耐高溫菌在環保和農業之利用
楊盛行
國立臺灣大學微生物與生化學研究所 摘 要
由果菜市場蔬果廢棄物和農產廢棄物稻草、稻殼和玉米穗軸堆肥中分 離耐高溫菌，選擇生長較快和酵素活性較高之放線菌分離株及高溫酯解 菌，接種耐高溫纖維素分解菌及高溫酯解菌處理農產廢棄物和製作生物肥 料，比較其對作物生長及土壤性質之影響。耐高溫放線菌分離株 56 號纖 維素分解酵素之作用機制，先由外切型纖維素分解酵素(Avicelase)將結晶 型的區域，由非還原端將纖維雙醣切下後，再由內切型纖維素分解酵素 (CMCase) 從 非 結 晶 型 區 域 內 部 任 意 打 斷 β-1,4- 葡 萄 糖 苷 鍵 結 (β-1,4-glucosidic bond) ， 最 後 由 分 解 纖 維 雙 醣 的 β- 葡 萄 糖 苷 酵 素 (β-glucosidase)切斷雙醣間的鍵結。放線菌分離株 56 號其 Avicelase 的活性 是 CMCase 的 6 倍。在製作生物肥料時，分別接種放線菌分離株 40 號和 56 號及兩種分離株混合於稻草猪糞生物肥料中，放線菌分離株 56 號提高 生物肥料水份含量和灰份含量優於放線菌分離株 40 號、混合接種菌株及 不接菌的控制組；而接種分離株 40 號及混合菌株提高生物肥料總氮含量 和固定態氮含量則優於其他兩組，接種分離株 40 號其 C/N 比下降最多。
當於含有油脂之廚餘接種高溫酯解菌時，堆積21 天時廚餘處理機 A(接種) 及B(未接種)苜宿種子發芽率分別為 95% 及 87%，顯示生物肥料中對於抑 制種子發芽物質已被微生物代謝成穩定無害狀態，生物肥料進入腐熟狀 態，堆積28 天時除水分含量外，廚餘處理機 A 及 B 之 pH、總有機碳、總 氮、及 C/N 比等皆符合垃圾堆肥品質標準，其中接種分離株 Brevibacillus borstelensis SH168 之廚餘處理機 A，堆肥化過程溫度明顯較高且有機碳含 量及粗脂肪含量分解率較未接菌廚餘處理機 B 為高，接種分離株 Bv.
borstelensis SH168 於廚餘處理機可使廚餘處理機中發酵溫度升高，促進有 機物質分解。廚餘原料中粗脂肪含量嚴重影響堆肥化進行，接種高溫酯解 菌，可加速有機物質分解與提高品質。由上可知，生物肥料製作過程中，
接種適當之高溫菌對生物肥料之腐熟有正面成效，具應用上潛力。
關鍵字: 耐高溫微生物、酯解菌、生物肥料製作、纖維素分解酵素、腐熟、總氮含量、
固定態氮含量、C/N 比。
Application of Thermo-tolerant Microbes in Environment and Agriculture
Shang-Shyng Yang
Department of Biochemical Science and Technology Institute of Microbiology and Biochemistry National Taiwan University, Taipei 10617, Taiwan
Abstract
Thermo-tolerant microbes were isolated from the biofertilizer and compost of the mixture of vegetable-market waste, rice straw and rice hull at 50oC for the measurements of growth rate and cellulolytic activity. Among them 2 isolates of thermo-tolerant actinomycetes were chosen. In submerged culture, isolate No. 56 had high Avicelase activity at 2nd day, CMCase and filter paper activities at 4th day, and β-glucosidase activity at 5th day.
Cellulosic materials were degraded first by Avicelase from the non-reducing end, then by CMCase from the non-crystal region and byβ-glucosidase at cellulobiose. Avicelase activity was 6-fold of CMCase. During 31 days biofertilizer preparation of the mixture of rice straw and hog waste (4:1 w/w), biofertilizer inoculating with isolate No. 56 had high final moisture content and ash content. Biofertilizer inoculating with the mixed cultures (isolates No. 40 and No. 56) and isolate No. 40 had high total nitrogen content and immobilized nitrogen content, while biofertilizer inoculating with isolate No. 40 had low C/N ratio. In the biofertilizer preparation from food wastes with high oil content, inoculation of thermophilic lipolytic Brevibacillus borstelensis had higher temperature, organic carbon and crude fat degradation rates than the control without inoculation. Therefore appropriate inoculation of thermo-tolerant or thermophilic microbes in biofertilizer preparation can reduce the period of maturation and improve the quality of compost.
Keywords: Thermophilic or thermo-tolerant microbes, lipolytic microbes, biofertilizer preparation, cellulase, maturity, total nitrogen, immobilized nitrogen, C/N ratio.
耐高溫菌在環保和農業之利用75-102（2006）
前 言
臺灣一年產出之猪糞、牛糞和羊糞約有 1,150 萬公噸，雞糞尿、鴨糞 尿、鵝糞尿和火雞糞尿約有700 萬公噸，蔗渣 40 萬公噸，稻殼 30 萬公噸，
太空包菇類廢培養基有5 萬公噸，如再加上畜牧廢水生物處理後所生產之 大量生物污泥，這些有機農業廢棄物之總量已超過 2,000 萬公噸 (楊等，
2003) 。這些數量龐大之有機廢棄物如果不加以適當處理，將嚴重影響環 境衛生，因而如何利用這些有機廢棄物為當務之急。
台灣地區廚餘佔垃圾總量之17.94-25.73% ，視收集地點和對象而定，
這些大量的廚餘垃圾，除了部分地區回收養猪及堆肥製作，例如台北市政 府的廚餘回收計畫，大部份以掩埋和焚化處理為主，但是掩埋時易生惡 臭，成為病媒滋生的溫床，並且台灣地狹人稠，掩埋場土地取得不易，民 眾抗爭不斷，而焚化時其處理費用偏高，且廚餘含水量很高，若將其送入 焚化爐中燃燒會降低垃圾總發熱量、縮短焚化爐的使用壽命和浪費能源，
此兩種方式皆非處理廚餘的上策 (Yang 和 Tsai，2002) 。
廚餘的成分相較於農業廢棄物有種類較複雜、性質變化大、產量不穩 定和產源分散必須採取公共點收集等特性，且因為各國風土民情和飲食習 慣不同也造成各地廚餘成分的差異 (洪，2000；Lim 等，2000；Yun 等，
2000) 。一般家庭廚餘較複雜，常含剩飯、蔬果殘渣、魚肉殘體及湯汁等；
學校或餐廳則較單純，其組成不外乎醣類、脂質、蛋白質、纖維素、半纖 維素、木質素等，前三者屬易分解物質，後三者雖可分解，但所需時間較 長。餿水乾物質重僅 18.6%，粗蛋白質 2.95% (表一) 。臺灣廚餘含碳 43.12% 和含氮 2.03%，而韓國廚餘含碳 46.1-48.9% 和含氮 2.45-4.32%。
如以類別分，韓國廚餘含穀類 16%、蔬果類 65% 和漁肉類 19% (表二) (Lim 等，2000；Yun 等，2000)。學校餐廳廚餘可分為未食用完剩菜及前處 理之蔬果廢棄物，水分含量高介於 80.23-93.97%，pH 5.78-6.23 為酸性，
灰份含量9.53-10.34%，總有機碳含量 37.39-57.06，總氮含量 1.54-3.25% (表 三) 。成功國宅家庭廚餘水分含量 72.12-86.17%，pH 5.31-5.74 為酸性，灰 份含量8.42-10.32%，總有機碳含量 49.87-56.35，總氮含量 2.15-2.63% (表 四) 。
表一、臺灣餿水組成分
Table 1. The composition of the swill in Taiwan
成分 含量 (%)
水分 81.45 ± 9.87
乾物質重 18.55 ± 1.29
粗蛋白質 2.95 ± 0.46
醚抽出物 2.02 ± 0.53
粗纖維 0.21 ± 0.05
灰份 1.09 ± 0.12
無氮抽粗物 12.28 ± 3.03
陳義雄和陳文賢(1997)。
廚餘如能善加利用，它並不是垃圾，而是一種資源。廚餘可與其他有 機資材混合製作成堆肥，做為有機肥料，或土壤改良劑，施用於土壤，不 但可以改良土壤酸化作用，提高土壤有機物含量，促進土壤團粒，提供作 物養分和加速有機農業發展 (Yang，1994、1997、2001) 。由於廚餘水份 含量高，不含有毒物質，並且含有豐富的植物養分，可回收作堆肥材料 (洪，2000；Yang 和 Tsai，2002) 。
廚餘堆肥處理的主要方式依規模可分為三類，使用上皆有其優缺點：
第一類為小型處理設備 (20-300 公升) ，如家用廚餘桶及商業型家用廚餘 機，操作簡單方便，但可能有臭味問題，且有機肥料亦非每一家庭都有需 求，所以推廣不易；第二類為中型處理設備 (40-1000 公斤/天) ，如餐廳、
學校或大型社區，使用廚餘高速醱酵機或消滅型廚餘處理機為主，此類處 理設備調配方式簡單，反應時間大幅縮短，減少環境污染，以達減廢為主 要目的，產生的有機肥可能未完全腐熟或品質不佳，間接影響作物成長；
第三類為大型的廚餘堆肥場，為集中化的處理，所產生有機肥性質穩定，
增加經濟效益，為最有效的處理方式 (Tsai 等，2002) 。
耐高溫菌在環保和農業之利用75-102（2006）
表二、廚餘組成分
Table 2. The composition of the food waste
成分 石牌國小* 韓國廚餘** 韓國廚餘***
C (%) 43.12 46.1-48.9 N (%) 2.03 2.5-4.3 P(%) 0.67 K(%) 0.56
H (%) 6.4-7.3
O (%) 38.5-42.2 Total solid (%) 19.1-21.1 Volatile solid (%) 94.8-97.6
Cereals (%) 16 ± 2 Fruits (%) 14 ± 2 Vegetables (%) 51 ± 2 Meats and fish (%) 19 ± 2 Ash(%) 9.00
Zn (ppm) 64 Pb (ppm) 7.8 Cu (ppm) 9.0 Ni (ppm) 5.8
pH 6.23
*洪(2000)；**Lim 等(2000)；***Yun 等(2000)。
表三、學校宿舍餐廳廚餘成分
Table 3. The composition of food waste in the college dormitory restaurant Code pH Moisture content
(%) Ash(%) TOC(%) TN(%) C/N A 6.23±0.11 92.95 ± 0.21 10.34±0.25 37.39±2.87 3.25±0.11 11.53±0.21 B 5.78±0.05 93.97 ± 0.13 9.75±0.64 43.76±1.72 1.54±0.05 28.42±0.53 C 5.93±0.08 93.41 ± 0.20 10.25±0.24 37.93±2.23 2.46±0.07 13.83±0.36 D 5.89±0.12 80.23 ± 1.34 9.53±0.57 57.06±4.69 2.78±0.54 21.35±0.81 Mean ± S.D. (n=3). A：Vegetables；B：Fruit；C：Mixture；D：Leftovers。
表四、臺北市成功國民住宅廚餘成分
Table 4. The composition of food waste in the Cheng-kong national apartment Sample pH Moisture
content (%) Ash (%) TOC（%） TN（%） C/N A 5.31±0.14 86.17 ± 1.51 10.32±0.56 49.87±2.48 2.15±0.05 23.26±0.25 B 5.74±0.12 72.12 ± 0.50 8.42±0.28 56.35±1.94 2.63±0.17 21.46±0.88 Mean ± S.D. (n=3). A：Vegetables；B：Mixture。
一般小型處理設備中參與堆肥化過程的菌主要以中溫菌為主，而中型 及大型堆肥設備則以高溫菌為主。由學校餐廳所產出廚餘原料中含有大量 油份，粗脂肪含量為每克乾重17.08%，隨堆積過程水分喪失後會呈現濃縮 現象，堆積 70 天後粗脂肪含量每克乾重可達 23.65~24.62% (Tsai 等，
2006) ，過量的油份會對分解反應產生抑制，且過量的油脂不斷累積，造 成堆肥化過程時間遲緩，在國內外有許多相關研究報告 (Lim 等，2000；
Yun 等，2000；Tsai 等，2002) 。此和一般的農業廢棄物堆肥最大不同之 處，故欲快速製作品質良好的廚餘堆肥，其先決條件是須有專門針對廚餘 垃圾分解力強的關鍵性微生物族群，才可達到廚餘廢棄物資源再利用的目 的。
微生物主要有細菌、放線菌、真菌、藻類、原生動物和病毒等。每克 土壤含有107-108個細菌菌落、105-106個真菌菌落、105-106個放線菌菌落、
102-104 個藻類菌落和 102-104 個原生動物等 (Alexander，1997；Atlas 和 Bartha，1998；楊等，1998) 。這些微生物對於地球上物質之分解和元素 之循環佔有極重要地位。以碳循環而言，部份光合菌可以固定空氣中CO2
而成菌體，同時微生物也可以氧化及分解有機物而釋放出CO2 。具有纖維 素分解能力之主要微生物有細菌、放線菌和真菌，當土壤中添加纖維質材 質時，會促進其在土壤中之族群，每克土壤所含具纖維素分解活性細菌可 達107個菌落，絲狀真菌106個菌落 (Alexander，1977) 。
高溫菌在生物肥料製作和作物生長過程中皆扮演相當重要角色，在生 物肥料製作過程中微生物相隨著基質溫度和 pH 值而有所改變。製作初期 由於基質中含有多量之空氣和易分解之碳水化合物、蛋白質、脂質等，致 使基質溫度急劇上升，而微生物所產生之有機酸則使基質 pH 值下降。此 時堆肥中最初所含之嗜溫菌漸漸為嗜熱菌所取代 (Yang，1997、2001) 。 在高溫期微生物因易分解之有機物含量減少、氧氣供應不足、發酵熱產生 漸減、基質溫度逐漸下降，此時嗜溫菌又開始建立族群 (Yang，1997；Chen 等，1998、2000) 。堆肥化過程中微生物族群的消長變化，除了受微生物 生理、養分競爭力、基質利用能力、抗菌性物質和培養基質種類等影響外 (Chen 和 Yang，1998、2000) ，亦受到通氣率、水分含量和 pH 值等諸多 因素的控制 (Yang，1997、2000；Yang 和 Chen，2000；Yang 等，2000) 。
本研究為改進生物肥料製作，提高生物肥料品質，由堆肥、市售生物 肥料和土壤中分離之耐高溫菌中，選取生長較快和纖維素分解活性較高之 耐高溫放線菌、耐高溫細菌和耐高溫真菌，接種至稻草與猪糞生物肥料 中，探討其在生物肥料製作時之品質和對作物生長之影響。以供未來在生
耐高溫菌在環保和農業之利用75-102（2006）
物肥料製作時之參考。為進一步瞭解生物肥料、化學肥料及堆肥之施用，
物肥料製作時之參考。為進一步瞭解生物肥料、化學肥料及堆肥之施用，