畜禽养殖业是我国农业和农村经济的重要组成部分, 也是造成我国农村面源污染的主要原因之一。随着我国畜禽业的飞速发展, 饲养方式由过去的小户经营、饲养头数少、分布在农区, 转变为现在的规模化经营、饲养头数多、分布在城郊接合区, 加上农作物肥料施用由过去的畜禽粪便为主转变为现在的化学肥料为主, 导致过去形成的以畜-肥-粮循环为主要形式的农业生产模式被打破。养殖业和种植业严重分离, 畜禽粪便由宝贵的农业资源变为污染环境的废弃物。堆肥是目前无害化、资源化处理畜禽粪便的有效方法之一, 可减轻环境污染并且能够最大程度地实现资源化利用。

大量畜禽粪便在堆放过程中会发酵产生各种恶臭物质, 包括NH3、H2S、吲哚、甲基硫醇等, 长期接触会对人畜的健康造成危害, 有慢性中毒的潜在可能[1,2]。赵灵英曾报道, 美国高床饲养蛋鸡舍中44400只蛋鸡, 每天排放45.36 kg氨气[3]。家禽长期接触到NH3, 会引发眼结膜炎, 影响其正常采食和饮水[4,5,6]。David等将大鼠和小鼠暴露在不同浓度的H2S气体环境中, 发现H2S浓度大于45 mg/m3时, 大部分试验鼠都出现了鼻神经元失灵的现象[7]。这些恶臭物质还可以滋生蚊蝇、传播疾病, 是形成温室效应和酸雨的污染源之一。因此, 加速堆肥腐熟、缩短发酵周期, 减少氨气和硫化氢等恶臭气体的排放, 是解决目前堆肥除臭问题的研究热点之一[8,9]。

目前, 国内外畜禽粪便除臭主要采用物理、化学和生物除臭技术, 使恶臭气体的物象和结构改变, 进而达到脱臭的效果[10]。化学方法主要是利用强氧化剂高锰酸钾、过氧化氢等, 使部分臭气成分氧化成少臭、无臭物质。物理方法包括机械通风降低臭气浓度, 或者通过吸收剂吸收臭气。这两种技术在快速除臭的同时会增加成本、造成环境的二次污染, 无法重复利用。生物除臭法是20世纪50年代发展起来的一种治理恶臭污染的方法, 该方法是利用微生物的生理代谢活动来降解恶臭物质使之转化为无臭物质, 具有处理效率高、无二次污染、便于操作、费用低廉等特点, 已成为国内外恶臭防治研究与百富策略白菜网中的主要方法[11,12]。

生物除臭法兴起于20世纪50年代。1957年, 美国科学家Paneray申请专利“利用土壤微生物处理硫化氢废气”, 标志着人类开始利用微生物进行除臭研究[13]。20世纪70年代开始, 该方法被各国广泛研究百富策略白菜网于环境治理方面。20世纪80年代, 德国和荷兰等国家利用微生物处理臭气效果较好, 引起了日本、美国等国家的重视。Gutarowska等将从废弃物中筛选的6株细菌和1株酵母固定在珍珠岩膨润土载体上进行除臭实验, 发现72 h对氨气去除率为20.8%[14]。Kanagawa等利用筛选得到的排硫杆菌处理浓度为150 mg/L的H2S时, 生物氧化速率是化学氧化速率的7倍, 处理浓度为10 mg/L的H2S时为75倍[15]。目前, 利用微生物进行除臭的产品在国外已有上市, 而且除臭效果较好。我国在这方面的研究工作起步较晚, 20世纪90年代以后才开展这方面的实验室研究工作[16,17]。李维炯等引进琉球大学比嘉照夫教授研制的土壤改良剂EM有效微生物菌群, 采用生物技术和工程技术相结合的方法, 将其用于去除畜禽粪便恶臭、净化圈舍环境方面的研究, 结果显示EM技术能有效去除畜禽粪便的恶臭[18]。高大响等通过初筛与复筛, 从鸡粪和污泥中分离纯化出2株好氧型除臭菌株, 在菌剂中添加麸皮增加透气性后进行除臭实验, 发现NH3和H2S的释放量很低[19]。黄灿等研究了各种链霉菌及其组合对猪粪恶臭污染物排放的影响, 发现接菌处理后, 降低了NH3及H2S的挥发[20]。目前, 由于百富策略白菜网微生态工程技术净化养殖场设备简单, 无任何污染物产生, 该技术已成为国内外处理畜禽粪便堆肥的主要技术。

畜禽粪便堆肥过程中, 微生物除臭剂通过硝化、反硝化、氧化和还原等作用转换恶臭气体, 同时调控堆肥的碳氮代谢, 将其降解为芳香小分子有机物, 分解粪便中的有机质和腐殖质, 减少氮类物质挥发损失, 最终达到除臭目的;因此, 筛选高效除臭菌株, 探讨功能性微生物的除臭机理和本质对除臭剂的研究具有重要意义[21,22,23]。目前, 国内外学者已筛选出多种高效除臭微生物。这些微生物包括细菌、真菌、酵母、放线菌、光合细菌、霉菌以及EM菌。Ye等分离到3株具有NH3去除能力的菌株, 经鉴定分别为Bacillus、Streptomyces griseus和Sphaeropsidales, 将这3株菌混合固定到载体上分别悬挂在猪圈和粪便堆积处的上方, 菌剂在这两处对氨气的去除率分别是78.4%和84.4%[24]。Kim等将海洋中分离得到的Vibrio接种到生物反应器中, 氨气的去除率达到了85%[25]。曾苏等从垃圾渗滤液中分离筛选了4株可用于除臭的菌株, 通过形态、生理生化和16S r DNA序列分析, 分别鉴定为乳酸片球菌、巨大芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌和粪产碱杆菌[26]。许丽娟等从垃圾填埋腐败垃圾泥土中分离筛选出1株除臭效果好、除臭性能稳定的菌株JZ-6, 经鉴定为酿酒酵母[27]。2014年, 贺琨等通过在培养液中添加浓氨水和硫化氢, 定向筛选能降解、吸收氨和硫化氢的菌株, 最终得到1株粪产碱菌, 并确定了主要除臭成分为活体细胞[28]。

堆肥过程中产生的恶臭物质成分复杂多样, 根据不同成分主要分为含硫类物质、含氮类物质、惰性气体及其衍生物、有机化学类物质等。其中, 含硫类物质和含氮类物质被认为是主要的恶臭物质, 长期处在含有一定浓度氨气和硫化氢的环境中对人畜健康危害最大;因此, 在进行除臭菌株的筛选中, 主要是以氨气和硫化氢为判定指标。根据菌株除臭成分的不同, 除臭微生物主要分为除氨微生物、脱硫微生物和去除其他气体的微生物。

通过自身的硝化作用和反硝化作用转换氮元素的微生物统称为除氨微生物, 包括自养硝化和异养硝化。Jiang等认为, 在堆肥过程中大量氮损失是由于氨的持续性挥发造成的, 而微生物除臭剂可以通过改善自然堆肥微生物的群落结构, 使堆肥过程中产生的氨气被硝化细菌或其他微生物迅速转化, 最终减少氨气的挥发[29]。氨气在有氧条件下经亚硝酸/硝酸细菌的硝化作用转化为硝酸盐, 在兼性厌氧的条件下, 还原细菌将硝酸盐还原为氮气。目前, 自然界中已知的除氨微生物大约有50多个属、130个种, 包括Bacillus、Alcaligenes sp、Pseudomonas、Zoogloea、Acinetobacter、Thiobacillus、Saccharomyces、Candida、Aspergillus、Penicillium、Rhizopus等[30,31,32,33,34,35,36]。单奇华等2005年筛选出的酵母菌在实验室条件下可使鸡粪中氨气的释放量减少30%以上[37]。陈书安曾利用绿色木霉消除鸡粪堆肥里67%的氨[38]。郭梅仙等采用氨水逐级驯化法, 筛选出4株除氨菌[39]。百富策略白菜网效果研究中发现, 菌株A1+A2的NH3释放量最小, 全氮和有机氮损失最少, NH-N和NO-N的增加最多。表明除氨菌控制了NH4+-N的分解, 减少了氮以NH3挥发造成的损失, 使其有利于向NO3--N和有机氮转化而被固定。

脱硫微生物是指通过自身的代谢作用将恶臭中的硫化物转化为单质硫或者硫酸盐的微生物, 主要分为异养型和自养型硫氧化细菌[21,22,40]。反硝化脱硫细菌在氧化硫化氢的同时, 会生成亚硝酸盐, 亚硝酸盐是硫化氢的强烈抑制剂, 可以有效控制硫化氢的生成[41]。通常, 自然界中的硫化物被微生物氧化的方式有3种:光合硫细菌的厌氧氧化、反硝化细菌氧化和硫杆菌属细菌氧化。余海晨等以含巯基的半胱氨酸模拟自然界H2S的产生, 从垃圾堆中筛选出6株异养硫氧化细菌, 可以把二甲基亚砜 (DMSO, 含C-S键) 降解为H2S, 并对H2S进一步氧化成SO42-、SO32-和S2O3[42]。这6株异养硫氧化细菌混合菌群可以将0.1mol/m L的半胱氨酸降解为H2S, 然后再对产生的H2S进一步降解, 降解率达到82%。谭文博等从同步反硝化脱硫工艺反应器的厌氧污泥中筛选出了一株新菌X2, 通过分子生物学鉴定发现该菌株属于硫假单胞菌属 (Thiopseudomonas sp) [43]。

畜禽恶臭物质中, 除了NH3和H2S, 还有具有恶臭气味的芳香族化合物, 包括吲哚类、甲酚、粪臭素等和挥发性脂肪酸。这些化合物和脂肪酸主要是由胃肠道中的各种微生物 (例如乳酸菌属、梭菌属、拟杆菌属等) 厌氧发酵产生[44]。孙佩石等利用假单胞菌净化气相中的甲苯, 具有较好的效果[45]。孟晓等百富策略白菜网响应面分析法对短乳杆菌在发酵过程中去除粪臭素的发酵条件进行优化, 并且研究各发酵参数之间的交互效应, 最终在优化条件下得到的粪臭素去除率是71.83%, 发现菌株的发酵上清液对粪臭素的去除能力最强, 去除率为17.25% (24 h) , 证明了该菌去除粪臭素的作用不是物理吸附[46]。

由于恶臭气体成分比较复杂, 单株菌进行除臭很难达到理想效果[47]。例如, Elimrini等筛选到的除臭菌株只对氨气去除率较高, 对硫化氢作用不明显[48]。Ransbeeck等研究发现, 每一种臭气都需要特定的微生物进行降解, 单一菌株除臭效果明显低于多种微生物共同作用的效果[49]。因此, 现阶段研究中, 需要混合菌株构成的菌群共同抑制畜禽粪便堆肥过程中复杂恶臭气体的产生。日本琉球大学比嘉照夫教授研制的EM菌, 主要由光合菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌及丝状菌5大类微生物中的10属80种有益微生物组成, 广泛用于农业、养殖、环保等领域, 可以除异臭、清洁空气、改善环境[50]。Meinen等利用筛选的除臭菌株混合培养后得到的除臭剂, 除臭效果优于任何一个单菌株[51]。目前, 除臭菌群的筛选及百富策略白菜网成为研究的热点, 日本和欧美等国家在微生物除臭菌剂中微生物的筛选、基础研究及产品开发等方面均处于领先地位。

我国对于复合菌种除臭研究也取得了较好发展。梁军等采用定性和定量方法检测了不同菌剂处理的鸡粪中臭气的含量变化, 认为光合菌和复合菌都有一定的除臭效果, 但复合菌处理粪便后, 氨气的含量降低了61.56%, 除臭效果明显优于光合菌[52]。刘胜洪等将光合细菌、乳酸及酵母菌等制备的生物除臭菌液添加到猪粪堆肥中, 可以促进堆肥温度升高, 使高温阶段提前、含水量下降[53]。张生伟等利用平板划线分离法从5份样品中分离出130株菌株, 通过初筛和复筛相结合等方法, 分别筛选出了可高效抑制氨气、硫化氢释放的菌株5株和3株, 采用正交试验优化设计其高效除臭组合, 得到一组由7株细菌组成的除臭菌群[54]。利用筛选得到的高效除臭菌株和纤维素分解菌群优化组合制备微生物除臭剂, 在堆肥的前20 d对氨气和硫化氢的去除率高达70%和60%以上, 同时使堆肥的p H值、含水率和C/N降低, 温度上升时间加快, 高温持续时间延长。说明该除臭剂具有高效稳定的除臭作用, 在无害化、资源化处理畜禽粪便和治理环境污染方面具有较大的百富策略白菜网潜力[55]。

以微生物为中心的生物除臭技术具有其他传统方法无法相比的优势, 例如操作简单, 处理费用低、处理后不产生二次污染, 该技术在恶臭气体方面具有广泛的百富策略白菜网前景。我国于20世纪90年代才开展相关实验室研究工作, 实验室内已形成了成熟的菌种培养技术, 通过不同的菌株复合, 提高除臭效率, 但混合菌的发酵工艺还有待优化。微生物除臭菌剂及其技术在今后理论研究与实际百富策略白菜网中的重点是进一步加强筛选和驯化适宜微生物, 研发高效、经济、环保的混合菌株, 有针对性地处理高浓度、复杂的混合气体, 这对我国畜禽粪便的无害化处理及资源化利用具有重要意义。