堆肥科学与技术课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章堆肥微生物学 第1页 第一节、堆肥微生物种类及特征l堆肥化是微生物作用于有机废物生化降解过程，微生物是堆肥过程主体。堆肥微生物来源主要有两方面。一方面是来自有机废物里面固有大量微生物种群；其次是人工加入特殊菌种。这些菌种在一定条件下对某些有机废物具有较强分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等特点，能加速堆肥反应进程，缩短堆肥反应时间。第2页 堆堆肥肥中中发发挥挥作作用用微微生生物物主主要要是是细细菌菌和和放放线线菌菌，还还有有真真菌菌和和原原生生动动物物等等。伴伴随随堆堆肥肥化化过过程程中中有有机机物物逐逐步步降降解解，堆堆肥肥微微生生物物种种群群和和数数量量也也随随之之发发生生改改变。变。第3页一、细菌l细菌是单细胞生物，形状有杆状、球状和螺旋状，有些还能运动。在好氧堆肥系统中，存在着大量细菌。细菌凭借大比表面积，能够快速将可溶性底物吸收到细胞中。所以在堆肥过程中，细菌在数量上通常要比体积更大微生物（如真菌）多得多。在早期堆肥生产实践过程中非菌丝体结构细菌，较含有菌丝体结构真菌和放线菌更难以被发觉，所以其主要性被忽略了。第4页假单胞菌 第5页二、放线菌l放线菌在分类学上是一类含有高G+C革兰氏阳性细菌，能够比细菌忍受更高温度和pH值，放线菌是含有多细胞菌丝形态细菌，所以它们又含有一些真菌特征。在堆肥化过程中它们在分解诸如纤维素、木质素、角质素和蛋白质这些复杂有机物时发挥着主要作用。它们酶能够帮助分解诸如树皮、报纸一类坚硬有机物。尽管放线菌降解纤维素和木质素能力并没有真菌强，不过它们在堆肥过程中高温期却是分解木质纤维素优势菌群。第6页第7页三、真菌l真菌不但能分泌胞外酶，水解有机物质，而且因为其菌丝机械穿插作用，还对物料施加一定物理破坏作用，促进生物化学作用。在堆肥化过程中，真菌对堆肥物料分解和稳定起着主要作用。堆肥过程中真菌总改变趋势与总微生物改变趋势相同，开始时堆肥原料中真菌以中温真菌为主，但数量少于细菌而与放线菌相近。中温真菌在堆肥过程中逐步降低，今后嗜热真菌逐步到达最大值，大部分真菌在堆体温度到达50时就不存在了，而当温度超出60时真菌几乎完全消失；当堆肥温度开始下降，温度低于45时，真菌数量又回升，此时堆肥底物以纤维素和木质素为主，所以推测真菌数量增加可能是因为堆肥中存在纤维素和木质素原因。第8页第9页米曲霉米曲霉烟曲霉烟曲霉 特异腐质霉特异腐质霉 嗜热毛壳菌嗜热毛壳菌 无孢菌群无孢菌群梭孢壳属梭孢壳属 渺小白霉渺小白霉 第10页四、古菌l古菌大多数为嗜热菌或超嗜热菌，最近研究发觉在堆肥中存在一些低丰度产甲烷古菌。同细菌比较其数量极低（贫养、代时长）。第11页五、病原微生物及其它微型生物l堆肥化不但要到达稳定有机废物目标，还要处理堆制过程中存在公共卫生问题，主要病原菌包含在原来废物中带有原生病原菌（primary pathogens）和堆制过程中产生真菌、放线菌等次生病原菌（secondary pathogens）。原生病原菌如细菌、病毒、原生动物和蠕虫卵可引发健康个体染病，而次生病原体则能够减弱免疫系统，如造成呼吸系统疾病等。当温度超出70时，在几天内能够到达灭菌目标，但在5060时需要连续时间为1020d。第12页l微型生物在堆肥过程中也发挥着主要作用。轮虫、线虫、跳虫、潮虫、甲虫和蚯蚓等低等生物经过在堆肥中移动和吞食作用，不但能消纳部分有机废物，而且还能增大表面积，并促进微生物生命活动。第13页第14页第二节 堆肥过程中微生物学研究一、堆肥过程中微生物群落及其动态l堆肥化实质是由群落结构演替非常快速多个微生物群体共同作用而实现动态过程，所以对该过程微生物生态学过程进行监控有利于有效地管理堆肥过程。因为在堆肥腐熟过程中微生物发挥着关键作用，所以有些微生物特征能反应堆肥腐熟进程。第15页第16页快速利用糖及淀粉嗜温细菌和真菌快速生长分解蛋白质、脂肪、纤维素及半纤维素嗜热细菌、放线菌和耐热真菌迟缓降解木质素和其它难分解有机物，形成腐殖质嗜温放线菌、细菌和真菌及其它环境微生物定植第17页第18页l堆肥早期，是微生物旺盛繁殖并释放出热能来不停提升堆肥温度发烧阶段。在这一阶段中，堆肥物质改变情况是在好氧条件下，那些轻易被微生物分解有机物质，如蛋白质、淀粉类物质及简单糖类等快速分解，产生大量热量。在这一阶段中分解这些有机物微生物以中温好气性种类为主，常见有细菌和丝状真菌。第19页l当堆肥温度超出50以后，通常被称为高温阶段，这一阶段中，除少部分残留下来和新形成水溶性有机物继续分解转化外，复杂有机物，如半纤维素、纤维素等开始大量被含有分解活性微生物所分解，并进入到腐殖质形成过程，出现了能溶解于弱碱黑色物质。这一阶段中以高温微生物最为活跃，常见有嗜热细菌，嗜热放线菌等。第20页l当温度上升到60以上时，嗜热丝状真菌几乎完全停顿活动，嗜热放线菌和芽孢杆菌活动占优势。到了70以上，只有嗜热芽孢杆菌在活动。很多嗜热微生物，包含细菌，放线菌和丝状真菌，是分解纤维素和果胶类物质能力很强微生物。所以，在高温阶段，纤维素、果胶类物质等快速分解，同时产生腐殖质。第21页l温度上升到70以上，大多数嗜热性微生物也不宜了，微生物大量死亡或进入休眠状态。这时，因为已死亡微生物所含有各种酶作用，有机物质腐解作用仍能进行一段时间，但因为酶蛋白不能自我繁殖，所以对有机物腐解作用很快就衰退了，温度开始下降。当下降到适当温度时，处于休眠嗜热微生物又恢复了它们生命活动，堆肥温度又会再次上升。为实现堆肥快速完全腐熟，应促使堆肥快速到达高温阶段，同时确保高温阶段连续长久。第22页第23页第24页二、堆肥微生物降解基本原理l有机废弃物在微生物作用下，一部分被转化为简单有机物、无机物，这一过程为矿化作用；而另一部分包含难降解部分则转化为垃圾层中有机部分腐殖质，这一过程为腐殖化作用。矿化是将有机物完全转化为无机物过程，是与微生物生长（包含分解代谢和合成代谢）相关过程，被矿化有机物作为微生物生长基质和能源，通常只有一部分有机物被用于合成菌体，而其余部分形成微生物代谢产物，如CO2、H2O、CH4等。矿化也能够经过各种微生物协同作用完成。第25页第26页l矿化和腐殖化是垃圾生物转化过程中既对立又统一两个方面，在一定条件下相互转化。微生物是垃圾降解主体，生物降解过程以微生物代谢为关键，在过程中则遵照化学反应原理。另外，共代谢在有机物转化过程中作用也引发了人们注意。第27页（一）微生物降解转化能力1.微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快2.微生物种类繁多，分布广泛，代谢类型多样3.微生物降解酶 第28页（二）微生物对有机物质吸收l1.自由扩散l2.促进扩散l3.主动运输l4.基团移位第29页（三）有机物质生物降解l1.水解作用l2.脱羧基作用l3.脱氨基作用第30页三、微生物在堆肥物料中吸附迁移机理及影响原因（一）细菌在堆肥物料中吸附作用 细菌在堆肥颗粒介质表面吸附能够被看作一个连续过程。首先，细菌要经历在间隙液相中传输而靠近固体表面过程。静态下，此过程主要依靠重力、布朗分散、细菌运动性以及湍流作用联合作用来实现。第31页l细菌-堆肥颗粒表面边界层(湍流作用)l细菌与颗粒表面距离大于2nm，发生可逆吸附(远程作用力，包含范德华引力、双层相互作用力及位阻作用力)，细菌细胞布朗运动依然存在。l不可逆吸附是由短程作用力包含化学约束力、偶极作用和疏水性相互作用等引发，另外胞外聚合物也是引发不可逆吸附主要原因。细菌发生不可逆吸附时，细菌细胞布朗运动停顿，细菌不能够被洗脱。第32页1.可逆吸附 减弱细菌在堆肥颗粒表面吸附作用主要是集中在减弱可逆吸附作用上。通常，有两种模型能够描述细菌在颗粒表面可逆吸附，一个是基于细菌和颗粒表面间静电特征DLVO理论，一个是基于系统界面自由能可湿性理论（wettability theory）。这两种理论结合起来能够有效地分析细菌在颗粒表面吸附机理。第33页1）DLVO理论lDLVO理论是当前对胶体稳定性解释比较完善经典理论。此理论是以两相互作用颗粒表面间范德华引力和静电排斥力为基础，两作用力平衡直接影响到胶体颗粒间吸附作用。细菌因为尺寸较小（平均为1m）且密度略高于水，可被看作胶体颗粒所以，DLVO理论能够用于分析细菌吸附作用。第34页2）可湿性理论l不一样于DLVO理论，可湿性理论不是基于细菌和颗粒表面化学性质，而是基于细菌发生吸附前后表面自由能（如表面张力）改变。大量研究一致证实，可湿性理论能够合了解释细菌在颗粒表面吸附作用。依据可湿性理论，改变细菌表面疏水性能是一个减弱细菌吸附作用有效方法，许多研究表明，经过添加生物或者化学表面活性剂能够到达改变细菌表面疏水性效果。第35页2.不可逆吸附细菌表面分泌胞外聚合物可作为粘合剂而造成不可逆吸附 颗粒介质表面带正电部位对细菌吸引 细菌与颗粒表面间距足够小（2nm），短程作用力起主导作用，使两表面发生不可逆吸附 第36页（二）细菌在堆肥颗粒介质中吸附传输及其影响原因分析l影响细菌传输物理原因 l影响细菌传输化学原因 l影响细菌传输生物原因第37页四、堆肥微生物生长影响原因l堆肥化过程是复杂，物料经混匀后，受营养平衡、水分含量和物理结构等影响，所以生产工艺过程中要控制各种参数，就是那些对堆肥过程有影响物理、化学和生物原因，它们决定微生物活动程度，堆肥过程中微生物活动程度直接影响堆肥周期与产品质量。第38页（一）通风供氧 l为堆体内微生物提供氧气 l调整温度 l散除水分 第39页第40页第41页（二）水分含量 l溶解有机物 l水分蒸发时带走热量，起调整堆肥温度作用 第42页第43页（三）C/N l指堆肥原料与填充料混合物C/N比，微生物生长速度与堆肥物料C/N相关。微生物生长需要碳源，蛋白质合成需要氮源，在堆肥化处理过程中微生物以碳作能源，并组成细胞膜，随即以CO2形式释放出来，氮则用于合成细胞原生质。第44页第45页第46页（四）pH值 l理论上pH值对堆肥化过程没有影响，pH值在312之间都可以进行堆肥，而且pH值会随堆肥化过程发生变化，这种变化是由于物料被微生物降解后产生代谢产物结果，导致堆肥前期pH值下降和堆肥后期pH值上升，堆肥化处理过程最后阶段，一般物料pH值会上升到8.59.0。但其次酸碱度对微生物活动和氮元素保存有重要影响。第47页第48页第49页（五）温度 l堆肥化处理过程需要适宜发酵温度，温度是堆肥系统微生物活动直接反应，是影响微生物活动和堆肥工艺过程主要原因。第50页第51页嗜冷菌兼性嗜冷菌嗜温菌耐热菌兼性嗜热菌嗜热菌超嗜热菌第52页（六）有机质含量 l有机物对于堆肥微生物主要作用在于合成微生物本身细胞物质和提供微生物各种生理活动所需能量，使机体能进行正常生长与繁殖，保持生命连续性。第53页第54页（七）接种剂 l向堆料中加入接种剂能够加紧堆腐材料发酵速度。l堆肥是一个巨大微生物库，里面存在各种多样微生物类群，加大对其生物多样性研究有利于开发一些愈加有效堆肥微生物腐熟菌剂。第55页