解磷微生物动态特征，阐述了外源接种解磷菌剂和堆肥添加生物炭等内源调控堆肥微环境的解磷微生物强化方法，讨论了堆肥内源、外源解磷微生物调控的关键限制因子(温度、C/N、含水率等)，以期为探索堆肥磷素定向转化调控技术、开发富磷堆肥产品提供理论依据。关键词:堆肥;磷素转化;解磷微生物;微环境调控;微生物接种EVIEW ON PHOSPHOUS FACTIONS TANSFOMATION IN COMPOSTING ENHANCEDBY PHOSPHOUS-SOLUBILIZING MICOOGANISMSJIA Kaixue1，2，XU Shaoqi1，2，WEI Zimin3，CHEN Wenjie1，2，ZHAN Yabin1，2，SHI Xiong4，LI Ji1，2，WEI Yuquan1，2*(1College of esources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China;2Organic ecycling esearch Institute(Suzhou)of China Agricultural University，Suzhou 215100，China;3College of Life Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China;4Yangtze Eco-Environment Engineering esearch Center，China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，China)Abstract:Aerobic composting is one of the effective ways to recycle organic waste However，the phosphorus supply ofcomposting products is inferior to chemical fertilizers，resulting in weak competition of organic waste composts Therefore，it isof great significance to regulate the availability of compost phosphorus resources and the transformation of phosphoruscomponents For phosphorus-decomposing microorganisms that can promote the activation of insoluble phosphorus in thecomposting process，the relative abundance and activity of functional microorganisms related to phosphorus transformation inthe compost can be improved by microbial enhancement and microhabitat regulation，which can significantly improve the formof phosphorus components and increase the effective phosphorus content in composting However，this process is vulnerable tomultiple factors such as material sources，composting process conditions，microbial species relationships，etc Therefore，thispaper summarized the transformation law of phosphorus in compost and the dynamic characteristics of phosphorus decomposingmicroorganisms in compost，expounded on the strengthening methods of phosphorus decomposing microorganisms forendogenous control of the compost microenvironment，such as exogenous inoculation of phosphorus decomposing bacteria andaddition of biochar in compost，and discussed the key limiting factors(temperature，C/N，moisture content，etc)for the环境工程第 40 卷regulation of endogenous and exogenous phosphorus decomposing microorganisms in compost It can provide a theoretical basisfor exploring the directional transformation and regulation technology of phosphorus in compost and development of phosphorus-rich compost products in the futureKeywords:composting;phosphorus transformation;phosphate-solubilizing microorganism;microenvironment regulation;microbial inoculation0引言好氧堆肥是减量化、资源化、无害化处理有机固体废弃物的一种重要技术手段。通过堆肥制备的有机肥有助于提高土壤肥力，改善土壤结构，已广泛应用于农业生产，对农业经济、环境和社会效益有深远影响。据统计，我国每年产生的有机废弃物超过 5.0109t(以鲜重计)，其养分储量折合 N 约 3.0107t、P2O5约 1.5107t、K2O 约 3.0107t，超过全年化肥养分的使用总量(约 6.0107t)1-4。因此，基于好氧发酵技术的有机废弃物肥料化策略不仅可避免有机废弃物堆积对环境造成直接污染，还可循环利用有机废弃物中氮磷钾等营养资源，对减少我国化肥的施用和生产，促进农业绿色可持续发展意义重大。与化学肥料相比，有机废弃物堆肥并不能立即提供植物生长和发育所需的可利用氮、磷和钾等元素，但却能通过改善土壤结构，使得土壤达到平衡状态来改善作物生长状况。然而，其营养物质植物有效性低也造成了其在肥料市场上的竞争劣势5。因此，改善堆肥中大量营养元素含量和有效性是有机堆肥高值化发展的重要方向。磷(P)是土壤中限制作物产量的第 2 大营养元素，全球磷矿储量仅可满足未来50100 a 需求6，我国约 90%磷矿石为中低品位磷矿，而中低品位磷矿必须经过选矿工艺提高品位，才能用于生产磷酸与高浓度磷基肥料7。若中低品位磷矿能在农业上直接利用，便可避免选矿富集的工艺过程造成的磷损失和环境问题，显著降低生产成本和能耗，延长我国磷矿的使用年限8。近年来，将农用磷肥生产与有机固体废弃物堆肥资源化处理有机结合，即将低品位难溶性磷矿粉添加到堆肥中制备富磷堆肥已成为改善堆肥磷营养含量和有效性的热点9。多项研究证实:在生活垃圾等堆肥原料中添加难溶性磷矿粉，可显著影响堆肥中植物可利用磷组分比例，堆肥可利用磷与有机酸含量具有明显的相关性，且在水稻秸秆堆肥中难溶性磷矿粉的转化会伴随着酸性与碱性磷酸酶活性的提高10-13。可见，添加磷矿粉等难溶性磷的富磷堆肥不仅有效提高了低品位磷矿粉中磷素利用率，也增加了堆肥产品全磷含量和有效磷含量。解磷微生物(phosphate-solubilizingmicroorganism，PSM)能够通过释放有机酸、铁载体、质子、羟基阴离子、CO2和细胞外酶等多种机制，将难溶性磷酸盐分解，或间接使难溶性磷酸盐中的磷释放并矿化，提升底物中磷的活性14。虽然部分研究报道了 PSM 在土壤中的分布及其对根际磷素活化的机制与应用15-17，但关于不同有机废弃物来源堆肥解磷微生物的组成结构、解磷微生物与磷组分动态相互作用、生物强化堆肥中解磷微生物调控磷素转化的主要影响因素仍鲜有报道。在有机循环产业快速发展的大背景下，根据“以废治废”理念提升有机废弃物堆肥产品的磷营养水平具有广阔应用前景，而充分掌握 PSM 在堆肥过程中的群落特征及其参与磷素转化的影响因素能为进一步提升富磷堆肥中难溶性磷活化效率和堆肥产品品质提供先决条件。因此，本文综述了堆肥磷素转化规律和途径以及堆肥解磷微生物动态特征，阐述了外源接种解磷菌剂和堆肥内源添加生物炭等调控堆肥微环境的生物强化方法，讨论了堆肥内源、外源微生物调控的主要途径和关键限制因子(温度、C/N、含水率等)，从而为富磷堆肥磷素定向转化调控技术提供支撑。1堆肥磷转化与解磷微生物1.1堆肥磷素转化的规律及途径在堆肥体系中，磷元素具有仅在固相和液相中参与、无显著气体成分的独特特征。堆肥磷素转化过程机制起源于土壤磷循环的研究。已有研究表明，堆肥中磷吸附解吸过程与土壤磷循环过程类似。许多土壤微生物可将植物难以利用磷转化为可利用磷，促进土壤有效磷含量的增加18。由于堆肥中的微生物种群丰度和多样性相对较高，难溶性磷添加的堆肥过程可看成是土壤磷转化的一个快速进程19。在堆肥过程中，随着微生物群落中细菌、真菌和放线菌的不断演替，其活跃的代谢活动往往引起有机质不断降解20-22，同时释放较多有机弱酸，可较大程度地溶解09第 12 期贾凯雪，等:解磷微生物强化堆肥磷组分转化研究进展无机磷23，24。与土壤不同的是，堆肥过程没有植物对磷素的吸收作用，但从堆肥产品土