梯次循環接種溫控堆肥的方法

《梯次循環接種溫控堆肥的方法》是中國科學院南京土壤研究所於2007年12月5日申請的專利，該專利的公布號為CN101186537，授權公布日為2008年5月28日，發明人是王一明、林先貴。

一種梯次循環接種溫控堆肥的方法，在堆肥過程的三個不同階段，根據堆溫分別添加三種不同的促腐降解菌劑，且在每個階段的堆制發酵過程中，取出其中的一部分原料作為功能菌劑供下一輪堆肥接種使用。由於不需要每次發酵都接種新菌劑，明顯降低了堆肥成本，且循環接種能有效克服外接微生物與土著微生物的拮抗問題，充分發揮了土著微生物的積極作用，達到事半功倍的效果。

2020年7月14日，《梯次循環接種溫控堆肥的方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《梯次循環接種溫控堆肥的方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：梯次循環接種溫控堆肥的方法
• 申請人：中國科學院南京土壤研究所
• 申請日：2007年12月5日
• 申請號：2007101909967
• 公布號：CN101186537
• 公布日：2008年5月28日
• 發明人：王一明、林先貴
• 地址：江蘇省南京市玄武區北京東路71號
• Int. Cl.：C05F17/00(2006.01)
• 代理機構：南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人：唐建清
• 類別：發明專利

專利背景

中國是一個農業大國，每年產生大約50億噸的農業廢棄物，包括畜禽糞便、農作物秸稈、鄉鎮生活垃圾、加工業廢棄物等，這些有機廢棄物的隨意丟棄不僅造成了嚴重的環境問題，同時也是資源的巨大浪費。

好氧堆肥是2007年前套用較多的一種堆肥方法。傳統的好氧堆肥處理法主要利用堆料中的土著微生物自然發酵完成，各類微生物在堆肥過程中交替作用，逐步分解堆料中的有機物，並最終形成腐殖質類物質。由於堆料中土著微生物起始數量少、增殖慢，且多不耐高溫，降解能力弱等原因，導致傳統堆肥法可控性差、發酵時間長、腐熟質量不穩定、產生臭味等，無法達到集約化生產的大批量快速處理要求。

為提高堆肥質量和堆肥效率，行業內的相關人員做了大量的研究工作。2007年前的進展主要集中在針對堆料中某些難降解成分開發對應的降解菌劑和酶製劑等，如專利文獻CNZL 200510097902.2《農業廢棄物發酵菌劑及其製備方法》中公開了一種由扣囊復膜孢酵母ZJY和灰藤黃鏈黴菌W兩種新菌株及另一已知菌種蠟狀芽孢桿菌E1-2製成複合菌劑或單一菌劑用於農業廢棄物處理；專利文獻CN02154206.6《一種複合微生物發酵菌劑、製備方法及其用途》提出了一種由芽孢桿菌、無芽孢桿菌、酵母菌、放線菌、光合細菌、絲狀真菌和乳酸菌等七種微生物組成的複合微生物發酵菌劑，用於畜禽糞便的處理；專利文獻CN200610078588.8《一種用於堆肥發酵的複合微生物菌劑及其生產方法和用途》公開了一種由釀酒酵母、植物乳桿菌、總狀毛霉、米麴黴組成的複合微生物菌劑，用於堆肥發酵等。

為了解決新接入的微生物與土著微生物競爭的問題，常採取在堆肥初期殺滅土著微生物的方法。在專利文獻CN 02120353.9的發明專利申請《三階段溫度控制堆肥法》中，提出在堆肥初期要通熱空氣使溫度在3～5小時內迅速達到75℃以上的高溫，維持6～10小時後殺滅土著微生物，冷卻至室溫再進行接種。但是土著微生物往往對具有複雜組分的堆料有較好的適應性，在堆肥的過程中可以發揮不小的積極作用，能彌補外來接種微生物功能上的不足。完全殺死這些土著微生物是對微生物資源的一種浪費；而且升溫所需的熱空氣也還需要額外的能源。無論是從微生物資源利用還是節約能源角度，CN 02120353.9的方法都不是一種最佳選擇。

由於在堆肥過程中對堆料降解起促進作用的主要是微生物所生成的各類降解酶，因此直接接種酶液也能促進堆料的快速腐熟，接種酶液也不存在與土著微生物進行競爭和拮抗的問題。因此，套用酶製劑促進堆肥化具有一定的優點，也是2007年前堆肥促腐劑發展的一個方向。專利文獻CN 200510031704.6《一種促進農業廢物堆肥腐熟的活性添加劑及其套用》提出了由芽孢桿菌、黑麴黴、木霉、青黴按比例混合發酵產生的發酵液的複合酶液，用於堆肥的一次發酵階段，以促進果膠、半纖維素、纖維素等的降解；專利文獻CN ZL 200610031263.4《腐熟促進劑及其在農業廢物堆肥化中的套用》公開了一種由澱粉分解菌、果膠分解菌、半纖維素分解菌、纖維素分解菌和木質素分解菌等分別發酵產生的發酵液經濾除菌體後混合配製而成的複合酶液，用於農業有機廢物的堆肥化。

由於上述這些方法在堆肥添加降解菌劑或酶製劑時都採用了一次投入法，一次投入降解菌劑或酶製劑進行堆肥存在以下不足：如添加單一酶製劑或單一功能菌劑往往只有利於堆料中某一類物質的降解，不能促進堆料中其它物質的腐解；由多種微生物混合成的複合菌劑採用一次投入法時，針對性不強，接種後的微生物群落需要在堆肥不同階段進行結構上的自我調整，會損失不少有益的生物資源，而且具有纖維降解功能的菌群多為一些高溫或中溫的真菌及放線茵，常會產生一些制約其它菌群生長的次級代謝產物；複合酶液一次接種，各類不同酶系往往也不能在最佳反應條件下發揮作用，大量浪費添加劑資源。

2007年前常用的堆肥原料主要是畜禽糞便、農作物秸稈、食品加工業廢棄物、生活垃圾等，其基本成分包括粗蛋白、粗纖維、脂肪、澱粉和果膠等，而植物組織中纖維素和木質素被認為是比較難降解的，它們的分解轉化效率直接影響堆肥的腐熟效果。一般都認為在堆肥的發酵初期木質纖維素不發生降解，其分解轉化主要發生在高溫階段和腐熟階段。

植物組織的細胞壁主要由果膠、纖維素、半纖維素和木質素相互嵌合而成，果膠、半纖維素、纖維素的降解能顯著破壞細胞壁結構，這些物質在前期的有效降解一定能顯著提高后期微生物對木質素、纖維素的攻擊分解。因此如果在堆肥發酵的初期促使木質纖維素類物質降解，必然有助於加速堆肥的腐熟。

基於上述分析和一次投入法的不足，也有研究者提出了不同的解決方案。如專利文獻CN ZL 03118137.6《兩次接種微生物複合菌劑堆肥法》公開了分別在堆肥開始和堆肥物料溫度升至55～60℃時兩次添加兩種不同功能的複合菌劑進行堆肥的方法；專利文獻CN ZL 200610031262.X《兩次添加不同促腐發酵劑的垃圾堆肥法及其促腐發酵劑》提出了一種在堆料的不同堆制階段，即堆肥開始和堆肥降溫階段的中後期，兩次添加不同的兩種複合酶製劑的垃圾堆肥法。這些方法在一定程度上符合了堆肥過程不同階段的需要製備相應的含多類酶的複合菌群或酶液的要求。但是，這些方法每次堆料發酵都需要使用新的菌劑或酶製劑，增加了堆肥成本，且菌劑或酶製劑的投加種類和投加時機也有待進一步研究改進。

發明內容

專利目的

《梯次循環接種溫控堆肥的方法》的目的是研究改進菌劑或酶製劑的投加種類和投加時機，探索更加經濟合理的堆肥方法。

技術方案

《梯次循環接種溫控堆肥的方法》的技術解決方案為：一種梯次循環接種溫控堆肥的方法，在堆肥過程的三個不同階段，根據堆溫分別添加三種不同的促腐降解菌劑，其特徵在於：

a.在堆肥初期，將中低溫促腐降解菌劑混入堆肥原料中進行堆制發酵，中低溫促腐降解菌劑可以是假單胞菌屬解脂肪菌、放線菌目或芽孢桿菌屬解澱粉菌、芽孢桿菌屬解蛋白菌、假絲酵母菌屬解半纖維素菌、麴黴屬解果膠菌、乳酸菌中的一種或多種組合；

b.堆溫上升到55～60℃、維持5天以上後，添加嗜高溫促腐降解菌劑，充分混勻後繼續堆制發酵，嗜高溫促腐降解菌劑可以是芽孢桿菌屬嗜高溫蛋白降解菌、麴黴屬嗜高溫解果膠菌、麴黴屬嗜高溫半纖維素降解菌、青黴或木霉屬嗜高溫纖維素降解菌中的一種或多種組合；

c.進入堆肥降溫階段、堆溫下降到30～40℃後，添加半纖維素、纖維素、木質素促腐降解菌劑、充分混勻後繼續堆制發酵；半纖維素、纖維素、木質素促腐降解菌劑可以是麴黴屬半纖維素降解菌、青黴或木霉等纖維素降解菌、白腐菌或褐腐菌等木質素降解菌中的一種或多種組合；

d.在上述三個階段中，在每個階段的堆制發酵過程中，取出其中的一部分原料作為功能菌劑供下一輪堆肥接種使用。

《梯次循環接種溫控堆肥的方法》中所提及的各種微生物均可使用已知微生物，且採用常規的製備方法。

改善效果

（1）不需要每次發酵都接種新菌劑，明顯降低堆肥成本；

（2）三種在不同溫度發揮作用的功能菌群在堆肥的不同階段梯次接種，有利於在其活性的適宜條件下發揮作用，並有利於其增殖和取得數量上的優勢地位；

（3）外接菌群通過堆肥過程中的自我調整實結構最佳化，土著微生物與外來菌群實和諧互補，在堆肥的過程中積極發揮作用，因而循環接種所使用的功能菌劑中各功能菌群實了平衡最最佳化，並充分適應堆肥複雜的原料組分和腐熟進程。接種的外源微生物如何有效的與土著微生物競爭，如何利用土著微生物對複雜組分堆料的適應性，充分發揮其積極作用，彌補外來接種微生物在功能上的不足，一直是困擾堆肥菌劑發展的問題。完全殺死這些土著微生物，可以解決外源微生物與土著微生物的競爭拮抗問題，卻是對土著微生物資源的一種浪費，完全消除了土著微生物在堆肥中所起的積極作用。循環接種能有效克服外接微生物與土著微生物的競爭、拮抗問題，充分發揮土著微生物的積極作用，達到事半功倍的效果。

附圖說明

圖1為梯次循環接種法與對照處理的堆肥溫度變化曲線。

附圖說明

技術領域

《梯次循環接種溫控堆肥的方法》屬農業科學中利用微生物發酵製造天然肥料的技術領域，具體涉及一種將農業有機廢棄物堆肥發酵時所用的梯次循環接種微生物並控制堆肥溫度的方法。

權利要求

1.一種梯次循環接種溫控堆肥的方法，在堆肥過程的三個不同階段，根據堆溫分別添加三種不同的促腐降解菌劑，其特徵在於：

a.在堆肥初期，將中低溫促腐降解菌劑混入堆肥原料中進行堆制發酵；

b.堆溫上升到55～60℃、維持5天以上後，添加嗜高溫促腐降解菌劑進行堆制發酵；

c.進入堆肥降溫階段、堆溫下降到30～40℃後，添加半纖維素、纖維素、木質素促腐降解菌劑進行堆制發酵；

d.在上述三個階段中，在每個階段的堆制發酵過程中，取出其中的一部分原料作為功能菌劑供下一輪堆肥接種使用。

2.如權利要求1所述的梯次循環接種溫控堆肥的方法，其特徵在於：

a.堆肥初期使用的中低溫促腐降解菌劑可以是假單胞菌屬解脂肪菌、放線菌目或芽孢桿菌屬解澱粉菌、芽孢桿菌屬解蛋白菌、假絲酵母菌屬解半纖維素菌、麴黴屬解果膠菌、乳酸菌中的一種或多種組合；

b.堆溫在55～60℃時添加的嗜高溫促腐降解菌劑可以是芽孢桿菌屬嗜高溫蛋白降解菌、麴黴屬嗜高溫解果膠菌、麴黴屬嗜高溫半纖維素降解菌、青黴或木霉屬嗜高溫纖維素降解菌中的一種或多種組合；

c.堆肥降溫階段添加的半纖維素、纖維素、木質素促腐降解菌劑可以是麴黴屬半纖維素降解菌、青黴或木霉等纖維素降解菌、白腐菌或褐腐菌等木質素降解菌中的一種或多種組合；

實施方式

• 實施例1：三種不同促腐降解菌劑的製取

市購或從有關微生物保藏機構獲得所需的菌種，在對應的培養基上按常規進行斜面活化培養和液體擴培培養。

所使用的斜面活化培養基有PDA培養基、營養瓊脂培養基、阿須貝培養基、MRS培養基等；

所使用的液體擴培培養基有PDA培養基（培養黴菌、酵母菌）、肉湯培養基（培養細菌）、高氏1號培養基（培養放線菌）、MRS培養基（培養乳酸菌）等。

不同菌種的液體擴培完成後，直接以各種微生物培養液以重量配比為：

解脂肪菌	15～25％
解澱粉菌	15～25％
解蛋白菌	15～25％
解半纖維素菌	10～20％
解果膠菌	10～20％
乳酸菌	5～15％

的比例製成中低溫促腐降解菌劑；

以各種微生物培養液在菌劑中的重量配比為：

嗜高溫蛋白降解菌	10～20％
嗜高溫解果膠菌	10～20％
嗜高溫半纖維素降解菌	30～40％
嗜高溫纖維素降解菌	30～40％

的比例製成嗜高溫促腐降解菌劑；

以各種微生物培養液在菌劑中的重量配比為：

半纖維素降解菌	20～30％
纖維素降解菌	35～40％
木質素降解菌	35～40％

的比例製成半纖維素、纖維素、木質素促腐降解菌劑。

各微生物的具體使用菌種分別是：

解脂肪菌——銅綠假單胞菌

解澱粉菌——諾卡氏菌

解蛋白菌——枯草芽孢桿菌

解半纖維素菌——產朊假絲酵母

解果膠菌——米麴黴

乳酸菌——植物乳桿菌

嗜高溫蛋白降解菌——地衣芽孢桿菌

嗜高溫解果膠菌——黑麴黴

嗜高溫半纖維素降解菌——黑麴黴

嗜高溫纖維素降解菌——綠色木霉

半纖維素降解菌——里氏木霉

纖維素降解菌——點青黴

木質素降解菌——黃孢原毛平革菌

上述僅是推薦的菌劑配方組成，該領域技術人員可以基於《梯次循環接種溫控堆肥的方法》的精神在《梯次循環接種溫控堆肥的方法》的基礎上進行拓展和延伸。《梯次循環接種溫控堆肥的方法》對已有技術的貢獻在於不同類群微生物的搭配，而至於各組分的含量是該領域技術人員所熟知和常用的，根據要處理的有機廢棄物的成分和選用的微生物的功能來確定，《梯次循環接種溫控堆肥的方法》微生物發酵劑的劑型及製備方法也是常規的。

• 實施例2：

將以奶牛場牛糞80％（重量百分比）、小麥秸稈20％（重量百分比）構成的有機廢棄物原料條垛形堆制，發酵初期控制水分60％。

a.堆肥初期，將中低溫促腐降解菌劑按堆肥原料重量的2％直接添加，充分混勻後進行堆制發酵；

b.當堆溫上升到55～60℃，進入堆肥高溫期維持5天以上後，按堆肥原料重量的2％直接添加嗜高溫促腐降解菌劑，充分混勻後繼續堆制發酵；

c.進入堆肥降溫階段、堆溫下降到30～40℃後，再按堆肥原料重量的3％添加半纖維素、纖維素、木質素促腐降解菌劑，充分混勻後繼續堆制發酵直至完成。

在堆肥進程中，每天記錄氣溫與堆溫的變化，根據不同升溫情況適當翻堆以維持良好的發酵狀態。

對照例處理：原料成分配比相同，堆肥初期一次性按照使用說明加入某市售堆肥腐熟菌劑，條垛形堆制，堆制過程中不添加任何物質。在堆肥進程中，每天記錄氣溫與堆溫的變化，根據不同升溫情況適當翻堆以維持良好的發酵狀態。

兩種堆肥方法的效果對比如圖1和表1、表2所示。

從圖1、表1和表2所示可看出，堆料中微生物數量在整個堆肥的過程中都比普通方法具有優勢，微生物數量的增多也促進了堆肥初始階段堆料的升溫，使堆料在第3天就達到了55～60℃的高溫，添加的高溫解纖維菌還有助於保持高溫發酵階段，堆溫高於60℃的天數達到了11天，而對照處理僅為6天，有效地促進了堆料腐熟、提高堆肥效率，可比普通堆肥法提早5～10天收穫堆肥成品。同時，促腐降解菌劑所含的複合酶系可以加速堆料物質降解，其中纖維素降解率提高了20.1％，木質素降解率提高了17.1％。

表1堆肥過程中的微生物數量變化

表1堆肥過程中的微生物數量變化

表2堆肥過程中幾種有機物的總降解率（100％）

表2堆肥過程中幾種有機物的總降解率(100％)

實施例3：

如實施例2所述，在三個不同的堆肥階段中，在每個階段的堆制發酵過程中，取出其中的一部分原料作為功能菌劑供下一輪堆肥接種使用。循環接種量控制在10～20％（重量百分比）。循環回復接種後，不需要每次發酵再投加新菌種，不僅明顯降低了堆肥成本，而且在多次循環回復接種後，由於各功能菌群更加平衡最佳化，堆肥效果更好。

表3、表4為經過10輪梯次循環回復接種後的各項數據實測結果。

表3梯次循環接種後堆肥的微生物數量

表3梯次循環接種後堆肥的微生物數量

表4梯次循環接種後堆肥的主要有機成分分解效果（100％）

表4梯次循環接種後堆肥的主要有機成分分解效果(100％)

實測數據說明，循環接種確實能有效克服外接微生物與土著微生物的拮抗問題，充分發揮土著微生物的積極作用，達到事半功倍的效果。

榮譽表彰

2020年7月14日，《梯次循環接種溫控堆肥的方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。