随着饮食行业的快速发展，餐厨垃圾的数量呈现不断增加的态势.据调查显示，2008年仅北京市餐厨垃圾的日产量就达到约1600 t，上海市约为1300 t(马鸿志等，2008)，若不采取适当措施将来会产生餐厨垃圾围城的严重后果.餐厨垃圾极易腐烂变质，滋生并传播细菌和霉菌等有害物质，对环境卫生和人类健康有恶劣影响；然而，其中富含淀粉、纤维素、蛋白质等有机物质，营养物质丰富，生物可降解性强，因此，又具有很强的资源性.在微生物作用下通过堆肥使餐厨中的有机物矿质化、腐殖化而形成腐熟肥料，一方面可以减轻环境压力，另一方面也能实现餐厨垃圾变废为宝的目的.目前，人们通常通过在堆体中添加餐厨垃圾高效降解菌群来提高堆料中有机物的分解速率，从而加速堆肥过程以缩短堆肥时间(席北斗等，2001).其机理是微生物通过分泌胞外酶把有机物降解并进一步转化成腐殖质，因此，酶活性的高低可以反映有机质降解的情况，从而揭示堆腐过程与机理(任平等，2010; Chang et al., 2006).

近几年对于餐厨垃圾生物堆肥的研究逐渐增多，特别是在餐厨垃圾高效降解菌群、堆肥形式和堆肥产物处理等方面(Wang et al., 2002; Noike et al., 2002; 牛俊玲等，2012)，充分说明其应用前景广泛.因此，本文从市场销售的餐厨降解基质中筛选出3种餐厨降解菌，并结合优化的微生物载体基质组成复合菌剂，研究各菌种及复合菌剂的耐盐性、基质迁移性及餐厨降解特性，以突出菌种的优势特性，同时进一步剖析各菌种在餐厨垃圾降解中的酶活特性，以期为餐厨垃圾的生物处理提供理论依据和技术支持.

从市场销售的餐厨降解基质中筛选出3种餐厨垃圾降解菌，通过16S rDNA(细菌)和18S rDNA(真菌)测序并构建系统发育树，发现其相似性均达99.9%，初步确定其分别为博德特氏菌(Bordetella petrii)、汉氏硝化细菌(Nitrobacter hamburgensis)、螺旋巴克斯霉(Backusella circina)，混合菌为3种菌株按质量比1∶1∶1混合.

微生物载体基质采用优化配比，由50%木屑、15%泥炭、25%米糠、10%熏碳组合而成.试验用餐厨垃圾取自南京大学鼓楼校区食堂，按米面类∶蔬菜∶肉类∶果皮=3∶1 ∶1∶1的湿重比例混合均匀，切碎，物料粒径为5~35 mm，每日投放，持续2周，将餐厨垃圾与填充底料混合均匀.餐厨垃圾相关理化性质详见表 1.

表1(Table.1)

表1 餐厨垃圾理化性质 Table.1 Physical and chemical properties of kitchen garbage

表1 餐厨垃圾理化性质 Table.1 Physical and chemical properties of kitchen garbage pH 含水率 含盐量 全碳质量分数 全氮质量分数 C/N 注：碳、氮及盐含量以餐厨干基计，含水率以湿基计. 6.1 73.1% 1.85% 43.73% 2.46% 17.78

菌种产酶：3个菌种及其混合菌在温度30 ℃、pH=7.0的条件下培养48 h，取菌液进行酶活性测定，方法详见表 2.餐厨垃圾理化性质测定：有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定，全氮采用凯氏定氮法测定(林启美等，1999)；含盐量采用直接滴定法(SC/T 3011—2011)测定.

表2(Table.2)

表2 胞外酶及其相应底物、IU定义和参考文献 Table.2 Extracellular enzymes，their corresponding substrates, IU definition and reference

表2 胞外酶及其相应底物、IU定义和参考文献 Table.2 Extracellular enzymes，their corresponding substrates, IU definition and reference 酶 底物 IU定义 文献来源 纤维素酶 羧甲基纤维素钠 1 g样品1 min内分解产生1 mg葡萄糖所需的酶量 Ghose，1987 蔗糖酶 蔗糖 1 g样品24 h内分解产生1 mg葡糖糖所需的酶量 Ohshima et al., 2007 脲酶 尿素 1 g样品24 h内分解产生1 mg氨基氮所需的酶量 Nannipieri et al., 1980 脱氢酶 TTC 1 g样品1 h产生1 μg TF的量 牛志卿等，1994 多酚氧化酶 邻苯二酚 1 g样品1 min内转变0.01 OD值所需的酶量 Perucci et al., 2000 蛋白酶 酪蛋白 1 mL酶液每分钟水解酪蛋白产生1 μg酪氨酸所需的酶量 周德庆，1986 脂肪酶 对硝基苯酚棕榈酸酯 1 mL酶液每分钟释放出1 μmol对硝基苯酚的酶量 Winkler et al., 1979 淀粉酶 淀粉 1 mL酶液每分钟生成1 μg麦芽糖所需的酶量 李雯等，2005

取2种细菌菌液各100 μL(OD₆₀₀≈1)，分别添加到NaCl含量为0.5%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%的50 mL液体牛肉膏蛋白胨培养基中37 ℃培养，然后间隔一定时间测定OD₆₀₀，制作菌种生长曲线.真菌则采取涂板法，分别接种到NaCl含量为0.5%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%的马铃薯培养基中，每隔12 h察看菌体生长情况.

取3个圆柱形塑料瓶(体积约为370 cm³)，在其表面从上到下每间隔1 cm打孔，共打10个孔；用75%酒精擦拭瓶子内外表面后，在紫外下照射2 h灭菌(刘振林等，1990)并将其倒置，在塑料瓶底部添加菌液(初始OD₆₀₀≈1)2 mL；基质保持含水率50%、容重0.3 g · cm^-3，121 ℃下灭菌20 min并保证基质的高度覆盖最高孔，封口膜封口后放入30 ℃恒温培养箱中培养，每天同一时间对10个孔分别取样(3次重复)进行平板培养，共取3 d，记录3种菌株的出现及生长情况，整个操作于超净台中进行以保证无外来菌种侵染.

反应容器选用硬质塑料桶(容积为8L)，桶盖为由纱布包裹的打孔泡沫板，以阻止蝇子蚊虫等进入.3种菌株按质量比1∶1∶1混合，总菌液体积为120 mL，基质总质量为300 g，含水率控制在40%左右，混合后堆料体积占反应器体积的2/3左右.采用静态常温好氧堆肥装置，堆体每隔24 h搅拌1次，堆肥反应分两个阶段进行，前14 d每日投加50 g餐厨垃圾，并进行搅拌使得餐厨垃圾与基质充分混合，后28 d静置堆肥，该阶段无需搅拌.在堆肥后的7、14、21、28、35和42 d的同一时间取样，分别在堆体顶部、中部和底部取样，各层取样后混合均匀作为测定样品，测定纤维素酶、蔗糖酶、脲酶、脱氢酶和多酚氧化酶的活性变化情况，其含义详见表 2.

表 3测定了3种菌种的单独产酶和其混合菌的产酶情况，结果显示，蛋白酶活和脂肪酶活在博德特氏菌、汉氏硝化细菌和混合菌中均有测得，且混合菌的蛋白酶活(197.19 IU)和脂肪酶活(25.69 IU)均高于该2种菌种的单独产酶；螺旋巴克斯霉仅测得纤维素酶活和淀粉酶活，且其纤维素酶活高达67.24 IU，高于其他2种单独菌种和混合菌，表明其具有较强的纤维素降解能力.淀粉酶活在3种菌种及其混合菌中均有测得，且混合菌酶活(940.78 IU)高于3种菌种.螺旋巴克斯霉的产纤维素酶活高于 混合菌，可能是由于真菌与细菌混合后导致真菌生长缓慢，酶活性表达较慢；除此之外，混合菌的酶活性均高于3种菌种.混合菌可以使菌种间协同互助，促进产酶(苏香萍等，2010)，在餐厨堆肥中发挥更大的作用.

表3(Table.3)

表3 菌种产酶特性 Table.3 Characteristics of enzyme production

表3 菌种产酶特性 Table.3 Characteristics of enzyme production 菌种 酶活/IU 蛋白酶 纤维素酶 脂肪酶 淀粉酶 注：“-”表示酶活性较低，无显示. 博德特氏菌 122.93 15.31 23.65 929.79 汉氏硝化细菌 168.67 14.64 8.41 894.21 螺旋巴克斯霉 67.24 911.03 混合菌 197.19 18.13 25.69 940.78

微生物生长繁殖分为4个时期：停滞期、对数期、稳定期、衰亡期，2种细菌在NaCl含量为0.5%~10%的培养基中的生长情况见图 1.由图可知，博德特氏菌在0.5%、2.5%和5.0% NaCl条件下生长良好，于6~8 h进入对数期，NaCl含量升高至7.5%时，其生长速度明显减慢，停滞期延长至48 h.汉氏硝化细菌在0.5%、2.5%和5.0%NaCl条件下生长良好，只是5.0% NaCl条件下其稳定期浓度较小(OD₆₀₀值在1.5左右)，7.5% NaCl下停滞期延长至48 h.表 4显示，螺旋巴克斯霉仅在0.5%~5.0% NaCl下生长且生长较慢，这可能与真菌生长特性有关，在7.5%和10.0% NaCl下不能生长，表明该真菌耐盐性较其他2种细菌较差.综上所述，各菌种的耐盐性为：博德特氏菌(Bordetella petrii)>汉氏硝化细菌(Nitrobacter hamburgensis)>螺旋巴克斯霉(Backusella circina).研究显示，餐厨垃圾的高盐分会抑制微生物生长，延长处理周期和降低堆肥品质(胡新军等，2012).表 1显示的餐厨垃圾含盐量为1.85%，这与潘丽爱等(2009)研究的吉林大学餐厅餐厨垃圾含盐量(约为1.24%)相近，而目前餐厨垃圾的含盐量一般在1%~2%(谢炜平等，2008).图 1和表 4显示，菌种在0.5%和2.5% NaCl下基本生长正常，由此可以推测，菌种在0.5%~2.5%盐分梯度下生长不受盐分限制.本研究中餐厨垃圾的盐分含量(1.85%)在此范围内，未超过正常生长的盐分浓度(0.5%~2.5%)的上限，可以推测在1.85%的盐分下也可以正常生长，表明菌种有较好的耐盐性，在餐厨处理中菌种生长不会受到餐厨中的盐分抑制，从而降低盐分对微生物生长的抑制作用，提高在餐厨含盐量较高的情况下对餐厨的降解效果，对餐厨垃圾的降解有很好的应用前景.

图 1(Fig. 1)

图 1 博德特氏菌和汉氏硝化细菌的耐盐情况 Fig. 1 Salt tolerance of Bordetella petrii and Nitrobacter hamburgensis

表4(Table.4)

表4 螺旋巴克斯霉耐盐情况 Table.4 Salt tolerance of Backusella circina

表4 螺旋巴克斯霉耐盐情况 Table.4 Salt tolerance of Backusella circina NaCl含量 耐盐情况 12 h 24 h 36 h 48 h 60 h 72 h 84 h 96 h 108 h 120 h 132 h 144 h 注：“+”表示出现，“++”、“+++”表示出现越来越多，“-”表示不出现. 0.5% - - + + ++ ++ ++ +++ +++ +++ +++ +++ 2.5% - - - - + + ++ ++ +++ +++ +++ +++ 5.0% - - - - - + + ++ ++ +++ +++ +++ 7.5% - - - - - - - - - - - - 10.0% - - - - - - - - - - - -

研究菌种迁移一方面可以反映出所添加菌剂在基质中的散布情况，估算各菌种扩散到整个基质所需的时间；另一方面，结合各菌种的迁移快慢及其降解特性可以反映菌种在餐厨降解过程中的内在关系和动态.3种菌种迁移结果如表 5显示，结果表明，实验进行第1 d，博德特氏菌迁移2 cm，其他2个菌种没有检测到迁移；第2 d，博德特氏菌扩散至整个10 cm的基质柱子，汉氏硝化细菌迁移2 cm，螺旋巴克斯霉迁移3 cm；第3 d，汉氏硝化细菌扩散至整个10 cm的基质柱子，而螺旋巴克斯霉迁移至5 cm处.3种菌种迁移快慢排序为：博德特氏菌(Bordetella petrii)>汉氏硝化细菌(Nitrobacter hamburgensis)>螺旋巴克斯霉(Backusella circina).

表5(Table.5)

表5 3种菌种迁移情况 Table.5 Migration of three strains

表5 3种菌种迁移情况 Table.5 Migration of three strains 距离/cm 汉氏硝化细菌 博德特氏菌 螺旋巴克斯霉 第1 d 第2 d 第3 d 第1 d 第2 d 第3 d 第1 d 第2 d 第3 d 注：“+”表示出现，“-”表示未出现. 1 - + + + + + - + + 2 - + + + + + - + + 3 - - + - + + - + + 4 - - + - + + - - + 5 - - + - + + - - + 6 - - + - + + - - - 7 - - + - + + - - - 8 - - + - + + - - - 9 - - + - + + - - - 10 - - + - + + - - -

实验结果表明，细菌比真菌迁移速度快，这可能与真菌前期生长速度相对较慢有关.相关研究显示，微生物的迁移主要与微生物的自身属性有关.例如，Gannon等(1991)采用19个不同的菌株进行迁移性研究常用的土柱实验，发现它们的迁移情况差别非常大，他们推论这可能与微生物的个体大小有关.文中3种菌种在均质基质中迁移速率存在显著差异，既可能与微生物的个体大小有关，也可能与其对有机质的降解能力有关，例如，博德特氏菌在表 3中较其他单菌种对3种有机质(纤维素、脂肪和淀粉)的酶活均较高，同时对蛋白质也有一定的产酶活性，综合来看其降解能力突出，其迁移速率也相对较快.

餐厨堆肥是微生物分泌胞外酶，使餐厨中有机物矿质化和腐殖化，最终变成有机肥料的过程.矿质化是在微生物分泌的水解类酶作用下把复杂的有机物质转化成简单的有机和无机物质过程；腐殖化是把有机质的某些分解产物或微生物的某些合成产物，进一步缩聚为复杂的腐殖质(Ren et al., 2006).堆腐矿质化强度和进程由水解类酶活性大小决定(谷洁等，2005)，而氧化还原类酶的变化情况可以反映腐殖化进程(孙利宁等，2009).

蔗糖酶活与碳的转化及呼吸强度有关系(刘合明等，2009).图 2显示，蔗糖酶活性在前期骤然升高，14 d时酶活达到峰值，后期则由峰值下降并稳定在100 IU左右.这是因为前期微生物开始适应新环境具有一定的延滞期从而导致酶活较低，而每日投加餐厨垃圾为微生物降解提供充足的养分，致使14 d时酶活骤然升高至峰值；后期酶活稳定可能与静置堆肥有关，由后期酶活稳定可推测此阶段碳的转化和呼吸强度保持稳定，矿质化进入稳定期.

纤维素酶活的大小反映了餐厨堆肥中碳素物质的降解情况(朴哲等，2001).图 2显示，前期纤维素酶活由高降低，可能由于每日投加餐厨干扰了堆肥系统的稳定而出现碳素物质降解的波动；后期一直处于升高状态，推测由于基质中富含纤维素的物质较多，微生物分泌纤维素酶一直处于高活性状态.

图 2(Fig. 2)

图 2 餐厨垃圾降解过程中水解酶活变化情况 Fig. 2 Results of hydrolytic enzyme activity during the composting process of kitchen wastes

研究表明，脲酶的活性与有机物质含量、微生物数量、全氮和速效磷的含量呈正相关，在堆体的氮元素循环与转化过程中具有重要作用(周礼恺等，1983；焦晓光等，2008).图 2显示，堆肥期间脲酶活性波动较大，先保持平稳后急剧上升，在35 d时出现峰值，说明含氮有机物的降解在35 d时降解速率加速，最后降解活性降低，这与牛俊玲等(2012)研究的含氮有机物的降解主要发生在堆肥初期的结果不同，本实验显示后期脲酶活性较高，这可能与有机物氮素硝化作用出现在碳化分解过程完成后有关(梁东丽等，2009).

脱氢酶活主要表征堆体中微生物的氧化还原能力，反映微生物活性及对有机物的降解情况，其值越低，表明微生物活性越低(戴芳等，2005; Suthar et al., 2008).因此，脱氢酶被认为是指示堆肥腐熟度的指标(Forster et al., 1993; Benito et al., 2005).图 3显示，实验前期脱氢酶活先升高，说明前期微生物数量快速增加，降解活性较大；脱氢酶活在21 d时达到峰值，随后脱氢酶活则逐步降低并趋于稳定，说明后期微生物活性降低并趋向稳定，堆肥腐熟度达到稳定状态.

图 3(Fig. 3)

图 3 餐厨降解过程中氧化还原酶活结果 Fig. 3 Results of oxidation-reduction enzyme activity during the composting process of kitchen wastes

多酚氧化酶是参与环境中酚类物质转化的一种酶，它可以生成醌继而与氨基酸等通过一系列生物化学过程形成腐殖酸分子，因此，它是堆肥过程的重要评价指标(倪治华等，2005).马瑛等研究发现，多酚氧化酶是腐殖质中芳香族有机化合物转化的表征酶，在堆肥过程中酶活不断降低，其与堆肥的腐熟度成反比(Ma et al., 2003).图 3显示，多酚氧化酶活在堆肥前期先升高，这可能是由于每日投加餐厨垃圾导致堆肥系统处于动态中，该阶段以矿质化进程为主；后期多酚氧化酶活开始逐步降低并趋于稳定，可作为堆肥腐熟的参考指标.

1)研究显示，混合菌的产酶效果优于单菌种.混合菌使菌种间协同互助，促进产酶，相对于单个菌种，混合菌的降解效果除了纤维素酶较低外，总体降解能力是增大的，表明混合菌种对有机质的降解效果更好.

2)3种菌株的耐盐性较好，在2.5%NaCl浓度下可正常生长，菌株较好的耐盐性可保证其在餐厨(约1.85%NaCl)垃圾降解中生长不受其高盐分的抑制，克服了高盐堆肥的菌种瓶颈.

3)3种菌种的耐盐性排序为：博德特氏菌>汉氏硝化细菌>螺旋巴克斯霉.迁移性排序为：博德特氏菌>汉氏硝化细菌>螺旋巴克斯霉，耐盐性显示其对餐厨垃圾中盐分的耐受能力，迁移性显示其在降解过程中迁移能力，迁移越快表明其在降解开始时表现的越活跃.由此可知，博德特氏菌在降解能力、耐盐性及迁移性方面均表现出优势性，在降解初期作用明显；螺旋巴克斯霉作为唯一的真菌，其生长特性导致了其耐盐性和迁移性较弱，但其纤维素酶活达到了67.24 IU，约为其他2种菌株的5倍，因此，其在降解中的作用是非常重要的.

4)堆肥过程中，混合菌剂的矿质化和腐殖化情况较好.混合菌堆肥中蔗糖酶后期保持稳定反映出堆肥后期矿质化趋于稳定，脱氢酶和多酚氧化酶在后期均是逐步降低并趋于稳定，表明堆肥腐熟性良好.