堆肥中微生物群落结构探究

1、/JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 自学助考毕业论文堆肥中微生物群落结构探究 学院名称： 商学院 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 堆肥中微生物群落结构探究摘要：一直以来，人们都比较重视微生物群落的种群的多样性，也有很多学者和专家在这方面作出过许多的调查和研究。这些年来，学术领域更是加强了微生物群落结构的研究，并将其设置为重要的研究课题。首先，生态系统的一些特性的强弱是和群落的结构相关联的。其次，生态功能的强弱也是受到群落结构的稳定性影响的。最后，对于环境变化的指标而言，群落结构是最好的研究方面和内容。所以说，通过研

2、究微生物群落的种群的多样性，发现其中不同特性所带来的影响，能够发现一些新的微生物。本文中，笔者首先就污泥堆肥的背景原理为基础，分析了污泥堆肥技术发展的历史进程，其次探讨了污泥所带来的危害，并且谈了目前全球所流行的污泥处理的方式。最后分析堆肥过程中微生物的名样性及其种群结构的演替变化,研究了污泥堆肥过程中微生物种群结构的演替变化规律,阐明了污泥堆肥过程中堆肥产品的物理化学特征变化与微生物种群结构演替变化的关系，并对优势菌种进行了基因测序，确定了堆肥过程中的部分处于优势地位的微生物种类。关键词：堆肥；消化污泥；PCR-DGGE；发芽指数；腐熟度ABSTRACT: People have alway

3、s attached great importance to the diversity of microbial communities, and many scholars and experts have made many investigations and studies in this regard. In recent years, the academic field has strengthened the study of microbial community structure and set it as an important research topic. Fi

4、rstly, the strength of some characteristics of ecosystem is related to the structure of community. Secondly, the strength of ecological function is also affected by the stability of community structure. Finally, for the indicators of environmental change, community structure is the best research asp

5、ect and content. Therefore, by studying the diversity of microbial communities and finding the impact of different characteristics, we can find some new microorganisms.In this paper, based on the background principle of sludge composting, the author first analyzed the historical process of the devel

6、opment of sludge composting technology, then discussed the harm of sludge, and discussed the current global popular sludge treatment methods. Finally, the name of microorganism and the succession of its population structure during composting were analyzed, and the succession of microbial population

7、structure during sludge composting was studied. The relationship between the physical and chemical characteristics of composting products and the succession of microbial population structure during sludge composting was clarified. The dominant bacteria were sequenced and the part of composting proce

8、ss was determined. The dominant microbial species.Key words: compost; digestive sludge; PCR-DGGE; germination index; maturity引言5一、污泥堆肥的背景原理61、堆肥的背景62、堆肥的原理6（1）中温阶段6（2）高温阶段6（3）降温阶段7二、堆肥的危害81、重金属污染82、有毒有害有机物污染83、病源微生物污染84、过量营养物质污染8三、污泥的处置方法91、土地填埋92、堆肥93、焚烧94、海洋倾倒10四、堆肥过程微生物研究111、细菌112、放射菌113、真菌11五、堆肥

9、过程中微生物群落结构变化131、堆肥过程中细菌的结构变化132、堆肥过程中放射菌的结构变化133、堆肥过程中真菌的结构变化13结论：14引言城市污水由于城市规模的不断扩大和工农业的不断发展，其产生量正在迅速的上升。虽然各大城市在不断的扩展和新建处理城市污水的处理厂，但是在这个过程中我们又遇到了新的问题，那就是“二次污染物”污泥的产生。这种污泥相比污水会更加的影响人类的健康和环境质量，因为污水中当水被处理掉之后，其杂质将会聚集形成污泥，其中含有大量的细菌、病毒、重金属元素和病源菌。当然污泥对于人类有着危害也有着利用的价值，比如其富含着氮、磷等元素，这些都是植物生长的关键元素，所以如果污泥直接丢弃

10、，不仅会造成污染还会酿就很大的资源浪费。当前，世界上对于污泥的处理方法主要有堆肥、焚烧、海洋倾倒、填埋到地下。考虑环境和资源的利用，其中堆肥是最经济最有效的方法，在堆肥的过程中，通过土地的微生物可以有效的消灭病源菌、除去臭味，让污泥分解成为植物的肥料，让其由害变为好东西，这样不仅可以提高植物的产量，提高植物农产品的质量，还能给长期种植植物的土地施肥，让土地再次变得肥沃。这样通过堆肥的方法，就可以实现污泥的无害化和资源化，人们看见了污泥的利用的好处，对其越来越重视。一、污泥堆肥的背景原理1、堆肥的背景堆肥技术是由英国的农业学家Albert Howard 在1905-1934年开发的堆肥方法“In

11、dore法”转变而来的。他所提出的方法在后来改进为多次的翻堆来促进发酵，这样就变成了贝盖罗尔法；1932年荷兰建造了一座改造了贝盖罗尔法的堆肥工厂；再后来在1933年，又出现了用回转窑进行发酵的Dano堆肥法，这让堆肥在机械化上迈出了一步。1940年美国就开始使用了机械发酵槽，更发展了密封条件下的发酵工艺。调查显示，1993年美国有321个堆肥厂，其中有97家采用了机械发酵的装置，还有126个采用的是通过强制通风和机械翻堆相结合的系统。法国也有着70多个实现半机械化的堆肥厂，其中滚筒式的发酵装置最多，德国和日本采用立式的机械程度较高的堆肥设备，其优点是受到土地和天气条件的影响较小，当伴随的就是

12、费用的提高。2、堆肥的原理堆肥依靠着自然中的放线菌、真菌和细菌的降解作用，在微生物降解的基础上，人们通过技术手段控制着降解作用让有机物向着人们想要的稳定的物质进行转换的过程。微生物分为好氧菌和厌氧菌，比如酿酒用的就是厌氧菌。因此堆肥也分为好氧堆肥和厌氧堆肥，而目前对于污泥的堆肥采用的都是好氧堆肥，在微生物降解的过程中温度也会随着改变，由温度的变化状况，好氧堆肥大致上可分为中温、高温和降温三个阶段：（1）中温阶段在中温阶段，堆肥温度基本是中温。此阶段堆肥中含有的最易分解的有机物，比如淀粉、糖类，在嗜温细菌、酵母菌和放线菌等微生物的分解下迅速的被降解为水和二氧化碳，在此过程中不断的产生热量，因此堆

13、体的温度会不断的上升。（2）高温阶段中温阶段堆体温度不断升高，当到达45度以上后，就来到了高温阶段。此时在中温阶段分解糖类等有机物的嗜温性微生物将由于高温的原因受到抑制甚至是失去活性，不再起到降解的作用，同时嗜热性的微生物又会继续分解糖类等有机物，除了糖类，淀粉会被分解外，嗜热性微生物还会分解一些复杂的像纤维素、蛋白质等有机物，并向着腐植化过渡。在此分解过程中，堆体的温度还会不断的上升，温度会上升到60度甚至是70度。病原微生物大部分会被消灭。有试验和现实的操作经验，我们得出堆肥过程中最佳的温度应在55度左右。（3）降温阶段经过高温阶段的降解，堆肥剩下的主要是形成的腐植质和难以降解的有机物。嗜

14、热性微生物活性减低，降解作用会有所减缓，此时堆体的温度也会慢慢下降。当温度下降到嗜温微生物适应的温度是，嗜温微生物会继续对难降解的有机物进行分解。腐植质会不断积累，堆肥将进入腐熟阶段。二、堆肥的危害1、重金属污染工业用水中的重金属含量很高，而同时城市污水中，工业用水也占着很大的比重，污水处理中对于重金属的处理，会通过沉积，少部分的金属元素会残留在水中，大部分的重金属，会通过沉积和吸附粘附到污泥中，污水中的70%-90%的重金属元素会转移到污泥之中。如果污泥直接进行应用，重金属由于其惰性，迁移性较差，当污泥用于土地时，金属很可能就会累积在土地的表面，再通过植物进入食物链，危害人们健康。少量的重金

15、属会借助雨水而渗透土壤表层，进入地下水，从而会污染地下水。而且一旦土壤被重金属污染就很难就行治理。2、有毒有害有机物污染城市污水经过处理之后的污泥中主要的有害物质包括多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、吠喃（Fs）、卤化物、联苯二甲酸酯类和有机氯杀虫剂，以上提到的物质虽然在污水和污泥的相关处理中会得到降解，但是并没有办法完全去除。所以如果污泥直接进行施肥用于植物的肥料，在大地的微生物的降解下，植物的根系会对其进行吸收，同时作物会将有害的残留物质吸收掉，再通过食物链在人的体内累积，危害人们的身体。3、病源微生物污染污泥没有经过处理会含有大量的病源微生物甚至会有寄生虫的虫卵。未经处理的污泥

16、若进行应用，它们会污染水源、土壤、空气，也会通过呼吸、皮肤接触和借助食物链对人和动物进行危害，甚至它会在一定的范围内加快植物病害的传播。从而会减低作物的产量。4、过量营养物质污染之前提到，污泥之中富含这氮和磷等营养物质，如果直接应用污泥进行施肥，降雨会带走污泥中大量的营养物质，最终营养物质会流到河流之中，致使河流富营养化，这样会导致河水中的藻类恶性繁殖，造成赤潮。过量的营养物质还会导致地下水的硝酸盐污染。三、污泥的处置方法1、土地填埋现如今，人们已经掌握了较为先进的土地填埋技术，并且通过土地填埋不仅能够降低人们的成本投入，还能提高污泥堆填的容量，西方的很多国家就是利用这种方式处理污泥的。但是，

17、污泥的填埋会占据大面积的土地，并且污泥本身也具备一定污染性，所以在进行污泥填埋的时候，就需要提前对污泥进行处理，在选择填埋的场地时，也需要填埋工作者结合当地的土质环境是否适合污泥填埋，是否会对当地的水质、土质造成污染。调查发现，一些西方国家已经意识到土地填埋的弊端，并且减少了这种方式对污泥的处理，就以美国为例，美国的环保部门会在二十年之内，关闭大部分的填埋场，并且在美国的一些州内，已经没有填埋厂的出现了。2、堆肥对污泥进行土地利用是一种资源利用的方式，这有利于加强经济的发展。就国外的一些发达国家而言，如英国、美国、法国等，他们就会利用污泥进行农作物的浇灌，不仅能够降低污泥带来的环境危害，还可以

18、增强经济的发展。相比之下，我国在这方面的污泥处理方式上还有很大的发展空间。堆肥的最早理念起源于上世纪60年代，随着历史的变迁，同时也加强了堆肥技术的发展，这也是目前比较受欢迎的一种生物处理污泥的方法。通过堆肥技术处理污泥，不仅能够降低污泥处理的成本投入，还能消灭一些病菌体，同时，作为一种资源利用型的污泥处置方法，污泥其中的一些元素物质能够促进植物的成长。因此，利用堆肥技术处理污泥，可以为植物提供必要的有机肥料，这是一种将有害物质转变为有用物质的污泥处置方式。在上世界70年代，由于污泥所带来的环境危害已经严重的影响了人们的正常生活，不少专家学者对此作出了长时间研究，而堆肥技术也是在这个时间段被人

19、们所重视的，并且其成功的污泥处理结果，也加大了人们对污泥技术的认识，得到了人们的认可。3、焚烧污泥焚烧也是一种处理污泥的方式，这种处理方式主要是通过对热能对污泥进行处理，同时这也是一种较为简洁快速的污泥处理方式。焚烧过后的污泥所留下的产物具备无菌、无臭的特点，能够大幅度的简化污泥的最后处理。虽然污泥焚烧是一种彻底的处理方式，但是同时也带来了一定的问题，即其高昂的处理费用，最重要的是在焚烧污泥的过程中，会产生一些污染空气的气体，这些气体极易污染大气环境，因此，一般这种处理方式都是人们最后考虑的方法。例如日本，众所周知日本的国土面积和人口数量是不成比例的，即这一个人口密集型的岛国国家，在焚烧污泥的

20、方法出现之前，日本一直采用的污泥海洋排放的处理方式，但是由于海水污染的问题日益严重，日本也转变了污泥的处理方式，就目前看来，污泥焚烧是日本处理污泥最主要的方式之一。4、海洋倾倒相比于上文中提到的三种污泥处理方式，海洋倾倒是一种较为简单便捷的污泥处理方式。在最开始的时候，国外的一些国家主要的采用的就是这种污泥处置方式。但是，随着海洋污染日益严重，有关数据显示出了海洋中的污泥储量高达37万吨，人们开始意识到海洋倾倒并不是一个合理的污泥处理方式，其会影响正常的海洋生态系统。在如今全球经济化的背景下，人们越来越觉得保护环境重要性，海洋倾倒这种处理方式也遭受到了绝大多数国家爱的反对。如美国在1988年就

21、曾颁布相关的法律禁止将污泥倾倒在海洋中。四、堆肥过程微生物研究1、细菌堆肥过程中很产生众多的微生物，其中主要以细菌为主。相比于其他的微生物，细菌在堆肥过程中的产量要比别的微生物多。根据这些细菌的特性，我们可以将其分成不同的种类，其中嗜菌就是其中的一种细菌。根据相关学者的研究发现，在堆肥的一开始的时候，就会产生一定数量嗜菌，并且这些嗜菌相比于其他的细菌也是比较活跃的，但是随着堆肥温度不断的升高，一些细菌受到温度的影响，数量也逐渐的减少了，而嗜菌则会不断的增加。在对其进行降温处理时，也显示出嗜菌的数量随着温度的降低而减少。据相关数据显示出，在堆肥结束的时候，细菌的数量会比一开始的数量而少的多。Be

22、ffaT等人曾经在堆肥过程中的高温期筛选出嗜热菌，他们发现此类细菌具备了一定的耐高温特性，及时在温度超过了82C，他们也能在这样的环境下正常的成长。Khalil等在研究了城市固体废弃物堆肥化过程中微生物区系及其纤维素分解活性后指出,在炖肥的原料中，有着众多的细菌成长着，而在这些细菌中又可以分成不同种类的细菌，其中嗜温菌的数量要远远的大于嗜热菌的数量。对此作出总结，即在堆肥过程中会产生大量的细菌，这些细菌会受到温度的影响，其数量是时高时低的。2、放射菌和细菌的变化相似，放射菌的数量也会随着堆肥温度升高而减少。在堆肥的最开始的阶段，放射菌数量就已经比较多了，但是其数量还是不能和细菌相比的。在温度升

23、高的同时，放射菌的数量也会逐渐的降低，当温度降低时，放射菌的数量又会逐渐的升高。调查发现，在堆肥降温的过程中，也是放射菌最为活跃的阶段，并且在其堆肥的降温最终阶段，其放射菌的数量不但不会有所减少，反倒会升高，这种细菌本身具有一定的颜色，即我们所看到的堆肥颜色星灰白色。在一些学者看来，在堆肥高温阶段，不仅会增加放射菌的数量，还会升高放射菌的种类，而随着高温降低了一些营养物质，就会出现大量的菌群，如诺k氏菌(nocardia)、链霉菌(streptomyces)、高温放线菌(thermnoactnomyce)和单孢子菌(micromonospora)等一些菌类，他们的出现是堆肥的全过程之中的，即堆

24、肥的高温阶段、堆肥的降温阶段、堆肥的最终结束阶段。3、真菌在堆肥进行的过程中，其中真菌发挥出了一定的有利作用，即帮助堆肥物料进行分解和稳定的工作。调查发现，真菌能够有效的进行胞外酶的分泌，还能通过电解水产生一些有机物质。除此之外，真菌丝具有较强的机械强度，能够进行揣拆工作，能够对一些物体进行物理破坏，从而加强这些物质的生化反应的进行。和大部分的菌类相似，温度也对真菌产生了较大的影响力，对真菌进行分类，可以将其大部分分为嗜温真菌，这些真菌受到温度的影响比较大，最适合其生长的温度空间一般在25C30C之间，而一些高温真菌也不具备耐高温的特性，他们能够生存的最高温度也只有50C。所以说，温度对真菌的

25、较强的影响力，当温度上升到一定的高度时，则会消灭所有的真菌。五、堆肥过程中微生物群落结构变化1、堆肥过程中细菌的结构变化最为体积最小的一种菌类，细菌能够对一些可溶性的物质进行吸收。通过一些学者的研究发现，在进行堆肥的过程中，其中产生细菌是所有菌类中数量最多的，并且一些细菌，如芽孢杆菌就可以产生一些耐高温的孢子，这种孢子能够保护细菌不受辐射和化学灭菌的危害。同时，在进行堆肥的工作时，细菌还有一个重要的作用，即细菌能够对有机物进行化学降解。而作为堆肥过程中最为主要的微生物，嗜温细菌往往在堆肥的初期表现出较为活跃的化学特性，随着堆肥温度不断的升高，中温细菌的数量也随着减少，直至达到一个数量的最低点，

26、与此同时正是嗜温数量最多的时候，此时此刻几乎所有的细菌都属于嗜温细菌。2、堆肥过程中放射菌的结构变化放射菌的出现都不是单独的，一般都是由一些其他细菌的菌丝伴随着出现的，这是一种多细胞菌丝的细菌。一些相关学者研究发现，这些缠绕着放射菌的菌丝一般都不是纤维素，大多数都是宝纤维素，这种纤维素能够对一些物质的分子结构进行改变，如木质素就是如此，从而对木质素进行分解，使其能够溶解。相比于其他的菌类，放射菌最主要的特征就是分解较慢，但是其具备一定的耐温特性，即使在一些条件恶劣的环境下，别的细菌已经死亡时，放射菌却还能存活下。3、堆肥过程中真菌的结构变化在堆肥的过程中，在其温度逐渐升高时，也是嗜温菌最为良好

27、的生长环境，能够加快其繁殖的速度。在这个阶段，真菌由于其不具备耐高温的特性，其数量随着温度的升高逐渐的减少，直至消灭死亡，所以说，高温能够消灭真菌。在堆肥的最终阶段，减少了温度的影响，真菌的数量不会产生较大的变化，可见出了温度的银光，真菌不受其他条件的干扰影响。通过整个堆肥过程的数据显示出，真菌的数量呈现出先增加后减少的趋势。结论：一直以来，人们都比较重视微生物群落的种群的多样性，也有很多学者和专家在这方面作出过许多的调查和研究。这些年来，学术领域更是加强了微生物群落结构的研究，并将其设置为重要的研究课题。首先，生态系统的一些特性的强弱是和群落的结构相关联的。其次，生态功能的强弱也是受到群落结

28、构的稳定性影响的。最后，对于环境变化的指标而言，群落结构是最好的研究方面和内容。所以说，通过研究微生物群落的种群的多样性，发现其中不同特性所带来的影响，能够发现一些新的微生物。微生物群落结构分析技术经过时代变迁上升到了新的阶段，就起发展而言可以分为三个重要的阶段。首先是在20世纪的70年代，当时不具备先进的科学技术，主要分析的方法是通过培养皿观察，主要观察的指标是形态的变化、培养过程中显示出的特性和胜利变化，通过对这些数据进行分析比较，来进行技术和鉴别，这种分析方法缺少一定的科学依据，因为科学技术的原因，人们缺乏对微生物结构多样性的认识。其次是在20世纪70年代和80年代，当时的研究者主要的研

29、究方法主要是化学方法，从中得出一些规律性的结论，从而建立一种定量的分析方法来鉴别微生物，这也加强了人们对微生物结构多样性的认识，是一种比较客观的分析方法。最后是20世纪80年代和90年代，在这个时期，人们的主要研究方式是rRNA基因测序技术和基因指纹图谱，这种分析方式结合了现代化的科学技术，其分析的结果也是比较的客观的，至此人们终于比较的全面的了解到了微生物结构的多样性。参考文献：1.李鸿江，顾莹莹,赵由才.污泥资源化利用技术M.北京:冶金工业出版社,2010.6-10.2,中国水网.中国污泥处理处置市场报告(2011版),2011.3.花莉.城市污泥堆肥资源化过程与污染物控制机理研究C,浙江

30、大学,2008:12-15.4.马学文,翁焕新，章金骏中国城市污泥重金属和养分的区域特性及变化J中国环境科学2011,31(8):1306-1313.5.朱能武堆肥微生物学研究现状与发展前景J.氨基酸和生物资源, 2005,27(4):36-40.6.马张洪勋，王晓谊,齐鸿雁.微生物生态学研究方法进展J生态学报,2003,23(5):988.7.徐智,张陇利,张发宝,等.堆肥反应器中2种微生物接种剂的堆肥效果研究J，环境科学2009,30( 11):3409.8.Vaz-moreira l,Egas C, Nunes OC, etal, Culture-dependent andculture

31、-independent diversitysurveys target different bacteria: A case study in freshwater sampleJ.AntonieVanL ceuwenhoek.2011.100.9.张增强,薛澄泽.城市污水污泥的堆肥化和资源化田. J环境保护,1997,7:1215.10.孙西宁污泥堆肥过程中重金属形态变化的研究D.西北农林科技大学,2007,6.11.魏水杰,左耀太.利用城市污水处理厂污泥生产微生物料肥料的研究J污染防治技术,1999,12 (4): 207209.12.Yuan-Song Wei, Yao-Bo Fan,

32、 Composting and compost application in ChinaJ.Resources,Conservation and Recycling 30 (2000) 277300.13.李艳霞,陈同斌，罗维等.中国城市污泥有机质及养分含量与土地利用田J生态学报,2003,23(1 1):24642474.14.蒋成爱,黄国锋,吴启堂.城市污水污泥处理利用研究进展.农业环境与发展,1999,59(1):1317.15.乔显亮，骆永明，吴胜春.污泥的土地利用及其环境影响土壤2000(2);:7985.16.Schnaak W,Kuehler T,Kujawa M,et al.O

33、rganic contaminants in sewage sludge andtheireco-toxicological significance in the agricultural utilization of sewage sludgeJ.Chemosphere, 1997,35(1.2):512.17.莫测辉,蔡全英,吴启堂.城市污泥中有机污染物的研究进展农业环境保护,001 ,20(4):273- -276.18赵丽君,张大群等污泥处理与处置技术的进展J中国给水排水,2001,17 (6) :23-25.19.Lars Carlsen, Mai-Britt Metzon, Je

34、anette Kjelsmark. Linear alkylbenzene sulfonates (LAS)in the terrestrial Environment J.The Science of the Total Environment 290(2002):225230.20.牛櫻陈季华.剩余污泥处理技术进展.工业用水与废水，2000 31(5): 46.21.史昕龙,陈绍伟城市污水污泥的处置与利用.环境保护200,3: 4546.22.Haug R T，Compost engineering， principles and practiceJ.Ann Arbor Science.1980,1 7(6):2325.23.De Bertoldi M, Ferranti M P, Hermnite P L and Zueconi F. Compost: production, qualityand Use. The Proceedings of a Symposium Organized by the Commission