ปุ๋ยหมัก: กระบวนการทางชีวภาพในการหมัก

สาระน่ารู้ปุ๋ยหมัก

 

กระบวนการต่างๆที่เกิดขึ้นในการหมักปุ๋ย

ในการทำปุ๋ยหมักมีทั้งกระบวนการทางชีวภาพ เคมี และฟิสิกส์ ดังนี้

 

กระบวนการทางชีวภาพในการหมัก

ในกระบวนการนี้ พลังงานที่ได้จากการสลายตัวของอินทรียสารโดยกิจกรรมของจุลินทรีย์ที่ใช้ออกซิเจน มี 2 ส่วน คือ พลังงานความร้อนและพลังงานในรูป ATP ที่จุลินทรีย์สังเคราะห์ขึ้นมา วงจรของอุณหภูมิ ปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งที่มีผลต่อกิจกรรมของจุลินทรีย์ในกองวัสดุที่หมักคือ อุณหภูมิ โดยทั่วไปจำแนกจุลินทรีย์ตามช่วงอุณหภูมิที่สามารถเจริญเติบโตได้ดีเป็น 3 กลุ่มประเภท ดังนี้

– ประเภทจุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิต่ำหรือไซโครไฟล์ (psychrophile) อุณหภูมิที่เจริญได้ดี คือ 0-25 องศาเซลเซียส

– ประเภทจุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิปานกลางหรือไซไฟล์ (mesophile) อุณหภูมิที่เจริญได้ดี คือ 25-45  องศาเซลเซียส

– ประเภทจุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิสูงหรือเทอโมไฟล์ (thermophile) อุณหภูมิที่เจริญได้ดี คือ มากกว่า 45   องศาเซลเซียส

จุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตปุ๋ยหมัก มีเพียง 2 ประเภท คือ ชอบอุณหภูมิปานกลาง และแบบที่ชอบอุณหภูมิสูง ซึ่งแต่ละประเภทมีบทบาทสำคัญในการย่อยสลายตัวของอินทรียสารในแต่ละช่วงเวลา จึงแบ่งระยะ (stage) ของการหมักออกเป็น 3 ระยะ ตามอุณหภูมิของกองวัสดุ

 

ระยะของการหมัก

A. ระยะแรกอุณหภูมิปานกลาง (initial mesophilic stage ) จุลินทรีย์ใช้น้ำตาลและสารอาหารที่ย่อยง่ายอย่างรวดเร็ว ทำให้อุณหภูมิในกองวัสดุเพิ่มสูงกว่า 40 องศาเซลเซียส ในระยะนี้แบคทีเรียที่ชอบอุณหภูมิปานกลางจะมีมากที่สุด แต่เมื่ออุณหภูมิในกองวัสดุสูงกว่า 45 องศาเซลเซียส จะเริ่มเข้าสู่ระยะที่ 2

B. ระยะอุณหภูมิสูง  (themophilic stage) เกิดขึ้นภายในเวลาไม่กี่วันถัดมา ช่วงระยะนี้ อุณหภูมิในกองวัสดุจะสูง 50-75 องศาเซลเซียส จุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิสูงจะเริ่มย่อยสารที่สลายยาก จึงควรกลับกองปุ๋ยเป็นครั้งคราว เพื่อเพิ่มการถ่ายเทอากาศและทำให้กองวัสดุมีความร้อนกระจายสม่ำเสมอ ควรกลับเอาวัสดุที่อยูภายนอกให้เจ้ามาได้รับความร้อนภายในกองด้วย ระยะนี้จะมีการสังเคราะห์คล้ายฮิวมัส

C. ระยะอุณหภูมิปานกลางครั้งที่ 2 (second mesophilic  stage ) หรือระยะบ่ม (curing stage) เมื่อผ่านระยะอุณหภูมิสูงแล้ว แหล่งอาหารที่ใช้ได้ง่ายต่อจุลินทรีย์ก็จะลดน้อยลง  กิจกรรมของจุลินทรีย์ก็จะลดต่ำลงไปด้วย อุณหภูมิจะใกล้เคียงกับอุณหภูมิของอากาศรอบกอง จุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิระดับนี้จะมีการเจริญเติบโตเพิ่มขึ้นอีกครั้งหนึ่ง ระยะนี้อาจกินเวลา 3-5 สัปดาห์หรือยืดเยื้อเป็นเวลาหลายเดือน ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้และสภาพแวดล้อมภายในกองปุ๋ย

 

เมื่ออินทรียสารในกองถูกแปรสภาพเป็นฮิวมัส ปริมาณของกรดฮิวมัสจะเพิ่มขึ้น สำหรับสัดส่วนระหว่างคาร์บอนกับไนโตรเจน หรือ C:N เรโช (C:N ratio) ของอินทรียสารก็ลดลง จนกระทั่งคงที่อยู่ในช่วง 14:1 – 20:1 และความจุในการแลกเปลี่ยนแคตไอออนของปุ๋ยหมัก ในกระบวนการหมักดังกล่าว คาร์บอนที่เคยมีในอินทรียสารกว่าร้อยละ 50 ได้เปลี่ยนไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ แต่ธาตุอาหารส่วนมากยังคงอยู่ ดังนั้นจึงมีความเข้มข้นของธาตุอาหารต่างๆ สูงกว่าซากพืชที่ใช้ในการผลิตปุ๋ยหมัก อุณหภูมิที่สูงในระยะที่2 ได้ทำลายเมล็ดวัชพืชและไข่แมลง แม้แต่เชื้อโรคต่างๆไม่ว่าจะเป็นเชื้อโรคของคนหรือเชื้อโรคของพืชก็ถูกทำลายไปด้วย โดยทั่วไปแล้วเชื้อโรคของคนจะถูกทำลายไปตั้งแต่อุณหภูมิ 55 องศาเซลเซียส ส่วนเชื้อราสาเหตุโรคพืชจะถูกทำลายเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 60 องศาเซลเซียส

 

ประชากรจุลินทรีย์  การหมักเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีจุลินทรีย์หลายชนิดที่เข้ามามีบทบาทในการย่อยสลายอินทรียสาร ได้แก่ เชื้อรา แอคทิโนไมซีตและแบคทีเรีย เมื่อนำวัสดุอินทรีย์มาตั้งทำกองปุ๋ยหมัก มีการรดน้ำให้ความชื้นแก่เศษวัสดุ  จุลินทรีย์ที่ติดมากับวัสดุเหล่านั้นหรือที่มีอยู่ในปุ๋ยคอกที่เติมลงไปในกองวัสดุจะเจริญเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็ว กลุ่มจุลินทรีย์หลักที่เจริญขึ้นมาและมีบทบาทสำคัญในการย่อยสลายและแปรสภาพของวัสดุอินทรีย์เหล่านั้นไปเป็นปุ๋ยหมัก ได้แก่ แบคทีเรีย เชื้อราและแอคทีโนไมซีต จุลินทรีย์ในแต่ละกลุ่มมีอยู่มากมายหลายชนิด แต่ละชนิดมีบทบาทและจังหวะแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับชนิดและปริมาณของสารอาหารที่มีอยู่ในกองวัสดุและสภาพแวดล้อมภายในกอง

 

a.แบคทีเรีย เป็นกลุ่มจุลินทรีย์ที่มีการเจริญเติบโตได้รวดเร็ว จึงมีการเพิ่มประชากรมากตั้งแต่เริ่มตั้งกอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุที่ใช้หมักมีสารอาหารที่ใช้ง่ายอยู่มาก แบคทีเรียก็จะย่อยสลายสารอาหารเหล่านั้นอย่างรวดเร็ว และปลดปล่อยความร้อนออกมาในปริมาณมาก กองปุ๋ยจึงมีอุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งจะช่วยเร่งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียที่ชอบอุณหภูมิสูงหรือเทอโมไฟล์ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 40 องศาเซลเซียส พวกแบคทีเรียที่ไม่ทนสภาพอุณหภูมิสูงก็จะชะงักการเจริญเติบโต แต่พวกที่ชอบอุณหภูมิสูงก็จะเพิ่มปริมาณมากขึ้นไปเรื่อยๆ ส่งผลให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นไปเรื่อยๆ    แต่ถ้าความร้อนเกิดขึ้นเร็วและกระจายตัวไปได้ช้า ความร้อนจะสะสมมมากจนเกินไป เช่น สูงกว่า 65 – 70 องศาเซลเซียส ขึ้นไป ทำให้แบคทีเรียทนความร้อนส่วนใหญ่ชะงักการเจริญเติบโตเหลือเพียงไม่กี่ชนิดที่ยังเติบโตได้อยู่ ส่งผลให้การแปรสภาพของวัสดุอินทรีย์ชะลอลง เมื่อเวลาผ่านไปนานขึ้น อุณหภูมิในกองปุ๋ยก็จะลดลง แต่แบคทีเรียและจุลินทรีย์ทนร้อนในกลุ่มอื่นๆยังมีบทบาทอยู่ในการย่อยสลายอินทรียสารต่อไปอีกระยะหนึ่ง จนกระทั่งเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 40 องศาเซลเซียส กิจกรรมของพวกทนร้อนก็จะค่อยๆลดลง พวกที่ชอบอุณหภูมิปานกลางก็จะเพิ่มประชากร แล้วมีบทบาทในกลุ่มอื่นไปจนสิ้นสุดกระบวนการหมักนั่นเอง

 

ในการศึกษาปริมาณประชากรของจุลินทรีย์โดยทั่วไป มักพบว่าในช่วงอุณหภูมิปานกลาง จำนวนของแบคทีเรียจะมีมากกว่าจำนวนของเชื้อรา อาจพบมากถึง 100 เท่า แบคทีเรียที่มักพบในช่วงนี้ ได้แก่ Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter และ Alicaligenes แม้จะพบว่าแบคทีเรียมีมากกว่าเชื้อราหลายเท่า แต่ก็ยากที่จะระบุได้ว่าจุลินทรีย์กลุ่มใดมีบทบาทมากกว่ากัน  เนื่องจากเชื้อราเป็นเส้นใยและมีขนาดของเซลล์ที่ใหญ่กว่า นอกจากนี้ยังเจริญเติบโตทอดเส้นใยข้ามช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนวัสดุได้ดีและรวดเร็วกว่าแบคทีเรียมาก ทั้งยังมีบทบาทสำคัญในการปลดปล่อยเอนไซม์ออกนอกเซลล์ (extracellular enzyme) มาย่อยสลายวัสดุอินทรีย์ จึงถือว่าแบคทีเรียและเชื้อรามีบทบาทสำคัญในการแปรสภาพวัสดุอินทรีย์ในช่วงอุณหภูมิปานกลาง สำหรับในช่วงอุณหภูมิสูงใกล้ถึง 60 องศาเซลเซียส เชื้อรายังคงมีบทบาทร่วมกับแบคทีเรีย แต่เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป เชื้อราก็จะหยุดกิจกรรมลง โดยทั่วไปแล้วอุณหภูมิที่ 60 องศาเซลเซียส เชื้อราจะถูกทำลายทั้งส่วนที่เป็นเส้นใยและส่วนที่เป็นสปอร์ กิจกรรมหลักจึงเกิดจากแบคทีเรียกับแอคทิโนไมซีตที่ทนร้อน แบคทีเรีย ที่มักพบมาก ได้แก่ steptocpccus sp., Vibrio sp. และ Bacillus sp. รวมมากว่า 2000 สายเชื้อ (strains) บางครั้งความร้อนในถุงปุ๋ยจะสะสมจนอุณหภูมิสูงขึ้นกว่า 70 องศาเซลเซียส ระยะนี้แม้แต่แอคทีโนไมซีตที่ทนความร้อนก็จะตายไปด้วย เหลือแต่แบคทีเรียบางชนิดที่ทนความร้อนจัดเท่านั้น ระยะนี้จะพบแบคทีเรียเพียงไม่กี่ชนิด ร้อนละ 87 เป็น  Bacillus sp. ซึ่งได้แก่ B. subtils, B. stearothermophilic และ B. licheniformis

 

b.แอคทีโนไมซีต เป็นกลุ่มจุลินทรีย์ประเภทแบคทีเรียอีกชนิดหนึ่ง แต่มีลักษณะการเจริญเติบโตในรูปแบบการแตกแขนงเป็นเส้นใยและสร้างสปอร์คล้ายเชื้อรา แต่เส้นใยนั้นมีขนาดเล็กและสั้นกว่าเชื้อรามาก จึงมีอัตราการเจริญเติบโตช้ากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อราหรือแบคทีเรีย การเพิ่มปริมาณในกองปุ๋ยจะช้ากว่าเชื้อราและแบคทีเรียด้วย แอคทิโนไมซีตจะมีปริมาณมากในกองเมื่อกระบวนการหมักผ่านไป 5-7 วัน สกุล (genus) ที่พบมาก ได้แก่ Micromonospora, Streptomyces และ B. licheniformis จุลินทรีย์กลุ่มนี้ทนทานต่อสภาพที่ไม่ค่อยเหมาะสม เช่น ความชื้นต่ำ อุณหภูมิสูง สามารถใช้สารอินทรีย์ประเภทที่ย่อยสลายยากได้ดี และใช้ได้หลากหลายชนิด จึงมีบทบาทสำคัญในการย่อยสลายเซลลูโลส ลิกนินและสารประกอบที่ย่อยสลายยากอื่นๆ มักพบจุลินทรีย์กลุ่มนี้เจริญเติบโตช้าได้มากในช่วงหลังๆของการตั้งกอง ซึ่งสารประกอบที่ใช้ง่ายจะถูกใช้ไปเกือบหมดแล้ว เหลือแต่สารอินทรีย์ทีย่อยสลายยากเป็นส่วนใหญ่ หากเปิดกองวัสดุที่หมักออกดูจะพบแอคทิโนไมซีตที่เป็นขุยสีขาวคล้ายผงแป้งในกองปุ๋ย ซึ่งมีลักษณะการเจริญเติบโตเป็นเส้นใย และสร้างสปอร์ของจุลินทรีย์ชนิดนี้ หรือหากเป็นกองปุ๋ยในหลุมหมักที่มีฝาปิดและผิวหน้ากองมีความชื้นมากพอ อาจพบแอคทิโนไมซีตเติบโตเป็นขุยที่ผิวหน้ากองปุ๋ยจนขาวโพลนได้

 

c.เชื้อรา เป็นกลุ่มที่มีการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วและเพิ่มปริมาณมากในช่วงแรกตั้งกอง ใกล้เคียงกับพวกแบคทีเรีย ซึ่งช่วงนั้นจะมีสารประกอบที่ย่อยสลายได้ง่ายอยู่มาก แต่เป็นช่วงเวลาสั้นๆ หากมีสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม อุณหภูมิของกองปุ๋ยจะเพิ่มอย่างรวดเร็ว  เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 50 องศาเซลเซียส จนใกล้ 60 องศาเซลเซียส การเจริญเติบโตของเชื้อราจะลดลง ชะงักและถูกทำลายที่อุณหภูมิสูงกว่า 60 องศาเซลเซียส เชื้อราที่พบทั่วไปในกองวัสดุเศษพืชคือเชื้อราที่ย่อยเซลลูโลส ได้แก่ Aspergillus, Penicillum, Fusarium, Trichoderma และ Chaetomonium สำหรับอินทรียสารที่มีในกองวัสดุนั้น น้ำตาลและกรดอินทรีย์ต่างๆจะถูกย่อยสลายเร็วที่สุด เซลลูโลสสลายตัวค่อนข้างช้า ส่วนลิกนินสลายช้าที่สุด จึงถูกใช้เป็นลำดับสุดท้ายของโซ่อาหาร และเชื้อรา Basidiomycetes เป็นเชื้อราที่มักพบว่ามีบทบาทสำคัญในการย่อยสลายลิกนิน

 

d.เชื้อโรค วัสดุอินทรีย์ที่นำมาใช้ทำปุ๋ยหมักอาจมีเชื้อโรคปะปนมาด้วย ทั้งโรคของมนุษย์ที่ติดมากับขยะจากบ้านเรือนหรือติดมากับมูลสัตว์หรือเชื้อสาเหตุของโรคพืชที่ติดมากับเศษพืชจากแปลง เชื้อโรคเหล่านี้ส่วนมากจะถูกทำลายเมื่ออุณหภูมิภายในกองปุ๋ยหมักสูง เชื้อโรคต่างอาจมีชีวิตอยู่รอดภายใต้สภาพอุณหภูมิสูงได้แตกต่างกัน เช่น เชื้อ Salmonella thyphosa ที่อยู่ในอุณหภูมิ 55 องศาเซลเซียส จะตายภายใน 30 นาที แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิเป็น 60 องศาเซลเซียส จะตายภายใน 20 นาที

 

เชื้อราที่เป็นสาเหตุของโรคพืชนั้น ไม่ทนต่ออุณหภูมิที่สูงถึง 60 องศาเซลเซียส ดังนั้นหากสามารถกำจัดให้เศษวัสดุที่นำมาหมัก ไม่โอกาสได้รับความร้อนเกิน 55 องศาเซลเซียส นานเพียงพอ ก็จะช่วยป้องกันการระบาดของโรคคนและโรคพืชที่ติดมากับเศษวัสดุ ในข้อกำหนดของปุ๋ยหมักที่จะนำมาใช้กับระบบเกษตรอินทรีย์ในบางมาตรฐาน กระบวนการผลิตปุ๋ยหมักต้องมีขั้นตอนให้ปุ๋ยหมักมีช่วงที่มีความร้อนเกิน 55 องศาเซลเซียสนานพอที่จะมั่นใจได้ถึงความปลอดภัยตามมาตรฐาน เช่น การหมักในภาชนะปิดควรให้มีช่วงระยะเวลานานกว่า 3 วันหรือหากเป็นการตั้งกองหมักเป็นกองยาวก็ควรมีการกลับกองไม่น้อยกว่า 5 ครั้งและผ่านช่วงที่มีอุณหภูมิดังกล่าวไม่น้อยกว่า 15 วัน มาตรฐานสูงดังกล่าวกำหนดขึ้นสำหรับการผลิตปุ๋ยหมัก ใช้ในระบบเกษตรอินทรีย์บางแห่งเท่านั้น ไม่ได้เป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับการผลิตปุ๋ยเพื่อใช้การเกษตรอินทรีย์โดยทั่วไป ปุ๋ยหมักโดยทั่วไปจะไม่ใช้ข้อกำหนดที่เข้มงวดเท่านี้ แต่ควรกลับกองให้วัสดุได้รับความร้อนทั่วถึงในระยะเวลาหนึ่ง เพื่อทำลายไข่แมลง เชื้อโรคพืชและเมล็ดวัชพืช และเมื่อหมักเป็นเวลานานพอที่วัสดุจะแปรสภาพไปเป็นปุ๋ยหมักโดยสมบูรณ์ ไม่ก่อให้เกิดผลเสียใดๆ ในแง่ของการนำไปใช้เพราะปริมาณเชื้อโรคที่อาจหลงอยู่เหลือน้อยมากจนไม่ส่งผลให้เกิดปัญหาใดๆ

 

ในบทความถัดไป เราจะมารู้จักกระบวนการทางเคมีในการหมักปุ๋ยหมักกันค่ะ 

 

ปุ๋ยหมัก: กระบวนการทางชีวภาพในการหมัก