生物堆肥现状及其发展前景

生物堆肥的现状与发展前景

丁宇

摘要：综述了有机固体废弃物堆肥微生物学的研究方法的最新进展，以及堆肥过程中微生物的研究现状，提出了堆肥微生物学研究存在的主要问题和发展趋势。

关键词：堆肥；微生物学；微生物；有机固体废弃物

人类为满足自身活动的需要，在生产和生活过程中会产生大量的有机固体废弃物。这些有机固体废弃物主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、城市生活垃圾以及污水处理厂污泥。随着其产量的不断增长，有机固体废物的累积和对环境污染的日趋严重，其处理处置已成为人类面的重要问题之一。

堆肥作为一种保持良好环境效应的产物，具有生物处理的可持续性和废弃资源的循环利用等特征，已被许多国家和地区所接受，成为处理有机固体废物的有效方法之一。堆肥化的实质是微生物在适宜条件下的代谢作用。国内外学者对堆肥微生物学进行了广泛研究。微生物在堆肥过程中扮演着重要角色，不仅与堆肥周期、堆肥质量密切相关，还与臭味控制、氮损失紧密相关。因此，堆肥微生物学研究对开发堆肥微生物资源，加速堆肥过程，缩短堆肥周期，提高堆肥质量，减少堆肥过程中的氮损失、

臭气挥发和产生具有重要意义。

1堆肥微生物学研究方法

分离、培养和生理生化鉴定是堆肥微生物学的传统研究方法。然而，微生物种类繁多，自然界中仅有极少数微生物得到鉴定，“存活而能培养”的种类至多为1％。近年来，随着研究手段的改善和研究方法的创新，一些新研究新方法应运而生，为堆肥微生物学的研究提供了新的途径。

l，1分离培养方法

传统培养分离方法是最早的认识微生物群落结构和多样性的方法，也是微生物学研究的经典方法，自1880年发明以来一直到现在仍被广泛使用。传统培养分离方法是将定量样品接种于培养基中，在一定的温度下培养一定的时问，然后对生长的菌落计数和计算含量，并通过在显微镜下观察其形态构造，结台培养分离过程生理生化特性的观察鉴定种属分类特性。冯明谦等研究了滚筒式高温堆肥过程中微生物种类和数量，分离鉴定了细菌5属20 株、霉菌8属13株、放线菌1属3株、酵母菌2属2株。同时，结果表明，细菌和霉菌是堆肥过程中的优势类群，芽孢杆菌和曲霉菌是优势种。

分离、培养的方法采用·定配比的培养基和固定的培养温度，忽略了气候变化和生物相互作用的影响，具有明显的人工选择性。由于分离、培养法具有选择性，这种人工环境与原生境的偏差使得可培养的种类大大减少，很有可能遗漏一些有意义的微生物。同时，也制约了人们对堆肥微生物学机理的深入了解。

1．2分子生物学方法

分子生物学技术是通过检测样晶中微生物特定的DNA或RNA片段来判断某种微生物的存在与否。自从Muyzer等首次报道了16SrDNA应用，该技术现已成为环境样品微生物多样性研究的重要工具。利用16s rDNA进行微生物多样性研究具有有效、准确和偏好小等优点，引起了学者们的关注。

随着提取和纯化环境微生物总DNA的方法的改善和发展，保证了列提取的环境样品总DNA进行扩增。V on Wintzingemde等通过直接从样品中提取DNA进行分析发现，浚方法不

仅DNA产量高，而且节约时间，比分离培养造成的偏好小得多。LaMontagne等证实了上述结果的可靠性。Howeler等对堆肥样品微生物DNA提取、纯化方法及其质量进行了定量分析，定量研究腐殖质污染对电泳和PcR扩增的影响及其消除方法，为堆肥样品DNA的

提取和纯化提供了基本思路，也为后续研究奠定了技术基础。

1．2．1 PcR与DNA指纹技术

聚合酶链反应(PcR)是一项能把靶DNA量扩增百万倍或更多的技术，它彻底改革了分子生物学的方法学。PcR在1985年首次被发现，现在已成为包括与环境微生物学相关的重要实验方法。可以扩增环境中少量的DNA这一能力使检出非常灵敏。环境微生物DNA提取物中是不同微生物DNA的混合物，经PcR扩增后，其产物是等长但不同源DNA片断的混合物。混合物中序列的多样性和不同序列的丰度在一定程度上反映了原始样品中微生物种群的多样性和不同物种的丰度。经过大量研究，现已有多种DNA指纹技术，如末端片断长度多态性分析(T—RFLP)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)等。

Tiquia等采用T—RFlP方法通过测度16s rD·NA基因的多态性研究了堆肥过程中细菌群落结构。Kowalchuk等用DGGE法和竞争PCR法从不同的堆肥原料中得到了B—subgmup Proteobacteria中含有的具有氨氧化样的16s rRNA和rDNA序列。该研究小组2000年再次证实了PcRDGGE法的有效性和准确性。

1．2．2．DNA序列测定与系统发育分析为了得到更为精确的分析序列，需要将PcR 扩增产物克隆到载体中以构建文库。回收PCR扩增产物，将其克隆到载体中，经转化挑选并验证插入了目的片断。经验证后的克隆子利用ARDRA(Amplmed Ribosomal DNA restriction Analysis)方法进行筛选。

从克隆子中获取质粒DNA片断，可采用全细胞PcR扩增或质粒提取方法”1，但后者得到的质量较好。将上述得到的质粒进行测序，提交GenBank运行BLAsT程序与数据库中已知序列进行相似性比较。同时，还可利用the Ribosomal DaLabasePmject提供的分析软件进行同源性分析。构建系统发育树(Phylogenetic tree)常用到软件如MEGA和ARB。这两种软件可在相关数据库中得到。

对食品废弃物堆肥过程中高温期的微生物多样性的研究结果显示，通过建立文库、DNA 测序测定和系统发育分析，得到的22个16s rDNA序列已在GenBank数据库登陆；通过同源性比较得到的9个高温菌、9个放线菌属在堆肥中均未见报道。schloss等跟踪研究了堆肥起始阶段微生物群落。所不同的是，扩增的片断为16s一23s rRNA基因间隔区(AmsA)。

1．2．3杂交技术

核酸分子杂交技术是20世纪70年代发展起来的一种崭新的分子生物学技术。它是基于DNA分子碱基互补配对的原理，用特异性的cDNA探针与待测样品的DNA或RNA形成杂交分子的过程。由于它的高度特异性和灵敏性，近年来被广泛应用于微生物多样性的研究中。

根据研究对象的rDNA序列或者相关数据库中的信息设计探针，探针的设计要求专一性较高。该技术可以在4个层次上对特定的微生物在环境中的存在、分布和丰度等进行研究。第一层次是直接在环境样品上进行原位杂交，通过原位杂交不仅可以测定不可培养微生物的形态特征及丰度，而且可以在原位分析其空间分布和动态。第二层次是与富集分离的菌落进行全细胞杂交。最初是以放射性标记的rRNA靶探针用于显微镜鉴定单个的微生物细胞。随着技术的发展，荧光标记的rRNA探针与流式细胞计可对混合的微生物种群进行自动分析。第三层次是与环境样品中的提取出的DNA和rRNA进行数量印迹杂交。第四层次是与rDNA 的扩增产物或rRNA的反转录产物cDNA进行southem杂交。

16s rRNA基因探针研究堆肥过程中细菌群落的动态变化结果表明，细菌16s rRNA基因探针开始时仅达到37％的靶目标，但随后在第84h样品中达到最大值83％。用假单胞菌属和低G+c含量的革兰氏阳性rRNA基因特异性探针得到相应的靶结合率在16％～87％之间。