有機質肥料製造菌種添加技術(上) - 農業知識入口網

一、前言
農地中的土壤微生物直接或間接影響作物生長，包括固氮菌、菌根菌、硝化菌、溶磷菌、有機質分解菌、生物防治菌等，種類繁多，功能也多樣化。例如增進土壤氮素、增加養分有效性及溶解度、釋放植物生長激素、增進作物根系生長及營養吸收、分解有機物釋放養分、分解土壤中有毒物質、與病菌拮抗作用、聚合形成土壤腐殖質等。各種土壤微生物扮演不同角色，在土壤中生存歷經千百萬年而未被消滅，各有其存在原因，尤其是拮抗病菌微生物及根圈上一群保護根系的微生物更為重要。

氮、磷及鉀是植物生長的三種主要營養元素，提供植物生長時代謝能量來源和組合細胞內遺傳物質、各種胞器、巨分子及化學物質成份、儲存細胞內能量、反應外來環境刺激、進行訊息傳遞及生長繁衍等。而微量元素也是植物生長所需。為增進土壤肥力、提高作物生產和降低病蟲害，目前以施用化學肥料、化學農藥、微生物製劑和生物肥料為主。農民為提高作物收獲量，經常使用大量化學肥料，期望提高土壤中可利用氮、磷及鉀含量，提供農作物吸收利用。但氮、磷及鉀肥一旦施用於農地，常會和土壤中之元素形成不可利用型態之複合物或被微生物代謝而降低其有效性，不但造成環境污染，並且提高農業生產成本。超額施肥也造成地下水源污染及河川優氧化。另外在化學肥料製作過程中，常利用高溫和硫酸將高純度不可溶性礦石進行化學反應。不但耗費能源，並且遺留放射性物質與污染物於製作工廠、廢水及成品中，同時釋放高熱蒸氣及產生危害環境副產物，造成工廠和周圍環境安全及空氣和水資源污染。

土壤中微生物會直接影響土壤水分、pH值與作物生長等。因此使用生物性方式增加土壤肥力和提高農業生產，將成為當今農業重要課題。主要是利用促進植物生長微生物，將其接種於土壤及植物葉叢和根圈或接種於堆肥製成生物肥料，再施用於田間。生物肥料可在田間、農家或堆肥廠製作，利用各種農業廢棄物或副產物、廚餘和不含有毒成份之有機廢棄物，轉換為富含增進土壤肥力、促進植物生長、分解毒性物質和有機物質及抵抗病原微生物的有機質肥料，對於環境保護和永續農業經營有極大應用潛力。利用微生物接種技術生產有機質肥料，不但可減少化學肥料使用量，亦可將農業及工業廢棄物回收再利用，降低對環境的衝擊。微生物接種技術依基質成分、處理方式和功能性不同略有差異。堆肥基質成分不同，其所接種微生物的時間和菌種亦異。如何選取適當微生物種類、最佳接種時間及接種方式，將影響所生產生物肥料品質。選取最佳接種時間，維持菌種最適當生長條件，不但可加速堆肥醱酵，並提升有機質肥料品質。

二、微生物接種時間及方式
生物肥料製作時接種微生物，可在堆積初期或成品接種，亦可在堆積過程中重覆接種。在堆積初期接種微生物除可加速生物肥料腐熟和改善品質外，且可直接施用於土壤促進作物生長。在製作初期接種時，所使用之微生物必需具有耐高溫特性， 因生物肥料製作過程中，溫度從中溫升至80℃左右高溫，再隨腐熟逐漸降至成品之中溫。耐高溫微生物可在高於50℃和低於25℃下生長。因其可產生熱穩定性酵素和抗生素，分解毒性物質和熱原性廢棄物。縮短生物肥料腐熟時間，提升肥力。其於中溫和高溫下均能生長，同時具有多種酵素、溶磷、溶鉀和抗菌等活性。因其耐高溫特性且可表現多種活性，縮短腐熟時間。並具備中溫生長特性可直接施用於田間，提供植物生長時所需養分。接種耐高溫微生物不但可簡化和縮短生物肥料製作過程和時間，同時適合於工業化量產。而嗜高溫菌只能生長於45℃以上溫度，適合於生物肥料堆積初期接種，當其施用於田間，因溫度低於45℃而無法繼續發揮其功能。中溫微生物只能於45℃以下生長，不適合於生物肥料堆積初期接種，但可於製作後期及成品中接種和田間施用。

在堆肥成品中接種微生物，除嗜高溫微生物外皆可適用。視所接種微生物和載體特性可製作各種不同功能生物肥料。微生物經培養後，亦可直接製作成液態或固態微生物製劑直接噴灑於作物，不一定要接種於堆肥成品製成生物肥料後使用。利用重覆接種技術可保持製程中微生物族群，增加存活率及提升微生物活性，改善只在堆積初期接種之缺失。但重覆接種成本和工作負荷提升，需詳加評估其效益。如接種對環境適應力強和不為原生菌族群所拮抗之微生物則為較佳選擇。使用微生物種類不同其接種方式亦異，主要有液態培養基接種法、孢子接種法、菌絲塊接種法、固體介子接種法及微生物包覆（微膠囊）接種法等。

（一）液態培養基接種法
可運用於細菌、放線菌及黴菌接種。先將微生物接種至適當液態培養基，當生長接近停滯期前，離心製成濃縮微生物接種液。如接種放線菌或黴菌培養基時，則需先激烈震盪將菌絲體斷裂為小片段而後接種。每克乾重含有1×103-6 CFU或菌絲片段數。此法可於短時間內大量生產接種微生物，每毫升菌體數可達109CFU以上。污染率低，且使用接種菌種是生理活性最旺盛之對數期菌體，酵素活性高，可提升接種後微生物活性和存活率，易製備適當比例混合菌株接種液，且接種後基質容易翻堆。但以液態接種時，菌株不易保存，且在接種時必需考慮基質水份變化。發酵時容易產生不悅氣味，接種液體積大不利運輸，降低實際量產效益。如以產孢細菌或放線菌和黴菌孢子接種時，則可免除上述缺點。Chang和Yang於堆肥堆積初期每克乾重原料接種1×105CFU多功能耐高溫溶磷細菌Bacillus、放線菌Streptomyces孢子或黴菌Aspergillus菌絲片段，可製備富含可溶性磷及中溫和耐高溫溶磷和蛋白質分解菌生物肥料。

（二）孢子接種法
接種放線菌和黴菌時可先以適當培養基進行斜面培養，產生孢子後再以界面活性劑沖洗斜面，將孢子洗下。經離心濃縮和計數，製成接種原再接種，每克乾重接種1×105-6 孢子。以孢子接種，需一段時間發芽，延遲微生物發酵時間。但孢子為堅固接種源，可抵抗惡劣環境，增長接種源保存時間。Chen等學者於每克乾重豬糞稻草堆肥基質分別接種1×105纖維素分解微生物Streptomyces和Aspergillus孢子可製備多功能性生物肥料。Ogbo以每克溼重樹薯皮廢棄物接種2×105溶磷黴菌Aspergillus分離株或孢子以半固態發酵方式製作生物肥料。

（三）菌絲塊接種法
將黴菌以適合培養基培養後，生成菌絲，取適量菌絲體和培養基混合物接種於堆肥或廢棄物基質，接種量為0.05％～2.5％（w w-1）。Zayed和Abdel-Motaal分別於每公斤滅菌後之玉米粉和細沙混合物培養基接種6×104纖維素分解黴菌Trichoderma和溶磷黴菌Aspergillus菌絲片段，或以1：1混合此兩種培養基為接種源時，接種至稻草和甘蔗渣及綠肥和礦石磷混合物，皆可製作生物肥料。

（四）固體介子接種法
在生物肥料製備初期，除了接種微生物外，亦可同時添加綠肥、牡蠣殼、禽畜糞廢棄物、抗氧化物質、鉀礦石及磷礦石等介子，可加速生物肥料腐熟，提升品質。利用微生物分解所添加的物質，釋放作物生長所需養分，可提升生物肥料肥力和改善品質。

Zayed和Abdel-Motaal添加黴菌Trichoderma菌絲塊於稻草、甘蔗渣和家畜廢棄物中製作生物肥料，除可提升可溶性磷含量和溶磷微生物族群外，並可增進作物生長、提高作物產量及植體磷吸收效率。Biswas和Narayanasamy添加黴菌Aspergillus菌絲塊於含四種不同磷含量較低的低等級磷礦石製備生物磷肥時，可提升可溶性磷含量、作物產量和磷吸收效率。Nishanth和Biswas接種黴菌Aspergillus菌絲塊至磷礦石和鉀礦石雲母製作鉀磷生物肥料時，可以增加可溶性鉀和磷含量，並增進小麥生長和生產及對鉀磷的吸收率。Chang和Yang 指出添加松樹素於禽畜糞堆肥原料基質經56天堆積後，其成品Bray No.1 磷含量及溶磷效率皆比未添加松樹素高。添加松樹素不但可以提升生物肥料中所含中溫和耐高溫固氮、溶磷及纖維素分解微生物族群，且可提高生物肥料品質。

（五）微生物包覆（微膠囊）接種法
為保護接種微生物，延長接種微生物活性和保存時間，可先將微生物以包埋方式製成微膠囊。不但運輸方便，且可延長接種微生物活性和保存時間。當微膠囊化微生物施用至土壤，可以控制其釋放速度，延長施肥時間。且在生物肥料製作時，會減緩接種微生物和堆肥接觸時間，防止微生物活性降低。包埋後水份含量較低，可延長保存時間，體積小重量輕，有利運輸。Wu等利用滅過菌，顆粒大小2mm的泥煤為固體介子，分別添加固氮、溶磷及溶鉀微生物培養液，其成品可保存1個月。Rekha等將溶磷微生物Pseudomonas和Bacillus以褐藻膠包埋製成微生物膠囊，與腐殖質一起施用，可以增加植物根系發育，其肥效和直接接種微生物相當。Liu等先以褐藻膠包埋溶磷菌Cellulosimicrobium製成膠囊，再覆上纖維素鈣、橄欖油鈣、幾丁質鈣及明膠鈣製備成微生物膠囊，使用後可以控制溶磷菌的釋放。

（六）生物肥料成品接種
許多堆肥場製作生物肥料時，以部份成品接種至新進基質。此種接種方法雖然簡單，但生物肥料成品中所含功能性微生物族群有被稀釋之慮，需隨時分析並添加新的功能性微生物，追蹤和分析微生物族群以確保產品品質。
(續)

文圖/楊盛行
中華科技大學食品科學系
國立台灣大學生化科技學系
蔡宇柔
台灣微生物科技有限公司