堆肥科學(xué)與技術(shù)市公開課一等獎省賽課微課金獎?wù)n件

第三章堆肥微生物學(xué)堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第1頁第1頁第一節(jié)、堆肥微生物種類及特征堆肥化是微生物作用于有機廢物生化降解過程，微生物是堆肥過程主體。堆肥微生物起源主要有兩方面。首先是來自有機廢物里面固有大量微生物種群；另首先是人工加入特殊菌種。這些菌種在一定條件下對一些有機廢物含有較強分解能力，含有活性強、繁殖快、分解有機物快速等特點，能加速堆肥反應(yīng)進程，縮短堆肥反應(yīng)時間。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第2頁第2頁

堆肥中發(fā)揮作用微生物主要是細菌和放線菌，還有真菌和原生動物等。伴隨堆肥化過程中有機物逐步降解，堆肥微生物種群和數(shù)量也隨之發(fā)生改變。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第3頁第3頁一、細菌細菌是單細胞生物，形狀有桿狀、球狀和螺旋狀，有些還能運動。在好氧堆肥系統(tǒng)中，存在著大量細菌。細菌憑借大比表面積，能夠快速將可溶性底物吸收到細胞中。所以在堆肥過程中，細菌在數(shù)量上通常要比體積更大微生物（如真菌）多得多。在早期堆肥生產(chǎn)實踐過程中非菌絲體結(jié)構(gòu)細菌，較含有菌絲體結(jié)構(gòu)真菌和放線菌更難以被發(fā)覺，所以其主要性被忽略了。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第4頁第4頁假單胞菌

堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第5頁第5頁二、放線菌放線菌在分類學(xué)上是一類含有高G+C革蘭氏陽性細菌，能夠比細菌忍受更高溫度和pH值，放線菌是含有多細胞菌絲形態(tài)細菌，所以它們又含有一些真菌特征。在堆肥化過程中它們在分解諸如纖維素、木質(zhì)素、角質(zhì)素和蛋白質(zhì)這些復(fù)雜有機物時發(fā)揮著主要作用。它們酶能夠幫助分解諸如樹皮、報紙一類堅硬有機物。盡管放線菌降解纖維素和木質(zhì)素能力并沒有真菌強，不過它們在堆肥過程中高溫期卻是分解木質(zhì)纖維素優(yōu)勢菌群。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第6頁第6頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第7頁第7頁三、真菌真菌不但能分泌胞外酶，水解有機物質(zhì)，而且因為其菌絲機械穿插作用，還對物料施加一定物理破壞作用，促進生物化學(xué)作用。在堆肥化過程中，真菌對堆肥物料分解和穩(wěn)定起著主要作用。堆肥過程中真菌總改變趨勢與總微生物改變趨勢相同，開始時堆肥原料中真菌以中溫真菌為主，但數(shù)量少于細菌而與放線菌相近。中溫真菌在堆肥過程中逐步降低，今后嗜熱真菌逐步抵達最大值，大部分真菌在堆體溫度抵達50℃時就不存在了，而當溫度超出60℃時真菌幾乎完全消失；當堆肥溫度開始下降，溫度低于45℃時，真菌數(shù)量又回升，此時堆肥底物以纖維素和木質(zhì)素為主，所以推測真菌數(shù)量增加可能是因為堆肥中存在纖維素和木質(zhì)素原因。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第8頁第8頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第9頁第9頁米曲霉煙曲霉

特異腐質(zhì)霉

嗜熱毛殼菌

無孢菌群梭孢殼屬

渺小白霉

堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第10頁第10頁四、古菌古菌大多數(shù)為嗜熱菌或超嗜熱菌，最近研究發(fā)覺在堆肥中存在一些低豐度產(chǎn)甲烷古菌。同細菌比較其數(shù)量極低（貧養(yǎng)、代時長）。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第11頁第11頁五、病原微生物及其它微型生物堆肥化不但要抵達穩(wěn)定有機廢物目標，還要處理堆制過程中存在公共衛(wèi)生問題，主要病原菌包含在原來廢物中帶有原生病原菌（primarypathogens）和堆制過程中產(chǎn)生真菌、放線菌等次生病原菌（secondarypathogens）。原生病原菌如細菌、病毒、原生動物和蠕蟲卵可引發(fā)健康個體染病，而次生病原體則能夠減弱免疫系統(tǒng)，如造成呼吸系統(tǒng)疾病等。當溫度超出70℃時，在幾天內(nèi)能夠抵達滅菌目標，但在50℃~60℃時需要連續(xù)時間為10~20d。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第12頁第12頁微型生物在堆肥過程中也發(fā)揮著主要作用。輪蟲、線蟲、跳蟲、潮蟲、甲蟲和蚯蚓等低等生物經(jīng)過在堆肥中移動和吞食作用，不但能消納部分有機廢物，而且還能增大表面積，并促進微生物生命活動。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第13頁第13頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第14頁第14頁第二節(jié)堆肥過程中微生物學(xué)研究一、堆肥過程中微生物群落及其動態(tài)堆肥化實質(zhì)是由群落結(jié)構(gòu)演替非?？焖俣鄠€微生物群體共同作用而實現(xiàn)動態(tài)過程，所以對該過程微生物生態(tài)學(xué)過程進行監(jiān)控有利于有效地管理堆肥過程。因為在堆肥腐熟過程中微生物發(fā)揮著關(guān)鍵作用，所以有些微生物特征能反應(yīng)堆肥腐熟進程。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第15頁第15頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第16頁第16頁快速利用糖及淀粉嗜溫細菌和真菌快速生長分解蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素及半纖維素嗜熱細菌、放線菌和耐熱真菌遲緩降解木質(zhì)素和其它難分解有機物，形成腐殖質(zhì)嗜溫放線菌、細菌和真菌及其它環(huán)境微生物定植堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第17頁第17頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第18頁第18頁堆肥早期，是微生物旺盛繁殖并釋放出熱能來不停提升堆肥溫度發(fā)燒階段。在這一階段中，堆肥物質(zhì)改變情況是在好氧條件下，那些輕易被微生物分解有機物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、淀粉類物質(zhì)及簡單糖類等快速分解，產(chǎn)生大量熱量。在這一階段中分解這些有機物微生物以中溫好氣性種類為主，常見有細菌和絲狀真菌。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第19頁第19頁當堆肥溫度超出50℃以后，通常被稱為高溫階段，這一階段中，除少部分殘留下來和新形成水溶性有機物繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化外，復(fù)雜有機物，如半纖維素、纖維素等開始大量被含有分解活性微生物所分解，并進入到腐殖質(zhì)形成過程，出現(xiàn)了能溶解于弱堿黑色物質(zhì)。這一階段中以高溫微生物最為活躍，常見有嗜熱細菌，嗜熱放線菌等。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第20頁第20頁當溫度上升到60℃以上時，嗜熱絲狀真菌幾乎完全停頓活動，嗜熱放線菌和芽孢桿菌活動占優(yōu)勢。到了70℃以上，只有嗜熱芽孢桿菌在活動。很多嗜熱微生物，包含細菌，放線菌和絲狀真菌，是分解纖維素和果膠類物質(zhì)能力很強微生物。所以，在高溫階段，纖維素、果膠類物質(zhì)等快速分解，同時產(chǎn)生腐殖質(zhì)。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第21頁第21頁溫度上升到70℃以上，大多數(shù)嗜熱性微生物也不宜了，微生物大量死亡或進入休眠狀態(tài)。這時，因為已死亡微生物所含有各種酶作用，有機物質(zhì)腐解作用仍能進行一段時間，但因為酶蛋白不能自我繁殖，所以對有機物腐解作用很快就衰退了，溫度開始下降。當下降到適當溫度時，處于休眠嗜熱微生物又恢復(fù)了它們生命活動，堆肥溫度又會再次上升。為實現(xiàn)堆肥快速完全腐熟，應(yīng)促使堆肥快速抵達高溫階段，同時確保高溫階段連續(xù)長久。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第22頁第22頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第23頁第23頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第24頁第24頁二、堆肥微生物降解基本原理有機廢棄物在微生物作用下，一部分被轉(zhuǎn)化為簡單有機物、無機物，這一過程為礦化作用；而另一部分包含難降解部分則轉(zhuǎn)化為垃圾層中有機部分——腐殖質(zhì)，這一過程為腐殖化作用。礦化是將有機物完全轉(zhuǎn)化為無機物過程，是與微生物生長（包含分解代謝和合成代謝）相關(guān)過程，被礦化有機物作為微生物生長基質(zhì)和能源，通常只有一部分有機物被用于合成菌體，而其余部分形成微生物代謝產(chǎn)物，如CO2、H2O、CH4等。礦化也能夠經(jīng)過各種微生物協(xié)同作用完成。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第25頁第25頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第26頁第26頁礦化和腐殖化是垃圾生物轉(zhuǎn)化過程中既對立又統(tǒng)一兩個方面，在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。微生物是垃圾降解主體，生物降解過程以微生物代謝為關(guān)鍵，在過程中則遵照化學(xué)反應(yīng)原理。另外，共代謝在有機物轉(zhuǎn)化過程中作用也引發(fā)了人們注意。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第27頁第27頁（一）微生物降解轉(zhuǎn)化能力1.微生物個體微小，比表面積大，代謝速率快2.微生物種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣3.微生物降解酶堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第28頁第28頁（二）微生物對有機物質(zhì)吸收1.自由擴散2.促進擴散3.主動運輸4.基團移位堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第29頁第29頁（三）有機物質(zhì)生物降解1.水解作用2.脫羧基作用3.脫氨基作用堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第30頁第30頁三、微生物在堆肥物料中吸附遷移機理及影響原因（一）細菌在堆肥物料中吸附作用

細菌在堆肥顆粒介質(zhì)表面吸附能夠被看作一個連續(xù)過程。首先，細菌要經(jīng)歷在間隙液相中傳輸而靠近固體表面過程。靜態(tài)下，此過程主要依靠重力、布朗分散、細菌運動性以及湍流作用聯(lián)合作用來實現(xiàn)。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第31頁第31頁細菌--堆肥顆粒表面邊界層(湍流作用)細菌與顆粒表面距離大于2nm，發(fā)生可逆吸附(遠程作用力，包含范德華引力、雙層相互作用力及位阻作用力)，細菌細胞布朗運動依然存在。不可逆吸附是由短程作用力包含化學(xué)約束力、偶極作用和疏水性相互作用等引發(fā)，另外胞外聚合物也是引發(fā)不可逆吸附主要原因。細菌發(fā)生不可逆吸附時，細菌細胞布朗運動停頓，細菌不能夠被洗脫。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第32頁第32頁1.可逆吸附減弱細菌在堆肥顆粒表面吸附作用主要是集中在減弱可逆吸附作用上。通常，有兩種模型能夠描述細菌在顆粒表面可逆吸附，一個是基于細菌和顆粒表面間靜電特征DLVO理論，一個是基于系統(tǒng)界面自由能可濕性理論（wettabilitytheory）。這兩種理論結(jié)合起來能夠有效地分析細菌在顆粒表面吸附機理。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第33頁第33頁1）DLVO理論DLVO理論是當前對膠體穩(wěn)定性解釋比較完善經(jīng)典理論。此理論是以兩相互作用顆粒表面間范德華引力和靜電排斥力為基礎(chǔ)，兩作用力平衡直接影響到膠體顆粒間吸附作用。細菌因為尺寸較?。ㄆ骄鶠?μm）且密度略高于水，可被看作膠體顆粒所以，DLVO理論能夠用于分析細菌吸附作用。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第34頁第34頁2）可濕性理論不一樣于DLVO理論，可濕性理論不是基于細菌和顆粒表面化學(xué)性質(zhì)，而是基于細菌發(fā)生吸附前后表面自由能（如表面張力）改變。大量研究一致證實，可濕性理論能夠合了解釋細菌在顆粒表面吸附作用。依據(jù)可濕性理論，改變細菌表面疏水性能是一個減弱細菌吸附作用有效方法，許多研究表明，經(jīng)過添加生物或者化學(xué)表面活性劑能夠抵達改變細菌表面疏水性效果。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第35頁第35頁2.不可逆吸附細菌表面分泌胞外聚合物可作為粘合劑而造成不可逆吸附顆粒介質(zhì)表面帶正電部位對細菌吸引細菌與顆粒表面間距足夠小（<2nm），短程作用力起主導(dǎo)作用，使兩表面發(fā)生不可逆吸附堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第36頁第36頁（二）細菌在堆肥顆粒介質(zhì)中吸附傳輸及其影響原因分析影響細菌傳輸物理原因影響細菌傳輸化學(xué)原因影響細菌傳輸生物原因堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第37頁第37頁四、堆肥微生物生長影響原因堆肥化過程是復(fù)雜，物料經(jīng)混勻后，受營養(yǎng)平衡、水分含量和物理結(jié)構(gòu)等影響，所以生產(chǎn)工藝過程中要控制各種參數(shù)，就是那些對堆肥過程有影響物理、化學(xué)和生物原因，它們決定微生物活動程度，堆肥過程中微生物活動程度直接影響堆肥周期與產(chǎn)品質(zhì)量。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第38頁第38頁（一）通風(fēng)供氧為堆體內(nèi)微生物提供氧氣調(diào)整溫度散除水分堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第39頁第39頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第40頁第40頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第41頁第41頁（二）水分含量溶解有機物水分蒸發(fā)時帶走熱量，起調(diào)整堆肥溫度作用堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第42頁第42頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第43頁第43頁（三）C/N指堆肥原料與填充料混合物C/N比，微生物生長速度與堆肥物料C/N相關(guān)。微生物生長需要碳源，蛋白質(zhì)合成需要氮源，在堆肥化處理過程中微生物以碳作能源，并組成細胞膜，隨即以CO2形式釋放出來，氮則用于合成細胞原生質(zhì)。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第44頁第44頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第45頁第45頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第46頁第46頁（四）pH值理論上pH值對堆肥化過程沒有影響，pH值在3～12之間都能夠進行堆肥，而且pH值會隨堆肥化過程發(fā)生改變，這種改變是因為物料被微生物降解后產(chǎn)生代謝產(chǎn)物結(jié)果，造成堆肥前期pH值下降和堆肥后期pH值上升，堆肥化處理過程最終階段，普通物料pH值會上升到8.5～9.0。但另首先酸堿度對微生物活動和氮元素保留有主要影響。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第47頁第47頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第48頁第48頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第49頁第49頁（五）溫度堆肥化處理過程需要適宜發(fā)酵溫度，溫度是堆肥系統(tǒng)微生物活動直接反應(yīng)，是影響微生物活動和堆肥工藝過程主要原因。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第50頁第50頁堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第51頁第51頁嗜冷菌兼性嗜