- 村镇有机废物堆肥及土壤利用
- 席北斗 何小松 檀文炳 赵昕宇等
- 16字
- 2020-08-28 06:17:06
第2章 堆肥过程有机质电子转移能力
2.1 堆肥过程胡敏酸的电子转移能力
2.1.1 基于微生物法的胡敏酸电子转移能力特征
与对照组1（CK1）相比，添加不同物料的胡敏酸作电子穿梭体中Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐均可被还原（见图2-1）。如图2-1所示，分别以7种物料堆肥三个阶段的胡敏酸作电子穿梭体，以希瓦氏菌（S.oneidensis MR-1）作为电子驱动力，随着反应时间的进行，Fe（Ⅲ）逐渐被还原成Fe（Ⅱ），288h后达到平衡。与CK1相比，并非所有堆肥过程中胡敏酸都促进Fe（Ⅲ）的还原。在鸡粪中，添加胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原量与对照组2（CK2）相差不大，且略低于CK1，说明鸡粪中胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原存在抑制作用。相比CK2，升温期与腐熟期牛粪中胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原存在明显的抑制作用。这是由于蛋白类物料形成的胡敏酸结构较不稳定，易被微生物利用降解［1］，并且与电子转移相关的功能基团含量较低，导致电子转移能力较弱。高温期牛粪中胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原与鸡粪不同，高温期胡敏酸对其还原起到一定的促进作用，这是由于牛粪在高温阶段形成氧化还原基团含量较高［2］，这与第1章光谱数据得出的结论一致。升温期牛粪中胡敏酸结构较不稳定，其中的N源或C源易被微生物降解利用，产物与Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐形成了竞争作用，抑制了Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原。
图2-1
图2-1 堆肥过程中胡敏酸介导希瓦氏菌MR-1还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐［对照组1：C+M+Fe（Ⅲ）；对照组2：Fe（Ⅲ）］
CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥；
1—升温期；2—高温期；3—腐熟期；MR-1—胞外呼吸菌
在果蔬堆肥中，高温期与腐熟期中胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原具有较强的促进作用，是CK2的1～1.5倍，且高温期>腐熟期，但升温期中胡敏酸对其存在抑制作用。杂草中，堆肥三个阶段的胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原均有明显促进作用，其顺序为高温期>腐熟期>升温期。木质素类物料（枯枝、秸秆）与纤维素类的变化趋势较为一致，添加胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原量是CK1的1/2，明显低于果蔬与杂草，说明木质素类物料胡敏酸中关键功能基团的含量相比纤维素类较低。从污泥中可以看出，高温期、腐熟期中胡敏酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原也具有明显的促进作用，且高温期>腐熟期，说明污泥中高温期产生的胡敏酸具有一定的电子转移能力。
2.1.2 基于电化学法的胡敏酸电子转移能力特征
图2-2表示7种物料在堆肥的升温期、高温期及腐熟期的胡敏酸与富里酸的电子转移能力（ETC）变化。从整体上看，胡敏酸电子供给能力（EDC）的变化范围是423～1168μmole-/gC，见图2-2（a），略低于富里酸（409～1314μmole-/gC）。然而，在整个堆肥过程中，胡敏酸中电子接受能力（EAC）（801～2878μmole-/gC）显著高于富里酸（610～1441μmole-/gC），见图2-2（b），这说明胡敏酸接受电子的能力要显著高于富里酸。另外，从图2-2中还可以发现，胡敏酸中电子接受能力在整体分布上显著高于电子供给能力（P<0.05），而富里酸中电子供给能力与电子接受能力差异并不显著。有研究表明，这是由于从样品中提取出的腐植酸长时间与空气中氧气接触，一部分电子被氧化，导致胡敏酸的电子供给能力低于电子接受能力［3］。有研究表明，电子接受能力主要来源于芳香族化合物，由于胡敏酸中芳香化程度高于富里酸，导致其具有较高的电子接受能力。与胡敏酸相比，富里酸分子量较低，结构上碳氧比较高，其供电子基团如羧基、酚基的含量高于胡敏酸［4，5］，因此其电子供给能力值相对较高。
图2-2 7种物料堆肥过程中胡敏酸的电子转移能力
—升温期；
—高温期；
—腐熟期；
CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥
另外，不同物料电子转移能力在堆肥过程中变化趋势并不一致。胡敏酸电子供给能力的平均值从大到小依次为：牛粪、鸡粪>枯枝、秸秆、污泥、杂草、果蔬。鸡粪与牛粪中胡敏酸的电子供给能力平均分布显著高于其他物料（P<0.05），然而其余物料的差异并不显著，这是物料成分差异引起的。在堆肥的升温期，电子供给能力的值分别为921μmole-/gC和1098μmole-/gC，分别是果蔬、杂草、枯枝、秸秆及污泥的1.5～2.5倍。这是由于蛋白类物料中含有大量的羧基、酚基及氨基酸，此类基团均为含氧官能团，具有较强的供电子能力，因此其电子供给能力显著高于纤维素与木质素类物料［6］。
不同物料中胡敏酸的电子接受能力的平均值从大到小依次是：枯枝>秸秆>果蔬>杂草>鸡粪>污泥>牛粪。结合紫外光谱参数SUVA290分析表明，相对蛋白质类物料，木质素、纤维素类物料在堆肥过程更易产生芳香碳，并能够进一步氧化成醌基［7］，致使其所形成胡敏酸的化学结构更易接受电子。
果蔬、杂草、枯枝及秸秆中胡敏酸的电子接受能力在升温期的含量较低［见图2-2（b）］，随堆肥进行，物料中胡敏酸在高温期电子转移能力明显增加，这也与前文电子转移能力及醌基在高温期达到峰值这一结果一致；而到达堆肥腐熟期，胡敏酸的氧化还原功能随着腐植酸形成数量的降低而逐渐减少，导致电子接受能力有所降低。这与已有研究结论一致，纤维素与木质素在堆肥初期较难被微生物利用，芳香碳形成数量较少［8］。因此，在堆肥升温期，胡敏酸的电子接受能力相对较低；在高温期，木质素、纤维素被降解形成醌基、酚基、氨基酸等芳香族的氧化基团，其电子转移能力逐渐升高；到达腐熟期后此类功能基团能够继续缩合，形成结构更为复杂的芳香性化合物［9］，导致其氧化还原功能基团的数量减少，电子接受能力也相应降低。鸡粪、牛粪与污泥中胡敏酸的电子接受能力相差不大，相比堆肥升温期，电子接受能力在腐熟期均有所增加，但其阶段变化的规律并不一致。