环保酵素对土壤改良及污水污泥堆肥影响的应用研究进展

Research Progress on the Effect of Garbage Enzymes on Soil Improvement and Sewage Sludge Composting

摘要: 本文综述了环保酵素在土壤改良及污水污泥堆肥方面的应用，整理了近年来利用环保酵素进行土壤改良及污水污泥堆肥方面的一些研究，结果表明，在土壤改良方面，环保酵素可以提高土壤养分。在污水污泥堆肥过程中，环保酵素的施加可以提高微生物活性和堆肥质量。此外，环保酵素在污水污泥堆肥过程中可以提高细菌群落多样性。旨在对未来土壤改良及污水污泥堆肥影响提供一些思路。

Abstract: In this paper, the application of environmental enzymes in soil improvement and sewage sludge composting was reviewed. Some studies on soil improvement and sewage sludge composting using environmental enzymes in recent years were summarized. The results showed that environmental enzymes can improve soil nutrients in soil improvement. In the process of sewage sludge composting, the application of environmental enzymes can improve the microbial activity and com-posting quality. In addition, environmental enzymes can improve bacterial community diversity during sewage sludge composting. The aim is to provide some ideas for soil improvement and sewage sludge composting in the future.

1. 引言

环保酵素是糖、新鲜蔬菜废弃物和水按照1:3:10的比例进行混合发酵3个月得到的产物(见图1)。

Figure 1. Preparation process of garbage enzymes

图1. 环保酵素制备过程

环保酵素(Garbage Enzyme)是由废弃蔬菜和水果或其他厨余垃圾，水和红糖发酵产生的复杂有机溶液。这种酶溶液具有四类功能：分解，分解，转化和催化 [1] 。因此，GE已被广泛应用于污水处理、土壤肥料、植物生长激素和重金属的积累中 [2] 。在垃圾填埋场渗滤液中添加20%的GE在28天后使渗滤液污染指数降低了74.75% [3] 。GE也可用作土壤肥料。转基因喷施后，水稻中的Cd含量显著降低了47.54~63.08% [4] 。GE添加使丹参的Cd吸收降低了25.31% [5] 。发酵3个月后，GE还富含蛋白酶，淀粉酶和脂肪酶 [6] 。在土壤改良方面，环保酵素中营养成分浓度较高，有助于提高土壤中有机质、磷、钾、氮等营养物质的丰度。上述GE的四类功能，这些正是堆肥过程所需要的。然而，很少有研究评估转基因对堆肥过程的影响。因此，本研究的目的是调查GE添加对酶活性的影响，总氮(TN)含量等，并探索污水污泥堆肥过程中添加GE后对细菌群落多样性的影响。

2. 环保酵素对土壤理化性质的影响

施用环保酵素对土壤的pH值、电导率(electrical conductivity, EC)、土壤阳离子交换量(cation exchange capacity, CEC)、可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)等化学性质的影响比较显著。许多研究表明，对土壤施用不同类型的酵素均能降低pH值，改变土壤EC值，增加土壤CEC值和可溶性有机质含量(表1)。刘泽霞 [8] 等利用环保酵素对盐碱土改良效果的研究发现，当施用1:800稀释比例的环保酵素时土壤的EC值降幅达42.50%；在1:200的稀释比例下，土壤的pH值显著降低，土壤DOC显著增加了34.28%。这些变化可能是因为酵素在发酵过程中产生大量的酸和有机物，酸能够使土壤pH值降低，活化钙镁盐类，提高CEC值；有机物则可以吸附无机盐离子，减弱盐分的副作用，促进DOC的积累；同时酵素中一些未被充分利用的无机阴离子和阳离子也能影响土壤中各种离子的含量，与有机物共同起到改变EC值的作用；而且酵素中存在的大量微生物可以加快有机质的分解，使上述的反应可以持续进行。

Table 1. Effects of different enzymes on main chemical properties of different soils [20]

表1. 不同类型酵素对不同土壤主要化学性质的影响 [20]

3. 环保酵素对土壤主要养分的影响

Table 2. Effects of different enzymes on main nutrients in different soils [20]

表2. 不同类型酵素对不同土壤主要养分的影响 [20]

环保酵素含有大量的糖分以及小分子的植物组分 [11] ，并具有较高浓度的有机质、氮素、磷素、钾素等养分成分，施用后影响着土壤中主要养分的动态。许多研究表明施用酵素使土壤中的全氮、全磷、速效钾含量增加，而速效氮、速效磷、全钾在不同研究中产生相异的变化(表2)。这种变化是因为酵素中本有的氮磷能够使土壤中的全氮、全磷含量增加。但酵素的施用促进了土壤微生物对含氮有机化合物的转化 [14] 和氮素的有效化 [15] 。而速效磷的含量受pH值、无机盐离子和 有机质的含量等影响。因此，速效磷和速效氮的含量变化无规律。从已有的研究来看，环保酵素的施加可以促进速效钾的含量，而全钾的含量各不相同。

4. 环保酵素对污水污泥堆肥过程中酶活性变化的影响

Figure 2. Changes in cellulase (a), fluorescein diacetate hydrolase (b), and nitrogenase (c) activities and principal component analysis of the three enzymes (d) during the composting process [28]

图2. 堆肥过程中纤维素酶(a)、荧光素二乙酸水解酶(b)和氮酶(c)活性的变化以及三种酶(d)的主成分分析 [28]

纤维素酶(CL)与有机物降解和碳代谢密切相关，在堆肥过程中增强可溶性营养物质中起着重要作用 [23] 。除第0天外，GE处理全过程CL活性较对照组增加20.0~39.3%，表明添加GE后CL活性增强(图2(a))。富含水溶性C和N等矿物质的GE可以促进本土微生物的生长，最终导致更多CL的分泌。

荧光素二乙酸酯水解酶(FDA)用于评估微生物总活性，并且与土壤养分(例如土壤中的总碳和氮)密切相关 [24] [25] 。除初始值(第0天)外，FDA在GE治疗中的活性也高于对照组。并在第4天达到峰值，值为30.1 μmolg⁻¹∙h⁻¹，并逐渐减少，直到堆肥结束(图2(b))。这一结果也表明，GE的添加几乎提高了整个过程的微生物活性。

氮酶活性是估计堆肥质量的重要指标 [26] 。固氮酶是固氮菌分泌的重要酶，可以转化氮气(N₂)转化为生物可利用铵(NH₄-N)。作为土壤肥料，末端堆肥的氮酶活性是估计生物固氮能力的重要指标 [27] 。GE处理中的氮酶活性在堆肥时间的延长下先增加后降低，对照组的氮酶活性逐渐降低(图2(c))。第12~24天的减少可能与整体微生物活动在冷却和成熟阶段较弱的事实有关。堆肥结束时，GE的氮酶活性相对于CK增加了110%。结果表明，GE的添加增强了末端堆肥的生物固氮能力，从而提高了堆肥质量。

环保酵素是由鼠李糖脂和槐脂组成，是两种生物表面活性剂组合物两种生物表面活性剂组合物。表面活性剂不仅可以促进微生物细胞外酶从堆肥培养基表面解吸，还可以增强酶的稳定性以提高其活性 [29] 。这可以部分解释为什么GE处理中的三种酶高于CK中的酶。此外，PCA结果表明，与对照相比，GE添加显著改变了三种酶活性(图2(d))。GE处理的三种酶在第0天和第4天，第12天和第24天显着分离。

5. 环保酵素对污水污泥堆肥过程中细菌群落多样性的影响

环保酵素不仅具有强大的生物催化和抗氧化特性，而且还具有抗菌特性，因此也会影响细菌群落的生长。随着堆肥的进行，抑制逐渐减弱，为GE添加提供营养，导致细菌的繁殖和生长 [29] 。

Figure 3. Bacterial community diversity of CK and GE treatments: (a) observed OTU, (b) Chao richness, (c) Shannon’s diversity, (d) sequencing coverage, (e) weighted UniFrac cluster analysis, and (f) compare bacterial OTU from day 4 and day 12 by Venn diagram [29]

图3. CK和GE治疗的细菌群落多样性：(a) 观察到的OTU，(b) Chao丰富度，(c) 香农的多样性，(d) 测序覆盖率，(e) 加权UniFrac聚类分析，以及(f) 通过维恩图比较来自第4天和第12天样品的细菌OUT [29]

如图3(a)所示，6个样品的曲线趋于渐近，表明测序深度足以反映细菌群落结构。此外，所有样品的覆盖率值也表明测序结果是足够的，因为所有值都大于0.99 (图3(d))。GE处理第4天的Chao和Shannon指数低于对照组(图3(b)和图3(c))。结果表明，添加GE降低了第4天的细菌群落和丰富度。基于加权UniFrac聚类的聚类分析表明，堆肥样品分为三组(图3(e))。第4天CK、第12天和12天GE形成一个集群，第24天CK和第24天GE形成一个集群，而第4天GE形成一个集群。这一结果部分表明，无论处理如何，同一阶段的样品都具有很高的相似性。这一结果表明，GE添加显著改变了细菌群落相对于对照组的连续性，特别是在嗜热阶段(第4天)和冷却阶段(第12天)。此外，GE处理中独特的OTU在两个阶段也高于CK处理，如图3(f)所示。

6. 环保酵素对污水污泥堆肥质量的影响

总氮(TN)含量是评估堆肥质量的常用指标。对于GE处理，TN含量首先下降，并在第4天达到最小值，然后，由于“富集效应”和N固定，它逐渐增加直到堆肥结束 [30] 。在GE堆肥结束时，TN含量比初始值增加了3.31%。然而，在整个过程中，对照中的TN含量急剧下降，可能是由于较低的TOC降解速率和较高的NH3排放。在整个过程中，对照中的TN含量相对于初始值降低了26.5%。GE处理TN含量较对照增加39.2%，表明GE添加降低了NH₃排放和增加的NH₄-N含量，最终增加TN含量。

C/N比用于确定堆肥成熟度，并直接确认最终堆肥产品是否抑制植物生长 [31] 。如图3(f)所示，GE处理的C/N随着堆肥时间的延长而逐渐降低，与其他堆肥研究基本一致 [32] 。然而，CK处理的C/N在整个阶段均呈上升趋势。推荐的最终C/N比小于15对于成熟堆肥是令人满意的 [33] 。堆肥结束时GE处理的C/N比低于15，但CK处理的C/N比值不符合这一标准。

7. 小结

在土壤改良方面，环保酵素可以降低土壤盐碱度，提高土壤养分，且环保酵素无公害无污染的特点符合国家环保理念。因此，在未来土壤改良的应用中具有广阔的应用前景。在污水污泥堆肥过程中，环保酵素的施加可以提高纤维素酶、荧光素二乙酸酯水解酶、氮酶的活性，进而提高微生物活性和堆肥质量。此外，环保酵素在污水污泥堆肥过程中可以降低细菌群落丰富度和多样性 [33] 。

8. 展望

污水污泥堆肥和土壤改良有着密切关系。宋志蕾 [34] 研究发现，施用污水污泥堆肥可以增加全氮、全磷、全钾、有机质的含量。除此之外，污水污泥堆肥与单施化肥相比，土壤解氮度、速效磷、速效钾的含量也增加。因此施用污水污泥堆肥可以达到增加土壤肥力的目的。

目前，我国对与环保酵素在土壤改良、污水污泥堆肥方面的研究进展还处于探索阶段。未来还需要探究以下方面。第一，速效氮、速效磷、全钾在不同的研究中会产生不同的变化，而这种变化是否与环保酵素的原材料、比例和使用方法有关，目前这方面的研究还不够全面和深入，要加强这方面的研究验证。第二，从已有的国内外研究来看，环保酵素可以提高土壤养分。但这些结果大部分都停留在表面现象上，对造成这种结果的内在机理还挖掘不够，未来的研究需要在这面加强。第三，施用污水污泥堆肥如何通过内部机制来增加土壤肥力。这些可作为未来的研究方向。

NOTES

^*通讯作者。