秸秆堆肥降解过程中的微生物变化
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摘要：中国每年产生大量的农作物秸秆，然而这些秸秆并没有被合理应用，甚至造成严重的污染問题。利用微生物对秸秆进行堆肥降解是秸秆科学再利用的有效方式之一，具有无污染、成本低、条件温和、改善土壤有机质、提升土壤肥力等特点。堆肥条件下微生物群落的演替和酶系的变化直接影响着堆肥的效率，对秸秆堆肥降解过程中的微生物变化及堆肥条件进行了综述，以期为提高秸秆堆肥效率提供参考。
关键词：秸秆;堆肥降解;微生物;协同降解;多酶系;堆肥条件。
中图分类号：S141.4 文献标识码：A。
文章编号ki.issn0439—8114.2019.21.017。
Abstract： A large amount of straw are produced every year in China. However， these straws have not been rationally used， and even cause serious pollution problems. Microbial composting degradation of straw is one of the effective ways of straw scientific reuse. It has the characteristics of pollution—free， low cost， mild conditions， and can improve soil organic matter and increase soil fertility. The efficiency of composting is directly affected by the succession of microbial communities and changes in enzyme systems under composting conditions. The changes of microorganism and composting conditions in the process of straw composting degradation were summarized to provide reference for improving the efficiency of straw composting.
Key words： straw; compost degradation; microorganisms; synergistic degradation; enzymes; composting conditions。
中国每年秸秆产量有9亿t，加工副产物有5.8亿t，这些加工副产物综合利用率不到40%，60%以上的副产物被随意丢弃、堆放或用作生活燃料，这相当于0.47亿hm2土地的投入产出和6 000亿元的收入被浪费掉[1]。利用微生物降解秸秆具有无污染、成本低、条件温和等特点，近年来越来越受到人们的关注。农作物秸秆具有丰富的氮、磷、钾及有机质养分，是中国传统的有机肥料源，但需通过微生物发酵腐熟后才适合大田使用[2]。农作物秸秆腐熟过程是微生物在好氧或厌氧条件下将秸秆中的有机物分解成为CO2、H2O、NH3以及腐殖质的过程。参与发酵腐熟农作物秸秆的微生物种类繁多，包括细菌和多种真核生物，这些生物在秸秆的发酵过程中进行着迅速的群落演替，完成秸秆的腐熟过程[3]。对于不同的堆肥发酵时期，微生物的种类和酶系的变化直接影响着秸秆的降解效果。因此，本研究从农作物秸秆组成、秸秆的降解过程及对秸秆堆肥过程中的微生物群落变化和秸秆降解酶系的变化进行了综述，以期为提高秸秆堆肥效果提供参考。
由于秸秆组成成分的复杂性，秸秆的利用率并不高，目前农业秸秆的利用方式主要有秸秆堆肥、秸秆板材、秸秆饲料、秸秆固态燃料等，虽然对秸秆的处理具有一定的帮助，但同时存在着一些缺点，如表1 所示。
农作物秸秆的主要成分是木质纤维素，是自然界中最丰富的天然碳源。而限制秸秆利用的主要因素是纤维素、半纤维素与木质素通过大量的共价键与非共价键紧密连接形成不溶于水和有机溶剂并且在常温下难以降解的三维结构，从而导致在动物体内消化缓慢、营养吸收不好、工业上发酵转化产率不高等问题[4]。木质纤维素的主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶、可溶性糖、粗蛋白质等，纤维素是由D—吡喃葡萄糖基通过β—1，4糖苷键连接而成的线性多聚糖，它是秸秆最重要的成分，约占植物总重量的20%～40%[5]，其组成结构见图1。
农作物秸秆的生物降解是在一系列酶的协同作用下完成的，其不同组分需要有不同的酶系降解，如表2所示。目前比较认同的天然木质纤维素的降解理论为协同理论。首先内切葡聚糖酶（Cx酶）在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶区域进行切割，产生新的末端，然后再由外切葡聚糖酶以纤维二糖为单位从末端水解，最后再由β—1，4—糖苷酶（CB酶）将纤维二糖酶彻底水解为葡萄糖[6]。在秸秆的降解过程中，由于纤维素、半纤维素、木质素之间组成的致密性，微生物在降解过程中对于相关组分的降解存在一定的顺序。杜甫佑等[7]在对白腐菌降解木质纤维素的研究过程中表明，白腐菌在降解天然木质纤维素过程中首先降解半纤维素，再同时降解半纤维素、纤维素和木质素。