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2024 , Vol. 14 >Issue 4: 66 - 71

DOI: https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2023-0122

The Application Progress of Composite Microbial Agent in Cow Manure Treatment

  • HAN Shanshan , 1 ,
  • LI Zhongling 2 ,
  • ZHANG Hongyan 2 ,
  • DAI Jiakun 1, 2 ,
  • DOU Bingde 2 ,
  • YUE Shuning , 1
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  • 1 Shaanxi Institute of Biological Agriculture, Xi’an 710043, Shaanxi, China
  • 2 Shaanxi Enzyme Engineer Technology Research Center, Lintong 710000, Shaanxi, China

Received date: 2023-05-15

  Revised date: 2023-10-16

  Online published: 2024-04-17

Fold

Abstract

The dairy cattle industry is one of the important agricultural sectors in China. However, with its rapid development, the problem of large-scale discharge of livestock waste has become increasingly severe. How to handle dairy manure harmlessly has become one of the urgent problems to be solved. This article introduces the progress of composite microbial agents in the treatment of cow manure. Composite microbial agents can effectively degrade organic matter and nitrogen and phosphorus nutrients in cow manure, reduce the emission of harmful gases, while recycling nutrients as fertilizers and cow bedding materials, with the advantages of low cost and simple operation. The application effect of composite microbial agents is influenced by many factors, including the type of microbial agent, environmental conditions, and exogenous additives, and the quality of composting is the main indicator for evaluating the application effect of composite microbial agents. Adjustments and optimizations need to be made according to different situations in practice. The study of cow manure problems is of great significance for alleviating rural livestock and poultry pollution, improving the utilization rate of manure resources, and realizing sustainable development of animal husbandry. As a new method of organic matter treatment, efficient composite microbial agent application technology has broad application prospects in the field of cow manure treatment. Further research and exploration on its application effect in practical production is necessary. By integrating with other technical means, it can facilitate the transition towards more sustainable, efficient, and environmentally friendly practices in dairy manure treatment.

Key words： dairy cattle; manure; microbial agents; environmental pollution; sustainable development

Cite this article

HAN Shanshan , LI Zhongling , ZHANG Hongyan , DAI Jiakun , DOU Bingde , YUE Shuning . The Application Progress of Composite Microbial Agent in Cow Manure Treatment[J]. Journal of Agriculture, 2024 , 14(4) : 66 -71 . DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2023-0122

0 引言

随着中国畜禽养殖规模的逐步扩大和专业化程度的不断提高，畜禽养殖过程中产生的大量排泄物对周边及养殖场自身环境的污染程度也日益加剧，其中，奶牛粪污问题尤为严重。奶牛粪污的特点是含氮、含磷等营养成分高，同时也具有臭味重、排放量大、集中度高等特点。根据2020年《第二次全国污染源普查公报》，国内2017年畜禽规模养殖场的水污染排放化学需氧量(COD)604.83万t，总氮(TN)37.00万t，总磷(TP)8.04万t，分别占全国水污染物排放量的28.21%、12.17%和25.49%，这些排放量分别是工业源水污染物的6.65倍、2.38倍和10.18倍。同时，这些废弃物也污染了周边环境，对生态环境造成了严重的威胁，限制了奶牛产业的可持续发展[1]。
基于目前国内奶牛养殖场的实际情况和严峻形势，提高粪污处理技术是最为迫切，也是减少碳排放和提高粪污养分利用率最为有效的方法之一[2]。复合菌剂处理奶牛粪污作为备受关注的新型处理方法，被认为在环保、高效、可操作性强等方面具有潜力。本研究将介绍复合菌剂处理技术的基本原理、应用现状及未来发展趋势，并探讨其在奶牛粪污处理中的应用进展。

1 奶牛粪污处理技术概述

奶牛粪污处理是奶牛养殖的重要环节之一，奶牛场的粪污处理技术主要有生物处理、物理处理和化学处理等多种方法[3]，其中生物处理技术能更好地降解有机物，达到真正意义上的无害化处理，具有低成本、高效率、环保等优点。常见的生物处理技术包括厌氧消化、好氧消化和堆肥等。厌氧消化是将有机废弃物置于密闭容器中，在缺氧条件下进行发酵与分解，产生沼气和有机肥料。此法适用于有机质较多的粪污。优点是产生的沼气可以用作燃料，从而提供额外的经济收益；同时，厌氧消化还能降低温室气体排放和减少污染物的含量。然而，厌氧消化需要复杂的设备和运营管理，因此成本相对较高，且存在一定的危险性。好氧消化则需要较高的氧气供应和维护条件来保持微生物的活性，产生的产物多为水和二氧化碳，适用于有机质较少的粪污，优点是操作简单、处理效率高、产生的废弃物较少，但需要较高的能源和运营成本；堆肥则利用有机物质在大面积通风下自然降解，生成稳定的肥料，这个过程也可以有效减少粪污中重金属和抗生素的污染[4]，适用范围广，操作简单、成本低，可以利用现有的土地进行静态堆肥。不足之处在于堆肥的处理时间相对较长，占地面积大、有机肥稳定性和肥效较低，在处理过程中需要控制温度和湿度等因素。因此，需要加强粪污处理相关技术的研发和推广，提高处理效率和降低成本。同时，在实践中需要严格控制处理过程中的排放物和废弃物的处理，确保粪污处理不对环境造成额外的负面影响。
随着奶牛养殖规模的扩大，粪便产生量逐渐增加，传统的露天堆肥或压缩干燥等方法处理效率较低，成本较高，操作复杂，适用范围受限，安全性和环保性欠缺已无法完全满足生产需求[5-6]。同时，整个粪肥管理链依然不完整，导致粪肥养分利用率低。为了推进粪污资源化利用，国家相继出台了一系列相关政策和行动计划，旨在倡导绿色、环保、可持续的发展理念，促进农业生产方式优化升级[7]。需要注意的是，奶牛场粪污处理涉及多个环节，如收集、运输、储存、处理和利用等，其中每个环节都可能对环境造成负面影响，而不同农场之间粪便管理措施的效果差异很大，因此，需要综合考虑特定农场的情况，采用科学可行的技术进行处理和管理，以实现粪污资源化利用的目标。

2 基于高效复合菌剂的奶牛粪污处理技术

目前，国内奶牛粪污资源化处理技术主要采用基于微生物发酵技术的发酵床模式、堆肥模式、沼气生态模式。其中，传统的堆肥方式最为常见，通过将奶牛粪便与废弃植物材料等混合，使其在通风透气的条件下自然发酵降解，生成有机肥料，具有无害化处理彻底、粪便附加值高、经济效益高等优点。然而，这种传统堆肥方式占地面积大、低效、操作复杂、成本高，还存在周期长、产生异味、堆肥质量不稳定等问题[8]。针对这些问题，利用复合菌剂进行奶牛粪污堆肥处理可以更高效、更可控、更环保，堆肥质量更高。考虑到单一菌种的作用有限，多种微生物群体共同作用可以提高有机物的降解速度和降解效率[9]，缩短处理周期并提高堆肥品质。因此，研究和开发奶牛粪污的高效复合菌剂成为重要的研究方向，以提高处理效率、降低成本、简化操作、扩大适用范围并确保安全和环保性。

2.1 复合菌剂类型与堆肥质量

在高效复合菌剂处理奶牛粪污的研究过程中，不同类型的微生物对堆肥的效果至关重要[10⇓-12]。细菌群落是堆肥过程中主导的微生物群落，主要包括腐生菌、厌氧菌、光合细菌和硫化细菌等，它们在有机质分解、养分转化、氮损失降低等方面发挥着重要作用。一些细菌（如放线菌和芽孢杆菌）和真菌（如木霉属）可以分解难降解的有机废弃物，如纤维素、半纤维素和木质素等[13]。这些微生物在奶牛粪污处理中可能起到重要的降解作用。一些细菌可以调节堆肥中原生细菌的丰度，促进养分转化，降低抗生素抗性基因相对丰度。因此，使用复合菌剂处理奶牛粪污是一种可行策略。在选择复合菌剂时，应考虑不同类型微生物的作用机制，选择适宜的菌种组合和配比、接种比例、接种时间等，以充分发挥各种微生物成员之间的协同作用达到最佳的处理效果。复合菌剂可分为内源性和外源性两类，其中，内源性复合微生物菌剂通过富集天然堆肥中的土著微生物，发挥其生物降解能力，但地域适应性较差，应用范围受限，而外源性复合微生物菌剂具有广泛的适应性，可以在各种环境条件下快速定殖并发挥作用。因此，对于奶牛粪污处理，可以根据实际需要灵活选择合适的复合菌剂。
堆肥质量可以通过监测各种参数（如pH、C:N比、电导率、腐殖质含量、病原活性、发芽指数和总氮磷钾含量）来评估[14-15]。其中，堆肥过程中的pH和C:N比是最为关键的驱动因素[16]，影响着堆肥腐殖质形成。未成熟的堆肥缺乏核心产物腐殖质，重金属和有机酸等物质含量也往往较高，在使用时会对土壤和植物造成不良影响，如降低土壤肥力、抑制植物生长等[3]。为提高堆肥质量，减少使用风险，可采用复合菌剂促进堆肥腐殖成熟，提高堆肥稳定性和质量。复合菌剂主要通过增加有益细菌的多样性和繁殖，促进纤维素分解[17]，抑制致病菌的繁殖[18]，加快堆肥成熟过程，改善堆肥的物理、化学和生物特性。
接种复合菌剂是处理奶牛粪污的一种有效方法。在北方冬季寒冷条件下，Gou等[8]的研究表明，接种外源微生物菌剂可以保证高温好氧堆肥处理系统的稳定运行。卢洋洋[19]采用不同复合微生物制剂接种牛粪进行好氧发酵处理，以牛粪(70%)、玉米秸秆(30%)、复合微生物菌剂（里氏木霉+细黄链霉菌）的堆肥处理组肥效最好。Li等[20]研究发现，添加外源微生物剂后堆肥中的氨挥发量降低，温度和pH得到更好的控制，有助于降解有机质和促进堆肥成熟。

2.2 复合菌剂的作用原理

当对奶牛粪污进行处理时，复合微生物制剂可通过以下途径实现有效降解和去除有机质和营养物质：（1）生物降解：奶牛粪污中含有大量的有机物质，包括蛋白质、碳水化合物等，这些有机物质可以被微生物利用为生长和代谢的底物，逐步降解转化为二氧化碳、水和其他无害物质。（2）吸附作用：复合微生物制剂中的微生物不仅可以通过生物降解作用将有机物质降解，还能通过吸附作用将部分有机物质吸附到自身表面。（3）竞争占位作用：复合微生物制剂中的微生物可以与原有微生物竞争，占据更多的生境和资源，从而有效抑制有害菌群的繁殖和生长，减少臭味和其他污染物的产生。综合评价生物菌剂在堆肥中的有效性需要考虑多个指标，如菌剂的微生物活性、总有机碳氮含量、纤维素分解。

2.3 外源添加物和环境条件对复合菌剂的影响

牛粪具有较高的密度和含水率，但碳氮比较低，需与其他有机物（辅料）联合堆肥。研究表明，外源添加物和微生物菌剂是影响堆肥质量和成熟度的重要因素。Yang等[21]对比了不同外源添加物（过磷酸钙、生物炭、番茄秸秆、稻壳、糖渣）和外源微生物菌剂对牛粪堆肥成熟度和质量的影响，数据显示，结合使用微生物菌剂和适当的添加剂效果最佳；Zhao等[22]发现联合使用外源添加物（5%生物炭和5%蒙脱石）可以促进参与莽草酸途径的功能微生物富集，利于堆肥过程中腐殖酸的形成，提高堆肥的质量。Liu等[23]发现适当提高添加剂比例可以增加堆肥的腐殖质含量；在堆肥实际制作过程中，辅助加入活性炭等吸附剂可以有效控制堆肥中有害气体的排放[24]，去除率最高可达99.7%[25]，同时，还可以减少氮素挥发，提高堆肥肥力。
微生物菌剂在奶牛粪污处理中发挥着非常重要的作用，而当外部环境因素（温度、湿度和通气性）发生变化时，微生物的群落结构和代谢方式都会受到影响，从而影响其对奶牛粪污的降解效果。通过优化环境因素，可以帮助微生物更好地发挥作用，同时也可以降低环境污染和资源消耗的风险。在合适的温度范围内[26]，微生物代谢速率和菌群数量会显著增加，促进有机物降解和堆肥成熟。Xiong等[27]在研究中用功能膜覆盖提高堆肥温度，有效地防止了NH3和N2O的排放。除温度外，湿度对微生物的活动和繁殖也有很大的影响。适度的湿度(50%~60%)可以促进微生物的生长和代谢，但是过高的湿度可能导致氧气缺乏和有害气体积聚。同时，温度和湿度共同影响微生物的活性。微生物繁殖速度随着湿度的降低而降低，而随着温度的升高而升高，直至达到最大值[28]。适当的通气条件下，外接生物菌剂加速分解粪污中的有机物，提高堆肥成熟度和质量[29-30]，同时也减少了粪污中抗生素抗性基因的转移风险[31]。
需要根据堆肥过程中产生的不同代谢物和环境条件，选择适当的微生物种类和组合，并结合环境因素的调节来提高奶牛粪污的降解效率，促进堆肥成熟，减少氮流失，并最终实现对废弃物的无害化处理。

2.4 复合菌剂与堆肥多级接种策略

在实际应用中，内源菌剂常存在微生物数量级较低、活性不够、地域适应性较差等问题，因此，人工添加外源复合菌剂是好氧堆肥的常见措施，接种量一般在0.05%~1%之间，接种时间通常在堆肥初期进行[32]。根据最新文献报道[33⇓-35]，在不同时间点向堆肥中添加不同类型复合菌剂的多级接种模式，可以逐步提高堆肥过程中细菌多样性及功能菌的丰度和活性，从而达到更好的降解效果。这种堆肥接种策略有效延长了堆肥过程中的高温期，从而改善了有机质的分解和腐殖化，降低二氧化碳、甲烷和氨气的排放，同时也提升了堆肥产品的质量和稳定性，具有良好的经济效益和环境效益。

3 复合菌剂的应用前景

奶牛场粪污处理的应用价值不仅在于减少环境污染，还可以将其转化为能源或肥料应用于农业、种植业等领域，实现循环经济[36]。将处理后的奶牛粪污直接施入农田作为有机肥料，不仅可将有机物质有效还原，同时也能起到保持土壤湿度、改善土壤结构等作用[37]，有利于提高农产品的质量和产量。复合生物制剂处理奶牛粪污还可采用滚筒[38]或三段式进行发酵[39]等方法，处理后的粪污可以安全用作牛床垫料[40]，从而提高奶牛粪污资源化利用程度，也对奶牛健康产生积极影响，如降低氨气排放，减少臭气对奶牛的刺激，提高奶牛的舒适度，降低奶牛感染泌乳障碍的风险，改善奶牛的体质和健康水平，进而促进奶牛的生长和产奶[41⇓-43]。奶牛粪污垫料化利用不仅可以节约牛床垫料采购费用，还有助于推进国内畜禽粪污资源化，促进畜牧业高质量可持续发展。在实施奶牛粪污的资源化利用方案时，需要综合考虑不同奶牛场所处环境、管理方式、养殖规模等多种因素。
随着技术的不断进步，复合菌剂的配方和生产工艺也在持续改进和创新[44-45]。针对奶牛粪污中的不同营养成分和有害物质，可以通过大数据分析功能微生物、高通量筛选和配比不同的微生物菌株、模型预测使用效果、同位素和组学技术原位模拟粪污分解过程等手段，多途径加速奶牛粪污的分解和转化相关研究。例如，最新从堆肥中筛选出的Anoxybacillus rupiensis、Paenibacillus illinoisensis和Bacillus velezensis这3株微生物菌株具有更好的应用价值，等量添加可以有效地促进氮素转化和提高堆肥质量[46]。液态发酵、固态发酵等技术也可以用于快速和高效生产微生物菌剂，并可以根据需求定制服务。同时，通过增加保护剂、抗氧化剂等成分，可以提高复合菌剂的菌株存活率、稳定性、耐受性和适应性。这些研究工作和尝试有助于提高复合菌剂的质量和使用效果，为奶牛粪污的处理提供更加可靠和有效的解决方案。
新技术的不断应用不仅推动了微生物复合菌剂的研发，还加强了堆肥的优化管理。预富集和稀释-再培养的构建策略可以构建特定功能微生物共生菌群，以提高堆肥管理和复合菌剂的效率和稳定性[47]。在线监测系统可以实时监测堆肥中关键物质（如温度、湿度、氨气、二氧化硫等）的含量和变化趋势[48]，这些数据也可以用于设计和制备特定的生物菌剂[49]。此外，从牛粪样本中制备的新型细菌共生菌群具有降解塑料聚合物（低密度聚乙烯和聚丙烯）的潜力，以肥料形式还田后有望缓解土壤中的塑料污染[50]。这些发展趋势表明，复合菌剂的研究和应用将进一步推动循环经济的发展，促进废物资源化利用，实现绿色可持续发展的目标。

4 结语

奶牛粪污是一种有机废弃物，直接倾倒会造成严重的环境问题，因此需要进行无害化处理。除了提高动物生产力和饲料蛋白转化率以减少粪污堆肥的氮素排放量之外，当前粪污研究的主要目标是改善粪污收集方式和减少营养元素损失，以提高粪污的回收利用率。复合菌剂在奶牛粪污无害化处理领域具有良好的应用效果。相较于传统的处理方法，复合菌剂在奶牛粪污无害化处理领域具有高效、环保、经济等优势，具体表现为：（1）复合菌剂可以促进微生物菌群的生长和代谢，从而更好地降解有机废弃物，提高堆肥成熟度和质量；（2）使用复合菌剂处理奶牛粪污可以减少有机废弃物和温室气体的排放，从而达到环保的目的；（3）复合菌剂用于粪污处理能够生成有机肥料和微生物菌剂等产品，处理后的粪污还可以当牛床垫料使用，形成种养结合、农牧循环模式，提高奶牛粪污资源化利用效率，推动循环经济发展。当然，也需要考察施用粪肥对土壤肥力的长期影响，以及牛床垫料对奶牛健康的作用。
随着科技的发展和技术进步，奶牛粪污处理技术也在不断创新。基于复合菌剂的奶牛粪污处理技术通过利用多种有益微生物的协同作用，可以显著提高有机质分解率和有机肥料品质，降低有害气体和碳排放，从而获得更高的环境效益。考虑到当前环境保护意识的提高以及国家对生态环境保护的重视，高效复合菌剂技术在奶牛粪污处理领域具有广泛的应用前景。需要指出的是单一的解决方案无法改善奶牛粪污的污染问题，未来，需要加强复合菌剂的技术研发和实践研究，并结合其他技术手段进行集成应用，实现奶牛粪污资源化利用和无害化处理的双重目标，推动畜牧业的绿色可持续发展。

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