堆肥科學(xué)與技術(shù)市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?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(jī)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(jī)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(jī)廢物含有較強(qiáng)分解能力，含有活性強(qiáng)、繁殖快、分解有機(jī)物快速等特點(diǎn)，能加速堆肥反應(yīng)進(jìn)程，縮短堆肥反應(yīng)時(shí)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(xì)菌和放線菌，還有真菌和原生動(dòng)物等。伴隨堆肥化過程中有機(jī)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(xì)菌細(xì)菌是單細(xì)胞生物，形狀有桿狀、球狀和螺旋狀，有些還能運(yùn)動(dòng)。在好氧堆肥系統(tǒng)中，存在著大量細(xì)菌。細(xì)菌憑借大比表面積，能夠快速將可溶性底物吸收到細(xì)胞中。所以在堆肥過程中，細(xì)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(shí)踐過程中非菌絲體結(jié)構(gòu)細(xì)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(xì)菌，能夠比細(xì)菌忍受更高溫度和pH值，放線菌是含有多細(xì)胞菌絲形態(tài)細(xì)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(jī)物時(shí)發(fā)揮著主要作用。它們酶能夠幫助分解諸如樹皮、報(bào)紙一類堅(jiān)硬有機(jī)物。盡管放線菌降解纖維素和木質(zhì)素能力并沒有真菌強(qiáng)，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(jī)物質(zhì)，而且因?yàn)槠渚z機(jī)械穿插作用，還對物料施加一定物理破壞作用，促進(jìn)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(shí)堆肥原料中真菌以中溫真菌為主，但數(shù)量少于細(xì)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(dá)最大值，大部分真菌在堆體溫度抵達(dá)50℃時(shí)就不存在了，而當(dāng)溫度超出60℃時(shí)真菌幾乎完全消失；當(dāng)堆肥溫度開始下降，溫度低于45℃時(shí)，真菌數(shù)量又回升，此時(shí)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?yàn)槎逊手写嬖诶w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(xì)菌比較其數(shù)量極低（貧養(yǎng)、代時(shí)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(dá)穩(wěn)定有機(jī)廢物目標(biāo)，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(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物和蠕蟲卵可引發(fā)健康個(gè)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(dāng)溫度超出70℃時(shí)，在幾天內(nèi)能夠抵達(dá)滅菌目標(biāo)，但在50℃~60℃時(shí)需要連續(xù)時(shí)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(dòng)和吞食作用，不但能消納部分有機(jī)廢物，而且還能增大表面積，并促進(jìn)微生物生命活動(dòng)。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(dòng)態(tài)堆肥化實(shí)質(zhì)是由群落結(jié)構(gòu)演替非常快速多個(gè)微生物群體共同作用而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程，所以對該過程微生物生態(tài)學(xué)過程進(jìn)行監(jiān)控有利于有效地管理堆肥過程。因?yàn)樵诙逊矢爝^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(jìn)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(xì)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(xì)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(jī)物，形成腐殖質(zhì)嗜溫放線菌、細(xì)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(jī)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(jī)物微生物以中溫好氣性種類為主，常見有細(xì)菌和絲狀真菌。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第19頁第19頁當(dāng)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(jī)物繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化外，復(fù)雜有機(jī)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(jìn)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(xì)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(dāng)溫度上升到60℃以上時(shí)，嗜熱絲狀真菌幾乎完全停頓活動(dòng)，嗜熱放線菌和芽孢桿菌活動(dòng)占優(yōu)勢。到了70℃以上，只有嗜熱芽孢桿菌在活動(dòng)。很多嗜熱微生物，包含細(xì)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(qiáng)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(shí)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(jìn)入休眠狀態(tài)。這時(shí)，因?yàn)橐阉劳鑫⑸锼懈鞣N酶作用，有機(jī)物質(zhì)腐解作用仍能進(jìn)行一段時(shí)間，但因?yàn)槊傅鞍撞荒茏晕曳敝常詫τ袡C(jī)物腐解作用很快就衰退了，溫度開始下降。當(dāng)下降到適當(dāng)溫度時(shí)，處于休眠嗜熱微生物又恢復(fù)了它們生命活動(dòng)，堆肥溫度又會(huì)再次上升。為實(shí)現(xiàn)堆肥快速完全腐熟，應(yīng)促使堆肥快速抵達(dá)高溫階段，同時(shí)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(jī)廢棄物在微生物作用下，一部分被轉(zhuǎn)化為簡單有機(jī)物、無機(jī)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(jī)部分——腐殖質(zhì)，這一過程為腐殖化作用。礦化是將有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化為無機(jī)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(jī)物作為微生物生長基質(zhì)和能源，通常只有一部分有機(jī)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(gè)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(jī)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(gè)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(jī)物質(zhì)吸收1.自由擴(kuò)散2.促進(jìn)擴(kuò)散3.主動(dòng)運(yùn)輸4.基團(tuán)移位堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第29頁第29頁（三）有機(jī)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(jī)理及影響原因（一）細(xì)菌在堆肥物料中吸附作用

細(xì)菌在堆肥顆粒介質(zhì)表面吸附能夠被看作一個(gè)連續(xù)過程。首先，細(xì)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(xì)菌運(yùn)動(dòng)性以及湍流作用聯(lián)合作用來實(shí)現(xiàn)。堆肥科學(xué)與技術(shù)課件第31頁第31頁細(xì)菌--堆肥顆粒表面邊界層(湍流作用)細(xì)菌與顆粒表面距離大于2nm，發(fā)生可逆吸附(遠(yuǎn)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(xì)菌細(xì)胞布朗運(yùn)動(dòng)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(xì)菌發(fā)生不可逆吸附時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞布朗運(yùn)動(dòng)停頓，細(xì)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(xì)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(xì)菌在顆粒表面可逆吸附，一個(gè)是基于細(xì)菌和顆粒表面間靜電特征DLVO理論，一個(gè)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(xì)菌在顆粒表面吸附機(jī)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(dāng)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(xì)菌因?yàn)槌叽巛^?。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(xì)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(xì)菌和顆粒表面化學(xué)性質(zhì)，而是基于細(xì)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(shí)，可濕性理論能夠合了解釋細(xì)菌在顆粒表面吸附作用。依據(jù)可濕性理論，改變細(xì)菌表面疏水性能是一個(gè)減弱細(xì)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(dá)改變細(xì)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(xì)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(xì)菌吸引細(xì)菌與顆粒表面間距足夠?。?lt;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(xì)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(xì)菌傳輸物理原因影響細(xì)菌傳輸化學(xué)原因影響細(xì)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(dòng)程度，堆肥過程中微生物活動(dòng)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(jī)物水分蒸發(fā)時(shí)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(xì)胞膜，隨即以CO2形式釋放出來，氮?jiǎng)t用于合成細(xì)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(jìn)行堆肥，而且pH值會(huì)隨堆肥化過程發(fā)生改變，這種改變是因?yàn)槲锪媳晃⑸锝到夂螽a(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(huì)上升到8.5～9.0。但另首先酸堿度對微生物活動(dòng)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(dòng)直接反應(yīng)，是影響微生物活動(dòng)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