1。概要
認定された高品質の有機堆肥の製造には、堆肥化発酵プロセスを経る必要があります。堆肥化は、有機物を特定の条件下で微生物によって分解および安定化し、土地利用に適した製品を生産するプロセスです。
有機廃棄物を処理して肥料を作る古代のシンプルな方法である堆肥化は、その生態学的重要性と農業生産にも利益をもたらすため、多くの国で多くの注目を集めています。分解堆肥を苗床として使用することで、土壌伝染性の病気を防除できることが報告されています。堆肥化プロセスの高温段階の後、拮抗細菌の数は非常に高いレベルに達する可能性があり、分解しにくく、安定しており、作物に吸収されやすいです。一方、微生物の働きにより重金属の毒性を一定の範囲で軽減することができます。堆肥化は生物有機肥料を生産する簡単かつ効果的な方法であり、環境に優しい農業の発展に有益であることがわかります。
なぜ堆肥はこのように機能するのでしょうか？以下に堆肥化の原理を詳しく説明します。
2. 有機堆肥発酵の原理
2.1 堆肥化中の有機物の変換
微生物の作用による堆肥中の有機物の変化は、2 つのプロセスに要約できます。1 つは有機物の無機化、つまり複雑な有機物が単純な物質に分解され、もう 1 つは有機物の腐植化プロセスです。つまり、有機物の分解と合成により、より複雑な特別な有機物である腐植土が生成されます。2 つのプロセスは同時に、逆方向に実行されます。条件が異なると、各プロセスの強度も異なります。
2.1.1 有機物の石灰化
- 窒素を含まない有機物の分解
多糖類化合物（デンプン、セルロース、ヘミセルロース）は、まず微生物が分泌する加水分解酵素により単糖類に加水分解されます。アルコール、酢酸、シュウ酸などの中間生成物は蓄積しにくく、最終的にはCO₂とH₂Oを形成し、多量の熱エネルギーを放出します。換気が悪いと、微生物の作用により、単糖類の分解が遅くなり、熱の発生が少なくなり、中間生成物である有機酸が蓄積されます。ガスをはじく微生物の条件下では、CH4 や H2 などの還元性物質が生成されます。
- 含窒素有機物の分解
堆肥中の窒素含有有機物には、タンパク質、アミノ酸、アルカロイド、フムスなどが含まれます。腐植を除いて、ほとんどは容易に分解されます。例えば、タンパク質は微生物が分泌するプロテアーゼの作用により段階的に分解されてさまざまなアミノ酸を生成し、アンモニア化と硝化によりそれぞれアンモニウム塩と硝酸塩を形成し、植物に吸収されて利用されます。
- 堆肥中のリン含有有機化合物の変換
さまざまな腐生微生物の作用によりリン酸が形成され、植物が吸収して利用できる栄養素になります。
- 含硫黄有機物の変換
堆肥中の硫黄含有有機物は、微生物の働きによって硫化水素を生成します。硫化水素はガスを嫌う環境では蓄積しやすく、植物や微生物に有毒となる可能性があります。しかし、換気の良い条件下では、硫化水素は硫黄バクテリアの作用により硫酸に酸化され、堆肥の基剤と反応して硫酸塩を形成し、硫化水素の毒性がなくなるだけでなく、植物が吸収できる硫黄養分となります。換気が悪い条件下では硫酸化が発生し、H₂Sが失われ植物に中毒を引き起こします。堆肥の発酵過程において、定期的に堆肥を裏返すことで堆肥の通気性が良くなり、耐硫化を解消できます。
- 脂質と芳香族有機化合物の変換
タンニンや樹脂などは複雑で分解が遅く、最終生成物も CO₂ と水になります。 リグニンは、堆肥化する際の植物材料 (樹皮、おがくずなど) を含む安定した有機化合物です。複雑な構造と芳香核のため、分解するのは非常に困難です。良好な換気条件下では、芳香核は菌類や放線菌の作用によりキノイド化合物に変換され、腐植土再合成の原料の一つとなります。もちろん、これらの物質は一定の条件下では分解され続けます。
要約すると、堆肥化有機物の石化は、作物や微生物に即効性の栄養素を提供し、微生物の活動にエネルギーを提供し、堆肥化有機物の湿潤化のための基礎物質を準備することができます。堆肥化が好気性微生物によって支配される場合、有機物は急速に石化してより多くの二酸化炭素、水、その他の栄養素を生成し、迅速かつ徹底的に分解し、大量の熱エネルギーを放出します。有機物の分解は遅く、多くの場合不完全であり、放出される量は少なくなります。熱エネルギーが多く、その分解生成物には植物の栄養分以外にも有機酸やCH₄、H₂S、PH₃、H₂などの還元性物質が蓄積しやすくなります。したがって、発酵中に堆肥を傾けることは、微生物の活動の種類を変えて有害物質を除去することも目的としています。
2.1.2 有機物の加湿
腐植質の形成については諸説ありますが、大きく 2 つの段階に分けることができます。第 1 段階では有機残渣が分解されて腐植分子を構成する原料が形成され、第 2 段階ではポリフェノールが酸化されてキノンになります。微生物が分泌するポリフェノールオキシダーゼによりキノンがアミノ酸やペプチドと縮合して腐植モノマーを形成します。フェノール、キニーネ、アミノ酸の多様性、相互縮合の仕方が同じではないため、腐植モノマーの形成も多様です。異なる条件下では、これらのモノマーはさらに凝縮して、異なるサイズの分子を形成します。
2.2 堆肥化中の重金属の変換
都市汚泥は、作物の成長に必要な栄養分と有機物が豊富に含まれているため、堆肥化や発酵に最適な原料の 1 つです。しかし、都市汚泥には重金属が含まれることが多く、これらの重金属とは一般に水銀、クロム、カドミウム、鉛、ヒ素などを指します。微生物、特に細菌や真菌は、重金属の生体内変化において重要な役割を果たします。一部の微生物は、環境中の重金属の存在を変化させたり、化学物質の毒性を高めて深刻な環境問題を引き起こしたり、重金属を濃縮して食物連鎖を通じて蓄積したりすることがあります。しかし、一部の微生物は、直接的および間接的な作用を通じて環境から重金属を除去し、環境の改善に役立ちます。微生物による HG の変換には、無機水銀 (Hg2+) のメチル化、無機水銀 (Hg2+) の HG0 への還元、分解、およびメチル水銀および他の有機水銀化合物の HG0 への還元という 3 つの側面が含まれます。無機および有機水銀を元素水銀に変換できるこれらの微生物は、水銀耐性微生物と呼ばれます。微生物は重金属を分解できませんが、その変換経路を制御することで重金属の毒性を軽減できます。
2.3 堆肥化と発酵プロセス
堆肥化は廃棄物の安定化の一形態ですが、適切な温度を作り出すためには特別な湿度、通気条件、微生物が必要です。温度は 45 °C (華氏約 113 度) より高く、病原体を不活化して雑草の種子を殺すのに十分な温度に保たれていると考えられています。適切に堆肥化した後の残留有機物の分解率は低く、比較的安定しており、植物に吸収されやすいです。堆肥化後は臭いが大幅に軽減されます。
堆肥化プロセスには、さまざまな種類の微生物が関与します。原材料や条件の変化により、さまざまな微生物の量も常に変化するため、堆肥化プロセスを常に支配する微生物は存在しません。それぞれの環境には固有の微生物群集があり、微生物の多様性により堆肥化が可能になり、外部条件が変化した場合でもシステムの崩壊を回避できます。
堆肥化のプロセスは主に微生物によって行われ、堆肥化発酵の主体となります。堆肥化に関与する微生物は、有機性廃棄物中にすでに存在する多数の微生物と、人工の微生物接種源という 2 つのソースに由来します。特定の条件下では、これらの菌株は一部の有機廃棄物を分解する強力な能力を持ち、強力な活性、急速な増殖、有機物の急速な分解という特徴を備えており、堆肥化プロセスをスピードアップし、堆肥化反応時間を短縮することができます。
堆肥化は大きく好気性堆肥と嫌気性堆肥の２種類に分けられます。好気性堆肥化は、好気性条件下での有機材料の分解プロセスであり、その代謝産物は主に二酸化炭素、水、熱です。嫌気性堆肥化は、嫌気性条件下での有機物質の分解プロセスであり、嫌気性分解の最終代謝産物はメタン、二酸化炭素、および有機酸などの多くの低分子量中間体です。
堆肥化プロセスに関与する主な微生物種は、細菌、真菌、放線菌です。これら３種類の微生物にはいずれも中温菌と超高温菌があります。
堆肥化の過程で、低温・中温の微生物群集は中・高温の微生物群集に、中・高温の微生物群集は中・低温の微生物群集に、と交互に微生物群集が変化した。堆肥化時間を延長すると、細菌は徐々に減少し、放線菌は徐々に増加し、堆肥化終了時のカビや酵母は大幅に減少しました。
有機堆肥の発酵プロセスは簡単に4つの段階に分けることができます。
2.3.1 加熱段階中
堆肥化の初期段階では、堆肥中の微生物は主に適度な温度と良好な雰囲気にあり、最も一般的なのは無胞子細菌、有胞子細菌、カビです。堆肥の発酵プロセスを開始し、良好な雰囲気条件下で有機物（単糖、デンプン、タンパク質など）を激しく分解し、多量の熱を発生させ、堆肥の温度を継続的に上昇させます。約 20 °C (華氏約 68 度) ～ 40 °C (華氏約 104 度) は、発熱期または中間温度段階と呼ばれます。
2.3.2 高温時
暖かい微生物が徐々に暖かい種に代わって温度が上昇し続け、通常は数日以内に 50 °C (華氏約 122 度) を超え、高温期に入ります。高温期では、善熱放線菌と善熱菌が主体となります。これらは堆肥中のセルロース、ヘミセルロース、ペクチンなどの複雑な有機物を分解します。熱が蓄積し、堆肥の温度が 60 °C (華氏約 140 度) まで上昇します。これは、堆肥化プロセスをスピードアップするために非常に重要です。堆肥の堆肥化が不適切で、高温期間が非常に短い、または高温がないため、成熟が非常に遅く、半年以上の期間では半分の成熟状態ではありません。
2.3.3 冷却段階中
高温相で一定期間が経過すると、セルロース、ヘミセルロース、ペクチン物質の大部分が分解され、分解しにくい複合成分（リグニンなど）や新たに形成された腐植が残り、微生物の活動が低下します。そして徐々に気温も下がってきました。温度が 40 °C (華氏約 104 度) を下回ると、中温菌が優勢な種になります。
冷却段階が早くなると、堆肥化条件が理想的ではなくなり、植物材料の分解が不十分になります。この時点で、パイルを回転させてパイル材料を混合し、二次加熱、加熱を生成して堆肥化を促進することができます。
2.3.4 成熟期と肥料保存段階
堆肥化後は体積が減り、堆肥の温度が気温より少し高くなりますので、肥料を保つためにぎゅっと圧縮して嫌気状態にし、有機物の無機化を弱めます。
つまり、有機堆肥の発酵プロセスは微生物の代謝と繁殖のプロセスです。微生物の代謝プロセスは有機物の分解プロセスです。有機物の分解によりエネルギーが生成され、それが堆肥化プロセスを推進し、温度を上昇させ、濡れた基材を乾燥させます。
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投稿日時: 2022 年 4 月 11 日