农业废弃物资源化利用的微生物学途径探讨

农业废弃物资源化利用的微生物学途径探讨李鸣雷谷洁高华秦清军（西北农林科技大学资环学院陕西杨凌712100）摘要：结合我国面临的资源短缺现状和大量农业废弃物没有得到有效再利用的实际，本文对农业废弃物及其资源化利用的概念进行了系统的描述，提出利用微生物途径进行农业废弃物资源化利用对实现国家可持续发展战略的具有重要意义，通过农业废弃物的肥料化、沼气化、食用菌栽培和饲料化，把种植业、养殖业和居民生活的各方面都纳入到可持续农业发展系统中，实现农业资源的循环利用。关键词：农业废弃物，资源化，肥料化，沼气化，食用菌，饲料化1.引言农业废弃物（agriculturalresidue）是指人类在组织农业生产过程中所丢弃的有机类物质的总称[1]，按其来源不同可分为下述几种类型:(1)植物性废弃物,主要是指农作物秸秆、林木枝条、杂草、落叶、果实外壳等，我国每年有10亿吨左右的种植业废弃物；(2)动物性废弃物,主要是指畜禽粪便，我国每年产生畜禽粪便27亿吨；(3)农副产品加工产生的废弃物，如果渣、土豆渣、屠宰污血等；(4)农村居民生活废弃物,包括人粪尿及生活垃圾。随着我国农业现代化的发展，传统的农业废弃物处理方法已不适应现代社会的要求，过量的农业废弃物已经对农村生态环境造成了严重的压力，据统计，我国农业废弃物的年产生量已由1994年的30.1亿吨，增至2002年的48.8亿吨，但利用率却由1994年的49%下降到2003年的34%[18]。目前，约30%的农作物秸秆被焚烧，约10%的秸秆长期堆放于沟渠、路边，严重污染大气与水环境。全国养殖场的畜禽粪便进入水体的流失率高达25%～30%，有的专家认为平均已达35%～40%，而东部地区更高，畜禽粪便的集中弃置导致养殖场周围污水横流、臭气熏天，直接对地下水造成污染，还会造成环境污染与自然生态恶化，全国养殖场的COD（化学耗氧量，表示水质污染程度的一个重要指标）约占全国COD污染负荷的36.5%，高于工业废水的31.6%和生活废水的31.9%，而我国的畜禽粪便总产生量则已达工业固体废物产生量的2.2倍。自然界中的生物主要有植物、动物和微生物三大类[2]，它们分别具有不同的作用，植物可以通过光合作用利用太阳能将无机物转化为有机物而被称为生产者；动物主要以植物为食物来满足其新陈代谢的需要叫消费者；微生物则能够利用动植物的代谢产物或动植物的尸体维持其生存，微生物作为自然生态系统的基本组分，履行着主要分解者的作用，是物质循环的重要一环，推动着自然界养分元素的生物地球化学循环过程，微生物是大自然元素的平衡者[6]。它们在长期的进化过程中建立了一种动态的平衡关系。农业要实现可持续发展战略，必须由植物、动物资源组成的传统“二维结构”农业，调整为以植物、动物和微生物资源组成的“三维结构”的新型农业[5]。从资源经济学的角度上看,农业废弃物本身就是某种物质和能量的载体,是一种特殊形态的农业资源，农业废弃物中蕴含着丰富的能源和营养物质，在中国每年产生的农业废弃物约合7亿t的标准煤，其中氮磷钾总贮量约为7000万吨，因此，农业废弃物是一类具有潜在利用价值的农业资源，是一种放错了地方的资源[1]。农业废弃物的资源化利用是指通过一整套废物综合利用技术,使农业废弃物的循环再生利用成为连接农业生产不同环节的纽带,从而把种植业、养殖业和农产品加工业联成一个有机整体,成为完整而协调的大农业生产系统。因此,农业废弃物的资源化利用问题,就成为当今农业与农村可持续发展中的一个重要课题。2.农业废弃物资源化利用的微生物学途径2.1肥料化堆肥化可以实现农业废弃物的减量化、无害化和资源化的处理目标[5]，堆肥技术是利用微生物的作用，将不稳定的有机质转变为较稳定的有机质，使废弃物中挥发性物质含量降低，臭味减小，物理性状明显改善。高温堆肥还可杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，堆肥产品作为土壤改良剂和植物营养源。堆肥化成功的关键是使微生物正常繁衍，使用适当地的微生物接种剂可以加速农业废弃物的堆肥进程，汪恒英等（2003）采用室外堆肥的方法,对嗜热球杆菌在猪粪堆肥中的作用及腐熟度指标进行了初步研究，结果表明,该菌株能有效加快堆肥的腐熟进程[14]。笔者也进行了农业废弃物腐解菌剂的研制工作，获得的微生物复合菌剂已经应用于农业废弃物的肥料化利用[4]。生物有机肥料是以农业废弃物为基质，经过多种具有降解功能的微生物的发酵制成有机肥料，然后添加适量的有益微生物菌剂制成的一种新型肥料[6]。各种农业废弃物通常含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素,经好氧堆肥发酵后可制成堆肥。与化肥相比,它具有营养全面、肥效长、易于被作物吸收等特点,对提高作物的产量和品质、防病抗逆、改良土壤等具有显著功效。制造简单方便,可利用的原料种类丰富,成本低,具有广泛的群众基础。有机无机复混肥料是指在无机复混肥料中加人大量的有机质形成的产品。有机肥料肥效缓长，具有改良土壤作用，但不能满足高产作物的养分需要，而化学肥料肥效快而猛，但又会因施用不当而引起土壤酸化、板结和有机质含量下降等问题。有机无机复混肥料既有无机化肥肥效快的长处，又具备有机肥料改良土壤、肥效长的特点，近年来在我国试用效果明显，深受农民欢迎，是肥料发展的方向之一[7]。我国有机无机复混肥料的产业化在20世纪80年代后期兴起，2002年出台相关的国家标准。迄今为止，有机无机复混肥料的研究主要集中于其肥效的研究，以及生产工艺的研究等。2.2沼气化沼气发酵是指各种农业废弃物在厌氧条件下被沼气微生物分解代谢，最终形成以甲烷为主要成分的混合气体的过程，是一个复杂的生物化学过程[11]。沼气技术是生物质能的开发和利用的重要途径，也是农业废弃物能源化利用的关键手段。沼气的综合利用即“三沼（沼气、沼液、沼渣）利用”在我国可持续农业发展战略中具有重要意义[15]。以沼气为纽带可促进物质和能量在系统内部有多重循环利用，如我国北方开发的“四位一体”高效种养结合发展模式[11]，即“太阳能温室－沼气池－猪圈－厕所”、“温室猪圈－沼气池－厕所－果园”[10]和南方的“猪圈－沼气池－果园”模式，可使一切有机残体和废弃物无害化和资源化，是一条适合我国国情的农村发展之路。在利用沼气作为能源的同时,充分利用沼气发酵残余物作为优质的有机肥料和饲料的功能,形成以沼气为纽带的“饲料-肥料-能源-环境”复合生态工程,具有较高的经济效益和社会效益。经过试验与示范,在北方地区形成了将沼气池和猪禽舍、厕所、蔬菜大棚有机结合的“四位一体”技术,既解决了北方寒冷地区沼气池安全越冬的问题,又促进了生猪的生长发育,缩短育肥期和节约饲料,同时还为大棚蔬菜提供优质肥料,提高蔬菜产量和质量,增加农民收入,具有土地、能源、时间、劳动力等高度利用和生产发展、环境改善、能源再生效益提高等综合效果。沼气工艺在亚洲国家应用较多,我国从70年代开始进行沼气利用及工艺的研究并进行推广,技术水平较先进。农村发展沼气池，是一项投资少，见效快，一次投资长期受益的好项目；是多层次有效综合利用农业资源，实现农业可持续发展战略的一项有效技术；是解决农村燃料短缺，提高用能品质，促进农民增收节支的有效途径；是保护生态，改善农村卫生环境的有效措施；是农村全面建设小康社会的必由之路，应加快推广。2.3栽培食用菌食用菌是一类子实体肉质或胶质可供食用的大型真菌，通常只包括少数几种子囊菌，决大多数种类是担子菌[12]。我国是世界上最早开始利用农业废弃物进行食用菌人工栽培的国家，香菇、黑木耳、草菇、平菇等多种食用菌的人工代料栽培技术都起源于中国。我国也是世界上最大的食用菌生产国和出口国，目前人工栽培的食用菌种类达20多种，产量约600万吨。食用菌都是大型的高等真菌，属于腐生菌，其菌丝体通过分泌胞外酶分解有机物质如纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、多糖等,人工栽培食用菌是以农业废弃物(如农作物秸秆、玉米芯、棉籽壳、锯木屑、牛粪、鸡粪等)为原料生产食用菌产品的过程,生产食用菌之后的培养料又可作为动物饲料或有机肥,实现了有机物质循环反复利用,达到了农业生态环境的良性循环。食用菌栽培是一项“投入小、见效快、无风险”的高效农业项目，笔者曾经进行了渭北旱原利用果树修剪枝条栽培香菇技术研究与推广，结果表明，每亩苹果园每年的修剪枝条达150kg，可以栽培100袋香菇，生产鲜香菇100～150kg，每亩果园在不影响苹果生产的前提下增加产值400元以上，产生了显著的经济、社会和生态效益。农业废弃物经食用菌菌丝的分解作用,分泌出某些激素类和特殊生物活性酶,加上菇渣中菌体蛋白的大量存在,因此用菇渣作肥料比用秸秆堆沤的肥料有更多的可给态养分和更好的增产效果；用果树修剪枝条栽培香菇后木质素降解了20%～30%,粗纤维降解了15%～50%,粗蛋白由2%～3%提高到10%～17.14%,氨基酸含量增加到5%～6%,特别是含有多种禽畜体内不能合成的、一般饲料中又缺乏的必需氨基酸和菌类多糖，因此,栽培香菇的下脚料作为菌糠饲料又具有食用菌的清香味,且适口性好,有利于提高畜禽产品的产量和质量[17]。饲料化微生物蛋白也称菌体蛋白或单细胞蛋白(SCP),指应用微生物工业生产技术,采用生物工程手段,将谷物生产加工下脚料、木屑、秸秆、畜产品加工废物等转变为微生物蛋白产品。这种饲料营养价值高,营养素配比合理,消化率高;应用的微生物包括细菌、酵母菌、霉菌及微型藻类。主要有液体发酵和固体发酵两种方式。这种方法可以实现工业化生产,生产繁殖快,营养价值高,而且可以利用的废弃物种类丰富。此法起源于德国,前苏联处于领先地位。我国研究的起步较早,但进展缓慢,生产能力较低。杨树林等（2003）采用宇佐美曲霉等4种真菌与热带假丝等酵母菌对农业废弃物秸秆进行混合发酵制取蛋白，产物中必需氨基酸含量高于联合国粮农组织（FAO）规定标准，蛋白含量超过玉米和小麦，可作为动物的蛋白饲料[13]。青贮是在缺氧环境中乳酸菌大量繁殖从而将桔杆中的淀粉和可溶性糖变成乳酸，乳酸积累到一定浓度抑制了腐败菌的生长，秸秆得以长期保存。秸秆青贮后，其营养成分损失较少，适口性有很大提高，而且如果添加尿素、氨化物，还可增加其粗蛋白含量。同时，青贮还可以消灭害虫及杂草，很多危害农作物的害虫多寄生在收割后的秸秆上越冬，如果把这些秸秆铡碎青贮，由于青贮料里缺乏氧气，并且酸度较高，就可将许多害虫的幼虫杀死。例如，经过青贮的玉米秸，玉米钻心虫会全部失去生活能力[14]。用优选的瘤胃微生物曲种,经发酵,将纤维素含量高的各种粗饲料转化为广谱性畜禽鱼饲料,这种饲料纤维素分解率高,营养价值高,适口性好。该法可在常温下发酵,既可建厂进行规模生产,又可建立种曲厂向农户供应曲块及发酵营养素粉,由农户自行发酵,技术容易掌握。我国从70年代起研究此项技术,到80年代末取得了突破。3结论我国是一个农业大国，以农作物秸秆、畜禽粪便和林木枝条为主的农业废弃物资源十分丰富,但并未得到有效利用，反而对农业生态形成了一定的压力；同时，我国也是一个资源相对贫乏的国家，面临着水资源短缺、能源不足、土地资源锐减、人口增长过快等多种矛盾，如何科学利用农业废弃物这一具有潜在利用价值的资源对于实现可持续发展战略意义重大。微生物在农业废弃物资源化利用过程中具有关键性的作用，接种微生物菌剂可以促进农业废弃物的堆肥化进程，实现农业废弃物的肥料化利用；对农业废弃物进行厌养发酵能够使其转化为以甲烷为主的能源，解决农村居民的照明与燃料问题，而沼液和沼渣也可应用于农作物栽培和畜禽养殖；大多数的食用菌可以利用农业废弃物作培养基，生长出人类所喜食的食用菌产品，其下脚料亦可作为饲料或肥料利用；经过多种微生物的作用，以农作物秸秆为主的农业废弃物可以被处理成动物所喜欢的饲料。根据自然资源废弃化和废弃物资源化理论,废弃物的产生是不可避免的,但废弃物是资源的