微生物是堆肥化过程中降解有机质的主体，氮素生理群参与堆肥中的主要氮素循环过程，包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、无机氮固定作用等，使堆肥原料中铵态氮（NH₄⁺-N）、亚硝态氮（NO₂^--N）、硝态氮（NO₃^--N）和有机氮（Org-N）等发生变化，从而影响到堆肥过程中的氮素损失与堆肥质量^[1]。微生物菌剂在堆肥中的使用能够起到保氮促腐的作用。氨化细菌能够加速堆肥腐熟，但同时会加大氮素通过氨气挥发的形式损失^[2]；白腐真菌能降解各种结构相异的化学物质，包括在环境中持久且难以处理的污染物，且于固、液环境下均能生长，有着其他微生物所不具备的优点，因而在环境保护与环境治理方面显示出较大的应用潜力^[3]。但是，目前将白腐真菌与氮素生理群一起应用于堆肥过程中，探讨堆肥中物质转化特征和堆肥质量的研究报道较少。另外，由于兽用抗生素的消耗量在我国较大^[4]，其潜在生态健康风险不容忽视。尽管研究表明^[5]，堆肥能有效去除畜禽粪便中的四环素类抗生素残留，但关于外源微生物菌剂对畜禽粪便中四环素类抗生素残留在堆肥过程中变化的影响还不清楚。本文拟在长方体翻转式好氧堆肥反应器中，研究添加不同外源菌剂后猪粪和麦秆堆肥过程中堆肥质量和四环素含量的动态变化特征，为利用堆肥技术消除四环素类抗生素的残留，提高堆肥质量提供理论依据。

新鲜猪粪采自于西北农林科技大学生态养殖场，小麦秸秆剪碎成段（3~5 cm），各原料的基本性状见表 1。氨化细菌和亚硝化细菌菌种由猪粪堆肥分离培养而得^[6]，白腐真菌是从菌种库购买的黄孢原毛平革菌。使用前先将菌种在28 ℃条件下活化24 h，加入灭菌水制备成菌悬液。菌悬液接种于固体培养基上，涂布均匀并于28 ℃扩增48 h。选生长良好且无杂菌的培养基刮下菌体制备菌悬液，每7皿100 mL。

表 1 堆肥原料基本性状 Table 1 Basic properties of composting materials

表选项

堆肥试验装置为自行设计的长方体翻转式好氧堆肥反应器，如图 1所示。外形尺寸为0.40 m×0.40 m×0.70 m，用厚度为1.0 cm的PVC板焊接，有效容积为0.10 m3，并包裹4.0 cm厚泡沫塑料板作为保温层。

1.转轴；2.排气孔；3.布气系统；4.测温孔；5.进料口；6.通风自控系统 图 1 堆肥反应器示意图 Figure 1 Schematic diagram of composting reactor

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试验设置三个处理。对照（CK）：猪粪与秸秆按10∶1比例混合，总重控制在22 kg，装满但不压实，水分控制在65%左右进行堆制，在高温期后（第22 d）加100 mL蒸馏水。加白腐真菌处理（F）：物料配比和水分控制同CK，在堆肥高温期后投加白腐真菌菌剂100 mL。加混合菌剂处理（FAN）：物料配比和水分控制CK，在高温期后添加白腐真菌、氨化细菌和硝化细菌混合菌剂共100 mL。

各处理从2013年4月15日到5月27日共堆制42 d。堆制期间每天上、下午用XMT616智能温度测定仪分别于堆体上部、中部、下部测定温度，取平均值作为当天的堆温，并以约60 L·min^-1的流量从底部筛板向堆体均匀充气，通风时间根据堆温调节，一般情况下每天上、下午各通风30 min，当堆温超过65 ℃时，加大通风量。

根据温度变化分别于第0、7、15、22、30、42 d 取样。先将堆体充分摇匀，然后多点取样，混合成三份平行样，每份样品总量控制在500 g左右，其中200 g保存于-20 ℃冰箱，用于液体浸提液提取测定pH、电导率、种子发芽率，其余风干粉碎后过1 mm筛存储备用。

pH值和电导率分别用配有IntelLical pH电极和电导率电极的HQ测定仪测定；种子发芽指数（GI）利用浸提液在28 ℃培养小白菜种子（四季小白菜）的方法进行测定^[7]。

进行堆肥铵态氮与硝态氮测定时，先用1.0 mol·L^-1 NaCl溶液浸提，由适量浸提液在定氮仪上直接蒸馏定氮测定铵态氮，然后向适量浸提液中加入1 g Zn-FeSO₄混合加速剂并在定氮仪上测出速效氮，再减去铵态氮即得到硝态氮的含量。全氮用硫酸-H₂O₂消煮，定氮仪测定；有机碳用重铬酸钾外加热法测定；总磷用硫酸-H₂O₂消煮，钒钼黄分光光度法^[8]测定；四环素类抗生素采用SPE-HPLC 法测定^[9]。

采用SPSS 18.0 统计分析软件对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）以及多重比较，运用Excel 2013处理数据和Origin 9.0作图。

对于堆肥系统而言，温度是堆料中微生物生命活动的重要标志，堆肥的目的是为了使堆体温度快速上升，并在适宜的温度维持一段时间，从而使有机物降解并杀死其中的病原体。由图 2可以看出，CK、F以及FAN处理的温度变化有所不同：前两种处理在第2 d、FAN处理在第4 d达到了50 ℃以上，而后随着环境温度的变化有所下降，在第11 d后再次达到了50 ℃以上（50~55 ℃），且分别持续了7、9、8 d。三种处理的高温期主要出现在第0~5 d和第11~19 d。添加菌剂后，在堆肥的第34 d，F处理温度又上升到45 ℃并持续了3 d。根据国标《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—2012），各处理在堆肥结束时均达到了无害化的基本要求。

不同大写字母代表同一时期不同处理之间的差异显著（P<0.05）。下同 Data with different capital letters are significantly different between different treatments at 0.05 level. The same below 图 2 堆肥温度的变化 Figure 2 Changes of temperature during composting

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由图 3可知，堆肥前20 d三个处理pH值均随着温度的升高迅速上升，由初始的7.0~7.31增加到8.69~8.74，增加了1.4~1.6个单位。此后随着时间延续各处理pH均略有下降，至堆肥结束CK、F、FAN三个处理的pH分别为8.69、8.73、8.74，添加菌剂对pH没有明显影响。

图 3 堆肥pH的变化 Figure 3 Changes of pH during composting

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图 4显示各处理电导率随着堆肥进行呈现出波动变化。在第30 d，F和FAN处理的电导率低于CK，以后各处理电导率均下降，至堆肥结束CK、F、FAN三个处理电导率分别为2.45、2.92、2.63 mS·cm^-1，均小于《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—2012）给出的腐熟堆肥的电导率值（>4 mS·cm^-1），可以安全施用。

图 4 堆肥电导率的变化 Figure 4 Changes of electrical conductivity during composting

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图 5是三个处理种子发芽率的变化，总体上呈现升高的趋势，至第15 d，三个处理（CK、F、FAN）的发芽率分别为80.6%、72.6%、75.3%；而在第22 d各处理的GI大幅下降，可能与堆肥中产生有机酸等对植物种子有毒害的物质有关；此后随着堆肥的继续进行有毒物质消失，GI又开始增加，至堆肥结束各处理（CK、F、FAN）GI分别为83%、85%、82%。

图 5 种子发芽率的变化 Figure 5 Changes of seed germination rate during composting

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各处理铵态氮含量变化如图 6所示，整体上呈现先升高后降低的趋势。在堆肥第15 d达到最高值，三个处理（CK、F、FAN）铵态氮最大值分别为1.83、1.41、1.52 g·kg^-1。至堆肥结束各处理铵态氮含量分别为0.36、0.57、0.42 g·kg^-1，与初期相比分别降低了0.37、0.24、0.54 g·kg^-1，降幅分别为50.7%、29.2%、56.3%，添加白腐真菌菌剂铵态氮降低幅度小于其他两个处理。

图 6 铵态氮的变化 Figure 6 Changes of ammonium nitrogen content during composting

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三个处理（CK、F、FAN）全氮含量（图 7）均呈下降趋势，至堆肥结束分别为12.89、18.82、14.02 g·kg^-1，与初始相比分别降低了10.50、8.03、10.95 g·kg^-1，降幅分别为44.9%、29.9%、43.8%。添加白腐真菌菌剂全氮降低幅度小于其他两个处理。

图 7 全氮的变化 Figure 7 Changes of total nitrogen content during composting

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三个处理（CK、F、FAN）全钾含量（图 8）一直呈上升趋势，堆肥结束分别为126.30、124.07、130.32 g·kg^-1，分别比初始增加了99.74%、128.4%、93.03%。这也在一定程度上说明，高温后期添加混合菌剂对全钾影响不大，与空白处理基本一致。

图 8 全钾的变化 Figure 8 Changes of total potassium during composting

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如图 9所示，全磷（TP）含量均呈上升趋势。有机物质在高温期降解速率最大，干物质减少较快，因此 TP 含量增加。在高温后期添加菌剂后，F处理在第30 d有一个峰值，TP含量达到了9.85 g·kg^-1。在第22~42 d，三个处理（CK、F、FAN）的全磷增加率分别为13%、31%、18%。至堆肥结束时，三个处理的 TP 含量依次为7.89、9.21、8.91 g·kg^-1，分别比堆肥开始时增加了47.48%、56.37%、47.76%。

图 9 全磷的变化 Figure 9 Changes of total phosphorus during composting

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抗生素在堆肥过程中的变化趋势如图 10、图 11所示。堆肥试验开始时，猪粪堆肥中 OTC的初始浓度约为33 mg·kg^-1，TC的初始浓度约为 60 mg·kg^-1，堆肥开始后，OTC、TC 浓度均迅速降低，且浓度变化趋势相似。前7 d，土霉素和四环素的降解速度最快，三个处理（CK、F、FAN）的土霉素降解率分别为32.8%、42.5%、48.9%，四环素的降解率分别为42.1%、47.9%、44.8%。高温后期添加菌剂后，第22~30 d，F、FAN及CK四环素的降解率分别为42.3%、42.7%、33.6%。到堆肥后期，土霉素和四环素的含量趋于稳定，其值均小于5 mg·kg^-1。三个处理（CK、F、FAN）土霉素和四环素的去除率分别为86.5%、92.4%、91.3%和92.5%、95.0%、94.8%。

图 10 土霉素含量变化 Figure 10 Changes of oxytetracycline during composting

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图 11 四环素含量变化 Figure 11 Changes of tetracycline during composting

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三个处理（CK、F、FAN）有机碳的变化（图 12）一直呈下降趋势，堆肥结束时分别为309.60、325.48、307.10 g·kg^-1，与初始值比分别降低22.7%、26.9%、27.2%。与对照相比，混合菌剂处理的有机碳降解量更多。

图 12 有机碳的变化 Figure 12 Changes of organic carbon during composting

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堆肥过程中，有机氮化物分解产生氨气，氨气溶于堆体物料形成铵态氮主要是通过微生物的氨化作用^[10]。堆体的pH值、通气条件、温度以及氨化、硝化和反硝化微生物活性等影响着铵态氮含量。在堆肥过程中，铵态氮不仅作为细胞生长的氮源供微生物同化，同时能被硝化微生物转变成硝态氮^[11]，并且发生反硝化从而脱氮损失^[12]，另外还可以通过氨气挥发的途径损失^[13]。有研究发现，在堆肥中添加微生物菌剂能够减少氮素损失、提高堆肥肥效，还可以加快发酵进程以及有机物质分解转化、提高堆体温度，从而达到无害化处理要求^[14]。铵态氮会随着有机质的矿化而增加，峰值出现在高温阶段，随后迅速下降。从本实验结果可以看出，铵态氮呈先上升后下降的趋势，在高温后期添加菌剂后，单添加白腐真菌处理（F）的氨氮有一个上升的小峰值。这有可能是白腐真菌加速了木质素、纤维素分解，提高堆肥氮素含量，并且促进了堆肥过程中磷的可溶性^[15]。另外，接种白腐菌能够促进氮源转化为硝态氮，降低氮源向铵态氮的转化，减少氮的挥发，从而降低氮素的损失，提高堆肥质量^[16]。随着时间延长，堆肥的全氮含量总体呈现下降趋势，研究表明在有机废物堆肥过程中的氮损失达16%～76%，其中绝大部分是由氨挥发所致^[17]。本试验过程中，堆体无渗沥液产生，所以气态形式逸出的氮应是堆肥全部的氮损失，三个处理（CK、F、FAN）的全氮损失率分别为44.8%、29.9%、43.8%，可以看出添加白腐真菌有利于保存氮素。同时，单独添加白腐真菌处理在后期有增氮趋势，再次证明白腐真菌能够提高堆肥氮素含量^[18]。全磷和全钾含量在堆肥过程中的变化趋势相同，均随着有机质的降解呈逐步增加的趋势^[16]，三种处理之间全钾的变化没有差异，而在高温后期添加菌剂，处理F的全磷含量第30 d有一个峰值，达到了9.85 g·kg^-1，在第22~42 d，三种处理的全磷增加率分别为13%、31%、18%，可见添加白腐真菌后堆肥中磷的含量增加更多。

相关研究表明，接种外源微生物菌剂的处理堆肥升温速度较CK 快，且接种外源微生物菌剂能够提高堆肥高温期的温度^[19]。从本实验可以看出，CK、F以及FAN处理所产生的温度变化有所不同，添加菌剂后，在堆肥第34 d，F处理温度再次上升，达到45 ℃并持续了3 d。一般认为，种子发芽指数（GI）是评价堆肥是否达到无害化和稳定性的生物学指标^[20]，本试验堆肥结束时，CK、F、FAN的GI值分别为83%、85%、82%，EC值分别为2.45、2.92、2.63 mS·cm-1，达到了农用标准^[21]。在堆肥过程中，碳源是微生物利用的能源，碳的变化是堆肥化过程的基本特性之一^[22]，在CK、F、FAN处理中，有机碳分别降低了22.7%、26.9%、27.2%，F、FAN处理的有机碳降解率大于CK处理。这是由于堆料中接种白腐菌菌剂，可分解堆体中难降解的有机物木质素，促进纤维素的降解，从而加速堆肥进程，使堆肥原料中有机物降解得更为彻底^[23]。

有相关研究表明^[24]，残留的四环素类抗生素在堆肥过程中均能被迅速降解。在本研究中，抗生素在堆肥前期降解速度较快，前15 d土霉素和四环素的降解率都达到了50%以上。这与孙刚等^[18]的研究相似，也进一步说明了堆肥有利于抗生素的降解。不添加四环素类抗生素、添加四环素类抗生素及增加BM 菌剂的3个不同堆肥处理对四环素类抗生素的降解效果不同，但总体去除残留的趋势一致^[5]。本实验中，三种处理之间对四环素和土霉素的最终降解影响不明显，但是在添加菌剂后，F和FAN处理能加速四环素的降解，第22~30 d，F、FAN及CK四环素的降解率分别为42.3%、42.7%、33.6%。这可能是由于白腐菌产生的天然木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶在体外对四环素有很强的降解能力^[25]。

添加白腐真菌、硝化细菌、氨化细菌能够提高氮素的含量，后期添加白腐真菌使堆肥在温度的稳定期上升到45 ℃，并且持续3 d。两种添加菌剂的处理对堆温、电导率均产生一定的影响。单独添加白腐真菌菌剂处理其氮损失量最小，有利于氮素保存。白腐真菌在一定程度上能够加速抗生素的降解，进一步研究白腐真菌在堆肥中的作用是大有前景的。