隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化水平和人民生活水平的不斷提高，中國的城市生活垃圾產(chǎn)出量與日俱增。由此引起的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，城市垃圾的處理已成為直接影響城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生活質(zhì)量的重要因素。北京、沈陽、上海、西安等許多大城市都已出現(xiàn)垃圾包圍城市的現(xiàn)象，大量隨意堆放的垃圾不僅占用土地、破壞景觀，而且還傳播疾病，影響環(huán)境衛(wèi)生和居民健康，因此垃圾的無害化、減量化、資源化處理是中國城鎮(zhèn)亟需解決的重大環(huán)境問題之一。生活垃圾堆肥法處理是實(shí)現(xiàn)垃圾無害化、減量化、資源化的一條重要途徑。生活垃圾中的被丟棄的有機(jī)物質(zhì)，尤其是其中大量的廚余垃圾，通過生物處理技術(shù)可轉(zhuǎn)變成優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。而通過對(duì)微生物進(jìn)行篩選和育種，可以得到降解能力強(qiáng)的高效菌種，將這些菌種應(yīng)用于垃圾堆肥處理中，能夠有效加快有機(jī)物的分解，縮短發(fā)酵周期，提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量等。

1城市生活垃圾堆肥處理中微生物選育技術(shù)的意義與方法

1.1微生物選育的意義

垃圾中的有機(jī)物主要是纖維素、木質(zhì)素、淀粉脂肪、蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)均可作為微生物的營養(yǎng)，而被微生物所分解利用。堆肥處理就是基于這一基點(diǎn)，才能實(shí)施。它依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，人為地控制促進(jìn)可生物降解有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化。微生物是堆肥法處理的工作主體，但各種微生物對(duì)不同物質(zhì)分解能力和分解速率是不盡相同的，不同溫度條件下堆肥過程中出現(xiàn)的微生物種群和數(shù)量也截然不同，因此堆肥處理是一個(gè)復(fù)雜的微生物混合種群生態(tài)系統(tǒng)的變化過程。只有掌握了微生物的基本生理特性、分離篩選、培育出高效優(yōu)勢菌種，才能獲得較好的處理效果。但目前，對(duì)堆肥過程中的微生物種群及數(shù)量變化和高效優(yōu)勢菌種的研究不是很成熟。傳統(tǒng)的厭氧堆肥發(fā)酵法，有機(jī)物分解慢，發(fā)酵周期長達(dá)4～6個(gè)月，占地面積大，蚊蠅孳生，污水四溢，二次污染嚴(yán)重。在某些處理裝置中，由于對(duì)微生物的生理、生化特性掌握不好，或沒有采用適宜的高效微生物菌種，難以達(dá)到預(yù)期的處理效果。而堆肥處理中通過添加單一的菌種或人工組合的微生物種群能有效加快有機(jī)物的分解，縮短發(fā)酵周期，提高堆肥制品質(zhì)量等。

1.2微生物選育方法

菌種選育包括根據(jù)菌種自然變異而進(jìn)行的自然選育，以及根據(jù)遺傳學(xué)基礎(chǔ)理論和方法，人為引起的菌種遺傳變異或基因重組，如誘變育種、雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等技術(shù)。

菌種選育的前提條件是從自然界獲得相應(yīng)的原始菌種。自然界中微生物資源極其豐富，但是，由于微生物領(lǐng)域的發(fā)展要比動(dòng)植物慢得多，加上微生物種的分類和鑒定較為復(fù)雜和困難，所以，目前已確定的微生物種數(shù)僅10萬種左右，而從生理類型、代謝產(chǎn)物和生態(tài)分布等角度分析，微生物種類應(yīng)大大超過所有動(dòng)植物之和，其代謝產(chǎn)物的多樣性是動(dòng)植物無法比擬的。因此，微生物領(lǐng)域是一個(gè)亟待開發(fā)和利用的寶地。從自然中分離微生物新種的具體過程大體可分為采樣、增殖培養(yǎng)、純種分離、性能測定等步驟。

從自然界分離的野生菌分解污染物的能力往往很低，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，這就要求對(duì)它們進(jìn)行菌種改造，即育種。早期人們認(rèn)為微生物可“馴化”或馴養(yǎng)，出現(xiàn)一種定向培育技術(shù)，即在特定環(huán)境下長期處理某一微生物培養(yǎng)物，同時(shí)不斷地移種傳代，以達(dá)到積累和選擇合適的自發(fā)突變的古老的育種方法。由于自發(fā)突變的頻率較低，變異程度不大，所以，用該法培養(yǎng)新菌種的過程十分緩慢。誘變育種是利用物理或化學(xué)誘變劑處理均勻分散的微生物細(xì)胞群，促進(jìn)其突變率大幅度提高，然后采用簡便、快速和高效的篩選方法，從中挑選少數(shù)符合育種目的突變體。物理誘變主要采用輻射，如紫外線、x射線、γ射線、激光和快中子?；瘜W(xué)誘變劑包括能與核酸堿基發(fā)生反應(yīng)的化合物，如烷化劑、亞硝酸、羥胺，以及核酸堿基類似物，如5－溴尿嘧啶(5－BU)、5－氟尿嘧啶 (5－FU)、8－氮鳥嘌呤(8－NG)和2－氨基嘌呤(2－AP)等。核酸堿基類似物的分子結(jié)構(gòu)與堿基結(jié)構(gòu)類似，在DNA復(fù)制時(shí)，它們可以被錯(cuò)誤摻入 DNA，引起誘變效應(yīng)。誘變育種的基本過程如下：(1)選擇合適的出發(fā)菌株；(2)制備待處理的菌懸液；(3)誘變處理；(4)篩選；(5)保藏和擴(kuò)大培養(yǎng)。對(duì)微生物育種而言，有性重組的局限性很大，這是因迄今為止發(fā)現(xiàn)有雜交現(xiàn)象的微生物并不多，這就妨礙了雜交育種技術(shù)在微生物育種中的應(yīng)用。

原生質(zhì)體融合技術(shù)提供了充分利用遺傳重組雜交的方法，原生質(zhì)體融合技術(shù)首先是在動(dòng)植物細(xì)胞融合研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，然后才采用于真菌、細(xì)菌、放線菌。由于這一技術(shù)可以打破種屬間的界限，提高重組頻率，擴(kuò)大重組幅度，而倍受關(guān)注。有報(bào)道，放線菌原生質(zhì)體融合頻率達(dá)10-2～10-1，絲狀真菌達(dá) 10-3～10-2，細(xì)菌和酵母菌也可達(dá)10-6～10-5。

基因工程是用人為的方法將所需的某供體生物的遺傳物質(zhì)DNA分子提取出來，在離體條件下切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后導(dǎo)入某一受體細(xì)胞中，讓外來的遺傳物質(zhì)在其中進(jìn)行正常的復(fù)制和表達(dá)，從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術(shù)。自1973年第一個(gè)目的基因重組以來，已用微生物表達(dá)和生產(chǎn)了許多重組基因產(chǎn)物，但主要是用于疾病診斷和治療，而在環(huán)境工程上的應(yīng)用不多。目前，在環(huán)境工程方面的微生物選育中誘變育種仍是一個(gè)最有效、實(shí)用的方法，而通過分子生物學(xué)手段，定向構(gòu)建基因工程菌應(yīng)是垃圾堆肥微生物育種的重要發(fā)展趨勢。

2微生物選育技術(shù)在城市生活垃圾堆肥處理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)堆肥法一般都是采用增加營養(yǎng)和改善環(huán)境條件的方法，利用堆制原料中的土著微生物來降解有機(jī)污染物，大量資料表明，在堆肥腐熟過程中，纖維素分解作用是關(guān)鍵問題，但天然纖維素分解菌的活性低，降解速度慢，致使發(fā)酵時(shí)間長，降低了堆肥效率。纖維素是植物殘?bào)w中最豐富的部分。它由β(1～4)糖苷鍵連結(jié)葡萄糖單元所組成，通常與半纖維素和木質(zhì)素連接在一起，其非均質(zhì)基團(tuán)為各種已糖、戊糖、醛酸聚合體，它們?cè)谖锪现谐Ｅc一些更難分解的物質(zhì)相結(jié)合，因此比較難分解，盡管自然界中存在著可以產(chǎn)生纖維素酶的微生物，諸如：假單胞菌(Psendomonas)、色桿菌(Chromobacterium)、芽孢桿菌 (Cytophaga)、木霉(Trichodema)、毛殼霉菌(Chacetomium)、青霉(Penicillium)等，可通過纖維素酶的作用分解纖維素，但由于在細(xì)胞壁中纖維素受到木質(zhì)素的保護(hù)，而許多微生物不能分解木質(zhì)素，因此纖維素的分解受到限制。木質(zhì)素是以酚基丙烷為單元組成的復(fù)雜的芳香族高聚體，它是種子植物的主要結(jié)構(gòu)物質(zhì)之一，占木質(zhì)化組織質(zhì)量的1／5～1／3，起著黏結(jié)劑的作用，它將細(xì)胞壁中的多糖分子以物理、化學(xué)方式連接在一起，極大地增大了這些物質(zhì)的強(qiáng)度。盡管木質(zhì)素的生物合成目前已較清楚，但對(duì)木質(zhì)素降解的生物學(xué)和生物化學(xué)知之甚少。由于木質(zhì)素分子大，溶解性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，化學(xué)鍵鏈相互交織，因而微生物及其分泌的胞外酶不易于與之結(jié)合。木質(zhì)素與植物殘?bào)w的其他組分相比，降解難度大，普通的半知菌真菌，鐮刀霉、曲霉、青霉等不能降解木質(zhì)素，盡管它們能與土壤細(xì)菌、放線菌一道參與木質(zhì)素降解過程的小分子中間產(chǎn)物的進(jìn)一步分解，而放線菌、真菌中的某些種類如白腐擔(dān)子菌 (P..chrysosporium)能對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行有效的降解，國內(nèi)外學(xué)者已就此展開了較廣泛的研究。

早在1936—1938年我國學(xué)者彭家元和降禹平就從堆肥中分離篩選出好熱性纖維素分解細(xì)菌，并擴(kuò)大培養(yǎng)后制成菌劑，作為堆肥的接種劑應(yīng)用。前東北農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所從廄肥、馬糞中分離出來稱之為札禮菌的好熱性纖維素分解菌，將這種札禮菌進(jìn)行培養(yǎng)，制成菌劑加入至堆肥原料后，可加速堆肥的腐熟。同濟(jì)大學(xué)的陳世和等對(duì)城市生活垃圾堆肥過程中的微生物類群進(jìn)行了分離鑒定，并提出在垃圾含有的原有自然微生物群體基礎(chǔ)上，添加高效菌種或酶制劑，將增強(qiáng)對(duì)垃圾的分解和利用，對(duì)于縮短堆肥時(shí)間具有重要意義。中科院南京土壤研究所的顧希賢等從堆肥、畜類、土壤等22個(gè)樣品中，分離得到纖維素分解菌198株，將其中2株生長快、粗纖維分解能力強(qiáng)的菌株制成菌劑，加入到二次發(fā)酵垃圾堆肥中。結(jié)果表明，接菌堆肥比不接菌堆肥升溫快且高，高溫維持時(shí)間長，真菌和纖維素分解菌數(shù)量增多，腐殖質(zhì)含量提高21％～26％。肥效試驗(yàn)證明，施接菌堆肥比不接菌堆肥可使青菜增產(chǎn)9.9％，值得一提的是，他們所采用的二次發(fā)酵接種工藝極具參考價(jià)值。深圳大學(xué)的蒲一傳等利用篩選出的一株自生固氮菌和一株纖維素分解菌進(jìn)行混合培養(yǎng)，初步探索了在兩種菌混合作用下對(duì)生活垃圾的降解作用及增肥效應(yīng)。結(jié)果表明，兩種菌在一定情況下能相互利用、相互依存，混合發(fā)酵液中的總氮量增高，菌數(shù)增加。在兩種菌混合作用下可以加速有機(jī)垃圾的降解，同時(shí)可提高其含氮量，其降解物可作為高效的生物活性有機(jī)肥 Wakasaki，Akiyama，Matthur等進(jìn)行的接種效應(yīng)研究表明，一些從堆肥中分離出來的高溫菌、中溫菌、放線菌和真菌作為堆肥接種劑可加速細(xì)胞壁和木質(zhì)素、纖維素的水解，促進(jìn)腐殖化過程，避免堆肥早期pH值下降，提高堆肥氮素含量和促進(jìn)堆肥過程中磷的可溶性。其中真菌對(duì)堆肥物料的分解和穩(wěn)定起著重要的作用，真菌不僅能分泌胞外酶，水解有機(jī)物質(zhì)，而且由于其菌絲的機(jī)械穿插作用，還對(duì)物料施加一定的物理破壞作用，促進(jìn)生物化學(xué)作用。放線菌利用纖維素能力較弱，但它們能容易利用半纖維素，并能在一定程度上分解木質(zhì)素。中國環(huán)境科學(xué)研究院的席北斗等篩選出用于堆肥處理的高效復(fù)合微生物菌群，實(shí)驗(yàn)表明，高效復(fù)合微生物菌群可以加速生活垃圾和污泥的降解，堆肥時(shí)間縮短18d，同時(shí)成品堆肥中含有大量具有生活活性的微生物。席北斗等人還從堆肥、馬糞、果園土、污泥等原料篩選出活性較高的纖維素分解菌，隨后采用紫外線誘變技術(shù)培養(yǎng)出優(yōu)良菌株，并與EM菌混合后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，混合菌種可以提高有益微生物群體數(shù)目和質(zhì)量，使微生物群落之間相互協(xié)同，形成復(fù)雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而增強(qiáng)微生物的降解活性，使堆肥溫度迅速升高并維持較長的時(shí)間。

在垃圾堆肥過程中常常伴有惡臭，造成大氣污染，針對(duì)這一問題，武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所進(jìn)行了垃圾快速無臭化發(fā)酵菌的篩選工作及中試研究，取得了初步的進(jìn)展，分離獲得37株脫臭效果較好的發(fā)酵菌株，其中常溫菌17株，高溫菌20株。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接種脫臭菌的垃圾與對(duì)照相比，惡臭有明顯下降，且接種量越大，差異越明顯。

有效微生物群(Effective Microorganisms)是由乳酸菌、酵母菌、放線菌和光合細(xì)菌等4大類80余種微生物組成的復(fù)合菌劑的通稱，可用于農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及環(huán)境保護(hù)等方面，其中在生活垃圾處理方面，日本已應(yīng)用EM技術(shù)，將廚房垃圾變成有機(jī)肥料。日本歧阜縣用這種方法處理生活垃圾后，有效地控制了垃圾帶來的環(huán)境污染問題。

3結(jié)束語

城市生活垃圾的堆肥處理，是進(jìn)行城市生活垃圾處理和資源可持續(xù)利用，以保護(hù)環(huán)境資源、滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需求為目的的新興產(chǎn)業(yè)。結(jié)合微生物選育技術(shù)在垃圾堆肥處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，今后應(yīng)深入開展以下研究：

(1)堆肥過程中有效微生物群的種、屬的鑒定；

(2)堆肥過程中微生物種群的比例、種間關(guān)系及其變化規(guī)律的研究；

(3)菌種特性——各種酶的活性、降解速率、發(fā)酵周期等的研究；

(4)運(yùn)用誘變育種、基因工程等技術(shù)培育高效優(yōu)勢菌；

(5)高效復(fù)合微生物菌種的研究。

許多研究表明，單一的細(xì)菌、真菌、放線菌群體，無論其活性多高，在加快堆肥化進(jìn)程中作用都比不上多種微生物群體的共同作用，因此有必要加強(qiáng)高效復(fù)合微生物菌種的研究。此外，安全性問題一直是微生物制劑，特別是基因工程菌推廣使用的主要障礙，但僅僅因?yàn)榛蚬こ叹赡艽嬖谝欢ǖ奈ｋU(xiǎn)性就停止研究和使用，將使我們失去一個(gè)選育高效優(yōu)勢菌種的有力工具，在這方面還需加強(qiáng)管理和更深入的研究。在生活垃圾處理的安全性方面，關(guān)鍵要確保投放安全菌劑和排出無害殘存物。例如可構(gòu)建只適于垃圾處理系統(tǒng)的營養(yǎng)缺陷型菌株來保證其安全性等；同時(shí)要把握好垃圾“消化”過程的溫度、濕度、通氣狀況等，確保處理后的殘存物也是安全的。目前，用于生活垃圾處理的菌種都來源于自然界且絕大部分不是有害菌，從長遠(yuǎn)看，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，基因工程技術(shù)的研究也將越來越深入，它必將在環(huán)境污染治理中發(fā)揮重要作用。

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