堆肥中纤维素和木质素的生物降解研究现状

堆肥是垃圾处理的主要方法之一 ,厨房垃圾、园林垃圾、农村秸秆和日常生活中的废弃纤维产品均可作为堆肥原料 ,这些原料中含有一定量的纤维素和木质素 ,而纤维素和木质素在堆肥过程中较难生物降解。因此 ,国内外学者致力于研究能加速纤维素和木质素降解的高效微生物。研究发现 ,对纤维素和木质素有降解能力的微生物主要是高温放线菌和高温真菌 ,其中有独特降解机制的白腐菌在木质素降解中起着重要作用     

人粪便好氧堆肥过程中典型抗生素的消减特性

以人粪便和锯末为试验材料,进行3种不同温度(55℃、35℃和无温控)控制条件下的好氧堆肥试验,对比温度对堆肥过程中4种人们大量应用的抗生素(四环素、金霉素、磺胺嘧啶和环丙沙星)消减特性的影响.同时分别对抗生素在水环境、锯末载体和人粪便加锯末堆肥中的降解进行针对性试验,分析人粪便好氧堆肥中影响抗生素降解的主要因素或作用,并对其贡献进行了评价.结果表明,4种抗生素在高温堆肥中的去除效果最好,其去除率都在90%以上.相比磺胺嘧啶和环丙沙星,金霉素和四环素的降解对堆肥温度依赖更强.四环素和金霉素在堆肥中的去除主要为水解作用导致的去除,而磺胺嘧啶和环丙沙星的去除则主要归因于锯末有机质对其吸附的影响.与其它3种抗生素不同,微生物作用对堆肥中环丙沙星降解的影响是重要的,贡献率接近20%.     

污泥超高温堆肥过程中DOM结构的光谱分析

为了明确超高温堆肥新工艺在促进腐殖化进程中的优势,采用三维荧光光谱(3D-EEM)等光谱学方法研究了污泥超高温堆肥过程中DOM的结构特征及其变化规律.结果表明,堆体≥80℃的超高温阶段持续5 d(最高温度90℃),50℃以上高温阶段达到22 d,反映了堆肥过程中强烈的微生物代谢活性.E253/E203、SUVA280、S275~295等9个紫外-可见光光谱(UV-Vis)指标在0~23 d变化显著,指出DOM的芳香化和堆肥腐殖化程度逐渐增强.3D-EEM光谱结合荧光区域体积积分技术(FRI)分析指出,DOM中蛋白类物质在超高温堆肥过程的0~6 d几乎完全被降解;腐殖酸和富里酸类物质在0~23 d大量形成,堆肥在高温阶段达到完全腐熟,这与种子发芽指数(GI)在23 d所指示的腐熟度评价结果(98.5%)一致.基于多种光谱学指标的相关性分析,PⅤ,n/PⅢ,n与其它光谱学均呈现较好的相关性(r≥0.68),可以作为评价超高温堆肥腐熟度的光谱学指标.上述结果证实了超高温堆肥工艺可加快堆肥腐熟进程、缩短堆肥周期至20 d左右,在有机固废资源化领域具有极大的应用潜力.     

林可霉素菌渣堆肥微生物群落多样性分析

本试验以林可霉素菌渣-猪粪为原料、污泥-猪粪堆肥作对照,研究了林可霉素菌渣堆肥过程中残留林可霉素的降解情况,并基于Illumina Mi Seq高通量测序分析了林可霉素菌渣堆肥过程中微生物菌群的变化.结果表明:通过堆肥处理可以大幅度降解林可霉素菌渣中残留的林可霉素,经过33 d的堆肥处理后,林可霉素的残留量从最初的1 800 mg·kg-1降到483mg·kg-1,降解率高达73%.同时高通量测序结果表明,由于高含量的林可霉素残留,在堆肥初期和高温期林可霉素菌渣堆肥中细菌群落的分布丰度和多样性指数均低于污泥-猪粪堆肥,但真菌群落丰度和多样性均高于污泥-猪粪堆肥.林可霉素菌渣堆肥中细菌主要以Paucisalibacillus、Cerasibacillus、Bacillus、Virgibacillus、Ureibacillus、Paenibacillus、Sinibacillus属为主,而污泥-猪粪堆肥中主要以Truepera、Actinomadura、Pseudosphingobacterium、Pseudomonas、Luteimonas、Ureibacillus属为主,两者堆肥中微生物群落结构存在显著差异.随着堆肥进入腐熟期,林可霉素残留大幅度降解,抗生素对微生物的胁迫减小或解除,林可霉素菌渣-猪粪堆肥和污泥-猪粪堆肥相比,无论是细菌还是真菌,其微生物群落已逐渐趋同.表明堆肥处理可以大幅降解林可霉素残留,增加微生物多样性,有利于实现林可霉素菌渣无害化处理和资源化利用.     

不同基质浓度对ANAMMOX菌短期储存的影响

在15℃±1℃条件下,将厌氧氨氧化菌混培物分别置于基质浓度为0、60、120 mg·L~(-1)添加比例为1∶1的NH+4-N和NO-2-N环境中短期(15 d)储存,探究不同基质浓度对厌氧氨氧化污泥短期保存及恢复的影响.经过短期储存后进行恢复实验,结果表明,1、2、3号反应器(分别对应0、60、120 mg·L~(-1)基质浓度中储存的厌氧氨氧化菌混培物)中的厌氧氨氧化活性分别下降41. 8%、17. 4%、33. 4.%,1、3号分别由于过度内源呼吸和高基质浓度抑制,导致活性下降较大,2号反应器由于基质浓度相对合适,避免了过度内源呼吸和高基质浓度抑制,使得菌种活性在该基质浓度下保留较好;储存期间,3个反应器内均发生内源呼吸消耗自身有机物的情况,导致EPS含量下降50. 9%、41. 7%、23. 7%和粒径下降31. 6%、16. 7%、8. 2%,表明在基质匮乏期菌体通过内源呼吸的方式维持自身的活性,较高的基质浓度可以在一定程度上延缓内源呼吸过程;在恢复期间,3个反应器分别经过15、10、7 d实现脱氮性能和厌氧氨氧化活性的恢复,表明同菌种增殖富集相比,原系统通过菌种活性增强的方式脱氮性能恢复更快.     

不同运行策略下厌氧氨氧化的脱氮性能

采用厌氧氨氧化反应器(ASBR)处理模拟生活污水,考察低基质比、降温方式及pH对系统脱氮性能的影响.结果表明,温度为30℃时,控制进水NO_2~--N浓度为(30±0.2)mg·L~(-1),基质比(NO_2~--N/NH_4~+-N)由0.9升至1.4,系统NH_4~+-N和NO_2~--N去除率均值分别从54.4%和65.3%升至95.8%和92.5%;当基质比继续升高至1.6时,NH_4~+-N去除率基本不变,而NO_2~--N去除率降至54.6%,即基质比接近理论值1.32时,其厌氧氨氧化脱氮性能较强.当反应温度一次性从30℃降低至15℃时,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率由97.5%和98.5%分别降至35.2%和40.1%,当采用阶梯式降温方式(30℃→25℃→20℃→15℃)时,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别由97.7%和98.6%逐渐降至52.7%和62.4%.控制NO_2~--N/NH_4~+-N为1.4,逐步升高pH由7.7至8.5时,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率先增大后减小,当pH为8.3时系统脱氮性能最佳.     

四环素对人粪便好氧堆肥过程及微生物群落演替的影响

以人粪便和锯末为实验材料,研究了四环素(TC)对好氧堆肥过程中理化性质、酶活性以及微生物群落演替的影响.实验共设4个处理:CK(不添加TC)、TC100(100 mg·kg~(-1)TC)、TC250(250 mg·kg~(-1)TC)和TC500(500 mg·kg~(-1)TC).采用高通量16S rRNA基因测序技术对堆肥中微生物群落结构进行分析.结果表明,TC对堆肥理化性质的影响与其浓度有关,堆肥中TC浓度的增加显著抑制了堆肥温度的升高,增加了水溶性碳(WSC)的残留,降低了种子发芽率(GI)并抑制了脱氢酶活性(DHA).堆肥温度、WSC、GI和DHA等堆肥参数都可以用来表征堆肥的腐熟度,以上结果表明堆肥中TC浓度高达500 mg·kg~(-1)时,TC阻碍了人粪便好氧堆肥过程并影响堆肥产物的腐熟.而且,TC浓度的增加显著改变了堆肥中的微生物群落演替,降低了微生物的多样性和丰度.TC对堆肥过程和堆肥产物腐熟的主要不利影响是对微生物群落结构的干扰和对生物活性的抑制.     

菌渣还田量对紫色水稻土净温室气体排放的影响

中国是食用菌生产大国,每年食用菌菌渣产出量较大,为探明菌渣还田量对紫色水稻土净温室气体排放的影响,于2017年3~9月,通过盆栽试验,采用静态暗箱/气相色谱法,研究了不施肥(CK)、常规施肥(NPK)、9 t·hm~(-2)菌渣+NPK(LM)、18 t·hm~(-2)菌渣+NPK(MM)、36 t·hm~(-2)菌渣+NPK(HM)这5种处理稻田土壤温室气体的排放规律,并采用土壤碳库法对农田系统净温室气体排放(NGHGE)进行评价.结果表明:(1)土壤温室气体(包括CH_4、CO_2、N_2O)排放随着菌渣还田量的增加而增加,CH_4排放量顺序为:HMMMLM≈NPKCK;HM处理显著增加了CH_4的排放通量(P0.01),其他处理差异并不显著(P0.05),CH_4排放通量LM处理呈双峰型曲线,MM处理呈多峰型,HM处理呈现非常明显的单峰型曲线;CO_2累积排放量大小依次为:MMNPK≈LMHMCK,CO_2排放通量曲线LM处理呈单峰型、MM处理呈双峰型、HM处理呈现多峰型;NPK处理N_2O累积排放量显著高于其他处理,N_2O排放通量曲线NPK处理呈双峰型、LM和MM处理呈现多峰型,HM呈单峰型变化;(2)LM处理土壤固碳能力较低,NPK、MM与HM处理土壤固碳能力均较高;MM处理土壤固碳能力显著高于其他处理(P0.01),比纯施化肥处理提高了59.2%,比LM和HM处理提高了87.79%和65.65%;与土壤固碳能力相反,LM处理植物固碳能力最高,比NPK和MM处理提高了16.1%~22.2%,约为CK处理和HM处理的2.1倍;(3)MM处理整个水稻生产期NGHGE值最小,为-490.29 kg·hm~(-2),表现为温室气体的"汇",18 t·hm~(-2)菌渣还田是紫色水稻土净温室气体排放最优的还田方式.     

基质比对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

采用厌氧氨氧化反应器(ASBR)处理模拟生活污水,在温度为30℃时,控制进水NO_2~--N浓度为(30.0±0.2)mg·L~(-1),pH为(7.2±0.2),考察了NO_2~--N/NH_4~+-N分别为0.9、1.1、1.3、1.4、1.5和1.6时,对厌氧氨氧化(ANAMMOX)脱氮效果的影响.结果表明,当NO_2~--N/NH_4~+-N为1.4时,出水NH_4~+-N、NO_2~--N及TN的浓度分别为0.8、1.5和7.7 mg·L~(-1),NH_4~+-N、NO_2~--N及TN的去除率分别高达96.2%、95.4%和85.3%,此时脱氮性能最好,与发生厌氧氨氧化时NO_2~--N/NH_4~+-N理论值1.32比较接近.     

能源物质和接种物的投量对生物沥浸改善城市污泥脱水性能的影响

选用硫粉(S0)和黄铁矿粉(Fe S2)作为复合能源物质,以生物沥浸处理城市污泥脱水。通过正交试验分析了不同能源物质和接种物配比下的污泥脱水、沉降性能。结果表明:能源物质和接种物的合理配比为S0投量2 g/L、Fe S2投量6 g/L、接种物投量20%,在该投量下进行生物沥浸试验,污泥比阻由初始的3.35×1012m/kg降至3.90×1011m/kg,降幅达88.36%,污泥沉降率由68%升至78%;沥浸过程中污泥比阻、沉降率与p H值、ORP、Fe2+、Fe3+、总Fe和SO2-4质量浓度的变化同步,表明污泥脱水和沉降性能的改善是酸化、氧化和絮凝的协同作用所致;同时,细菌总数、总大肠菌群和粪大肠菌群的灭活率均在99%以上,表明生物沥浸还可高效杀灭病原微生物。