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有機(jī)肥發(fā)酵原理
一、概述
堆肥這種古老而簡(jiǎn)便的處理有機(jī)廢棄物和制造肥料的方法，隨著研究的深入和方法的改進(jìn)，其應(yīng)用很受各個(gè)國(guó)家的重視，因?yàn)樗泻芎玫纳鷳B(tài)意義，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)效益。有許多報(bào)道指出，用腐熟堆肥制備種子苗床能抑制土傳病害。并且在堆肥過(guò)程的高溫階段過(guò)后接踵而來(lái)的拮抗性細(xì)菌，可使菌數(shù)達(dá)到很高水平;堆肥過(guò)程中各有機(jī)物在微生物作用下，達(dá)到不易分解、穩(wěn)定、作物易吸收狀態(tài);同時(shí)微生物作用在一定范圍內(nèi)減少重金屬毒害作用?？梢?jiàn)，堆肥是制造生物有機(jī)肥的簡(jiǎn)便而有效的方法，有益于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
堆肥為什么產(chǎn)生這樣的效果呢?下面我們對(duì)堆肥原理進(jìn)行比較詳盡的介紹。
二、有機(jī)肥發(fā)酵原理
(一)堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化
堆肥中的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化可歸納為兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)是有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化過(guò)程，即把復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)分解成為簡(jiǎn)單的物質(zhì)，最后生成二氧化碳、水和礦質(zhì)養(yǎng)分等;另一個(gè)是有機(jī)質(zhì)的腐殖化過(guò)程，即有機(jī)質(zhì)經(jīng)分解再合成，生成更復(fù)雜的特殊有機(jī)質(zhì)-腐殖質(zhì)。兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，但方向相反，在不同條件下，各自進(jìn)行的強(qiáng)度有明顯的差別。
1.有機(jī)質(zhì)的礦化作用
⑴不含氮有機(jī)物的分解
多糖化合物(淀粉、纖維素、半纖維素)首先在微生物分泌的水解酶的作用下，水解成單糖。葡萄糖在通氣良好的條件下分解迅速，酒精、醋酸、草酸等中間產(chǎn)物不易積累，最終形成CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱能。如果通氣不良，在嫌氣微生物作用下，單糖分解緩慢，產(chǎn)生熱量少，并積累一些中間產(chǎn)物-有機(jī)酸。在極嫌氣微生物條件下，還會(huì)生成CH4、H2等還原態(tài)物質(zhì)。
⑵含氮有機(jī)物的分解
堆肥中的含氮有機(jī)物包括蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿、腐殖質(zhì)等。除腐殖質(zhì)外，大部分容易被分解。例如蛋白質(zhì)，在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐級(jí)降解，產(chǎn)生各種氨基酸，再經(jīng)氨化作用、硝化作用而分別形成銨鹽、硝酸鹽，可以被植物吸收利用。
⑶含磷有機(jī)物的轉(zhuǎn)化
堆肥中的含磷有機(jī)化合物，在多種腐生性微生物的作用下，形成磷酸，成為植物能夠吸收利用的養(yǎng)分。
⑷含硫有機(jī)物的轉(zhuǎn)化
堆肥中含硫有機(jī)物，經(jīng)微生物的作用生成硫化氫。硫化氫在嫌氣環(huán)境中易積累，對(duì)植物和微生物會(huì)發(fā)生毒害。但在通氣良好的條件下，硫化氫在硫細(xì)菌的作用下氧化成硫酸，并和堆肥中的鹽基作用形成硫酸鹽，不僅消除了硫化氫的毒害，并成為植物能吸收的硫素養(yǎng)料。在通氣不良的情況下，發(fā)生反硫化作用，使硫酸轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S散失，并對(duì)植物產(chǎn)生毒害。堆肥發(fā)酵過(guò)程中，可以通過(guò)定時(shí)翻倒措施改善堆肥的通氣性，就能消除反硫化作用。
⑸脂類及芳香類有機(jī)物的轉(zhuǎn)化
單寧、樹(shù)脂等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分解較慢，其最終產(chǎn)物也是CO2和水;木質(zhì)素是含植物性原料(如樹(shù)皮、木屑等)堆肥中特別穩(wěn)定的有機(jī)化合物，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含芳香核，并以多聚形式存在于植物組織中，極難分解。在通氣良好的條件下，主要通過(guò)真菌、放線菌的作用，緩慢地進(jìn)行分解，其芳香核可變?yōu)轷突衔?，它是再合成腐殖質(zhì)的原料之一。當(dāng)然，這些物質(zhì)在一定條件下，還會(huì)繼續(xù)被分解的。
綜上所述，堆肥有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化，可為作物和微生物提供速效養(yǎng)分，為微生物活動(dòng)提供能源，并為堆肥有機(jī)質(zhì)的腐殖化準(zhǔn)備基本原料。堆肥以好氣性微生物活動(dòng)為主時(shí)，有機(jī)質(zhì)迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其它養(yǎng)分物質(zhì)，分解速度快而徹底，并放出大量熱能;以嫌氣性微生物活動(dòng)為主時(shí)，有機(jī)質(zhì)的分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產(chǎn)物除植物養(yǎng)分外，尚易積累有機(jī)酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質(zhì)，當(dāng)其達(dá)到一定程度時(shí)，則對(duì)作物生長(zhǎng)不利甚至有害。因此堆肥發(fā)酵期間的翻倒也是為了轉(zhuǎn)換微生物活動(dòng)類型，以消除有害物質(zhì)。
2.有機(jī)質(zhì)的腐殖化過(guò)程
關(guān)于腐殖質(zhì)的形成過(guò)程有很多種說(shuō)法，概括起來(lái)大體可分為兩個(gè)階段：第一階段，有機(jī)殘?bào)w分解形成組成腐殖質(zhì)分子的原始材料，如多元酚、含氮有機(jī)物(氨基酸、肽等)等;第二階段，先由微生物分泌的多酚氧化酶將多酚氧化成醌，然后醌與氨基酸或肽縮合而成腐殖質(zhì)單體。由于酚、醌、氨基酸種類很多，相互縮合的方式也不盡相同，因而形成的腐殖質(zhì)單體也就多種多樣。在不同條件下，這些單體又進(jìn)一步縮合形成大小不等的分子。
(二)堆肥過(guò)程中重金屬的的轉(zhuǎn)化
城市污泥中含有豐富的作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)，是堆肥發(fā)酵最佳原材料之一。但城市污泥中往往含有重金屬，這些重金屬一般指汞、鉻、鎘、鉛、砷等。微生物特別是細(xì)菌、真菌在重金屬的生物轉(zhuǎn)化中起重要作用。雖然有些微生物可以改變重金屬在環(huán)境中的存在狀態(tài)，使化學(xué)物毒性增強(qiáng)而引起嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題或濃縮重金屬，并通過(guò)食物鏈積累。但也有些微生物可以通過(guò)直接和間接的作用去除環(huán)境中重金屬，有助于改善環(huán)境。如最早受到關(guān)注的造成環(huán)境污染的重金屬-汞，微生物轉(zhuǎn)化汞包括3方面，無(wú)機(jī)汞(Hg2+)的甲基化、無(wú)機(jī)汞(Hg2+)還原成Hg0，甲基汞和其他有機(jī)汞化合物的裂解并還原成Hg0。這些能將無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞的微生物稱為抗汞微生物。微生物雖然不能降解重金屬，但通過(guò)對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化作用，控制其轉(zhuǎn)化途徑，可以達(dá)到減輕毒性的作用.
(三)堆肥發(fā)酵工藝
堆肥實(shí)際就是廢棄物穩(wěn)定化的一種形式，但它需要特殊的濕度、通氣條件和微生物以產(chǎn)生適宜的溫度。一般認(rèn)為這個(gè)溫度要高于45℃，保持這種高溫可以使病原菌失活，并殺死雜草種子。在合理堆肥后殘留的有機(jī)物分解率較低、相對(duì)穩(wěn)定并易于被植物吸收。堆肥后臭味可以大大降低。
堆肥過(guò)程有許多不同種類的微生物參與。由于原料和條件的變化，各種微生物的數(shù)量也在不斷發(fā)生變化，所以堆肥過(guò)程中沒(méi)有任何微生物始終占據(jù)主導(dǎo)地位。每一個(gè)環(huán)境都有其特定的微生物菌群，微生物的多樣性使得堆肥在外部條件出現(xiàn)變化的情況下仍可避免系統(tǒng)崩潰。
堆肥過(guò)程主要靠微生物的作用進(jìn)行，微生物是堆肥發(fā)酵的主體。參與堆肥的微生物有兩個(gè)來(lái)源：一是有機(jī)廢棄物里面原有的大量微生物;另一是人工加入的微生物接種劑。這些菌種在一定條件下對(duì)某些有機(jī)廢物具有較強(qiáng)的分解能力，具有活性強(qiáng)、繁殖快、分解有機(jī)物迅速等特點(diǎn)，能加速堆肥反應(yīng)的進(jìn)程，縮短堆肥反應(yīng)的時(shí)間。
堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。好氧堆肥是在有氧情況下的有機(jī)物料分解過(guò)程，其代謝產(chǎn)物主要是二氧化碳、水和熱;厭氧堆肥是在無(wú)氧條件下有機(jī)物料的分解過(guò)程，厭氧分解最后的代謝產(chǎn)物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產(chǎn)物，如有機(jī)酸等。
參與堆肥過(guò)程的主要微生物種類是細(xì)菌、真菌以及放線菌。這3種微生物都有中溫菌和高溫菌。
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