堆肥过程水溶性有机物组成和结构演化研究

基于Leenheer的分组方法,用XAD-8树脂将鸡粪不同堆肥阶段样品提取出的水溶性有机物(DOM)按极性和电荷特性分为疏水酸性组分(HOA)、疏水碱性组分(HOB)、疏水中性组分(HON)、酸不溶组分(AIM)及亲水性组分(HIM),采用元素分析、核磁共振(~1H-NMR)及红外光谱(FTIR),对各组分的组成和结构特征进行了研究.结果表明,堆肥DOM中HIM和HOA组分的含量分别为32%~44%和35%~47%,而HOB、AIM及HON组分之和不到25%,经堆肥后HIM组分含量下降,而疏水性组分含量增加.元素分析显示,堆肥过程N、C、S含量呈增加趋势,经堆肥后有机质H/C比降低,腐殖化率提高;~1H-NMR分析表明:HIM组分中烷基链烃的含量最少,支链最短,分支较多,碳水化合物含量高,而HON组分的组成恰好与之相反,AIM组分结构类似胡敏酸,HOB富含含氮化合物.FTIR分析表明,HOA和HOB组分富含羧基、酯基和醇羟基官能团,而AIM和HIM除上述官能团外,还含有大量苯环官能团,HON组分富含脂肪族官能团,该组分官能团种类最多,经堆肥后,脂族官能团含量降低,苯环官能团增加.     

不同物料堆肥富里酸的结构特征的研究

通过三维荧光平行因子分析（EEM-PARAFAC）和二维相关光谱（2DCOS）分析了富含木质纤维素类物料（果蔬废物和杂草废物）和富含木质素类物料（秸秆废物和园林修剪废物）堆肥形成的富里酸的结构和组成.结果显示，两类堆肥物料形成的富里酸结构差异显著.虽然两类物料的荧光组分含量及变化基本相似，但是特征官能团与其荧光组分的变化顺序却不同.富含木质纤维素类物料堆肥形成的富里酸中类酪氨酸和类色氨酸先于芳环形成，而富含木质素类物料堆肥形成的富里酸中芳环先于类酪氨酸和类色氨酸.并且，研究发现在堆肥高温期和腐熟期，富里酸的芳环含量在木质纤维类和木质类物料中分别增加了约10%和5%，脂肪族的含量分别下降了约10%和6%，说明堆肥过程中富里酸结构中脂肪族逐渐降解并伴随其芳香性逐渐增加；结构方程模型结果表明，类富里酸、脂肪族基团和羧基是富里酸中芳环形成的关键组分.本文研究结果可为明确堆肥过程中富里酸的形成提供理论基础.     

多环芳烃在污泥与菜籽饼堆肥中的降解规律

研究了城市污泥和菜籽饼堆肥体系中16种多环芳烃(PAHs)在94 d内的降解演化过程.堆肥体系开始时16种PAHs的总浓度为1.792 mg·kg~(-1),堆肥结束后其总浓度为0.153 mg·kg~(-1).其总降解率为91.5% (p<0.05).堆肥过程中,堆体腐殖酸呈现先上升后下降,最后又稳步上升的趋势;与此同时,PAHs则呈现先下降后上升,最后又明显下降的趋势(第31～61 d).PAHs的微生物降解主要发生在堆肥的第16～31 d,但是苯环数≤3的PAHs降解过程与苯环数≥4的PAHs在堆肥第31～47 d存在差异:苯环数≤3的PAHs(除了菲)存在着一个持续的降解过程,但是苯环数≥4的PAHs和菲在堆肥第31～46 d表现出浓度的上升.这表明苯环数≥4的PAHs和菲存在强吸附作用,它们紧密的吸附使得微生物不易进行生物降解.PAHs化合物降解率与其相对分子质量之间存在正相关的关系,即相对分子质量越大的化合物其降解率越高,苯并(b)荧蒽例外.     

堆肥过程中通气方式对碳氮代谢相关基因表达影响的研究

采用实时荧光定量PCR对两种不同强制通气方式(罐体内嵌式通气和整体式通气)好氧发酵过程中碳氮代谢相关基因表达,包括细菌16S r DNA、β-glucosidase、amo A、nxr B1基因进行了定量分析,并对比研究了发酵过程中理化参数及堆体中碳氮代谢相关基因表达的变化.实验结果表明,在堆肥过程中,罐体内嵌式通气发酵堆体细菌总量大于整体式通气发酵;罐体内嵌式通气与整体式通气发酵中β-glucosidase基因拷贝数分别在堆肥第7 d与第4 d达到最大值,该数值分别是堆肥第1 d的4.0倍和6.2倍,表明发生了强烈的生物降解作用,碳代谢活动剧烈;氨氧化细菌(AOB)在强制通气好氧发酵的高温期含量极少,直至腐熟期才大量积累,导致大量铵态氮转化为氨气造成氮损失;高温对nxr B1基因表达有严重阻碍作用,在腐熟阶段罐体内嵌式通气方式发酵中nxr B1基因优先于整体式通气发酵表达并达到峰值.     

生活垃圾堆肥过程中腐殖质及有机态氮组分的变化

利用实际城市生活垃圾,采用工厂化工艺进行堆肥试验,探讨在堆肥过程中腐殖质及有机态氮组分的动态变化.结果表明,随着堆肥的进行,有机碳、富里酸、全氮、酸水解性有机氮含量均有不同程度的降低,与堆肥前相比,降低幅度分别为53.00%、64.73%、21.78%、22.80%.而腐殖质、胡敏酸、氨基酸态氮则分别在堆肥的第35d达到最低点,而后呈逐渐增加的趋势.酰胺态氮、氨基糖态氮在堆肥的第21d达到最高峰.堆肥过程中,腐殖质与胡敏酸、酸水解有机态氮与全氮含量显著相关.胡敏酸的红外光谱分析结果表明,堆肥后胡敏酸分子的芳构化程度明显增强.     

生物表面活性剂在农业废物好氧堆肥中的应用

以稻草秸秆和麸皮为堆肥原料,本实验室制取的鼠李糖脂为促进剂,进行了控温条件下堆肥一次发酵的实验研究.堆肥采用好氧静态堆肥技术,含水率控制在60%～70%,通气量采用时间控制方式,发酵周期18d.实验分析了堆肥过程中有机质、pH值、水溶性有机碳、微生物种群密度、半纤维素酶活、羧甲基纤维素酶活、半纤维素和纤维素含量等指标随时间的变化特征.实验结果表明,堆肥过程中,实验组的有机质降解率比对照样高13.4%,水溶性有机碳的平均含量提高了2.2g/kg,同时半纤维素和纤维素的降解率分别增加了5.7%、10.7%.研究表明,添加鼠李糖脂能够改善堆肥处理的微环境,增强聚合物的水合程度,促进有机质降解,从而加快堆肥进程,提高堆肥产品品质.     

城市生活垃圾外源微生物堆肥对有机酸变化及堆肥腐熟度的影响

利用外源微生物(美商复合菌,MS;中加发酵菌,ZJ)进行城市生活垃圾工厂化堆肥,在堆肥过程中,分析了小分子有机酸及大分子腐殖酸动态变化.结果表明,接种外源微生物可明显提高堆肥前期小分子有机酸含量,在堆肥后期又呈明显的降低趋势.而腐殖酸与胡敏酸则呈现先降低而后增加的趋势.通过对堆肥过程中有机酸、腐殖化指数分析表明,接种外源微生物可明显提高堆肥的腐熟度,并且ZJ发酵菌优于MS复合菌,而2种外源菌混合接种具有协同促进作用.     

三阶段温度控制堆肥接种法对有机氮变化规律的影响

利用原生生活垃圾,通过三阶段温度控制技术进行堆肥试验,探讨在堆肥过程中有机态氮组分的动态变化规律.结果表明,全氮、酸水解有机态氮、氨基酸态氮均在堆肥的前期呈明显的下降趋势,呈较好的相关性.与CK（对照组）处理相比,在堆肥的后期,三阶段温度控制堆肥酸水解有机态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮及酸解未知态氮含量呈不同程度的上升趋势,增加幅度依次为：10.67%、16.17%、7.17%、22.44%.表明三阶段温度控制技术能减少堆肥中氮素的损失,堆肥产品施入土壤后,可提高土壤的供氮潜力.     

有机物料对两种紫色土氮素矿化的影响

以猪粪沼渣(PM)、牛粪沼渣(CM)、污泥堆肥(SC)、农村生活垃圾堆肥(RWC1)、农村生活垃圾与污泥的堆肥产物(堆肥过程中添加20%的污泥,RWC2)为材料,采用室内恒温好气培养试验研究了不同有机物料施入酸性紫色土和石灰性紫色土后土壤氮矿化的差异.结果表明,不同有机物料有机氮组分含量及其占全氮比例的基本顺序为:氨基酸态氮酸解未知氮酸解铵态氮非酸解氮氨基糖态氮.添加有机物料显著提高了酸性紫色土的NH~+_4-N和NO~-_3-N含量,而石灰性紫色土中猪粪沼渣和污泥堆肥显著提高了NH~+_4-N的含量,牛粪沼渣却使其NO~-_3-N含量降低.牛粪沼渣对酸性紫色土氮矿化量的影响不显著,使石灰性紫色土的氮矿化量降低,其余4种有机物料均明显提高两种土壤的氮矿化量.相关分析表明土壤氮矿化量与有机物料中的氨基酸态氮和酸解铵态氮呈显著正相关,与有机物料的有机质含量和C/N呈显著负相关.上述结果说明有机物料对土壤氮素矿化的效应因土壤和有机物料的性质不同而异,特别是有机物料中的有机质含量、C/N以及有机氮组分.     

源分类家庭有机垃圾及其堆肥产品中的PAHs

将源分类家庭生物有机垃圾同秸秆按质量比10:1混合后进行堆肥处理,应用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)按照U.S.EPA 8270方法对生物有机垃圾及其堆肥产品中16种PAHs进行分析测试,比较生物有机垃圾及其堆肥产品中16种PAHs含量、分布及生物降解率,评估堆肥产品PAHs农田风险,综合论述影响家庭有机垃圾堆肥过程中PAHs降解因素,为生物有机垃圾堆肥农田利用提供依据.结果表明,源分类家庭生物有机垃圾及其堆肥产品中∑PAH16化合物含量分别为2.19和1.96mg/ks(以干重计,下同),其中萘、芴、菲、荧蒽含量相对较高,占总量的79.76%和81.76%,这4种有机物的苯环在2-3之间,属于易降解非致癌物质,在农田施用中易被降解;在生物垃圾堆肥过程中∑PAH16的生物降解率为25.88%,堆肥后产品PAHs含量符合农田使用标准.     

分阶段接菌对中药残渣堆肥腐熟度及微生物多样性的影响

堆肥通常用于处理有机固体废弃物,可通过接种木质纤维素降解功能菌群提高堆肥进程及产品品质.然而,堆肥过程中传统的功能菌群一次性添加方式,不仅造成了堆肥过程中较低的堆肥效率,而且堆肥产品品质也并不稳定.为了探究基于不同接种方法对堆肥过程腐熟度和品质的影响,设置M0（不接菌）、M1（分阶段接菌）及M2（一次性接菌）3个好氧堆肥处理,考察各处理堆肥过程中理化性质变化、木质纤维素降解及微生物群落多样性.结果表明:M1处理下,堆肥至第20天,堆体温度达到51.2℃且拥有最高的嗜热温度（67.8℃）;堆肥至第67天,发芽指数达到83.61%.此外,M1处理下腐殖质增长率、总有机碳降解率、纤维素降解率和木质素降解率均最高,分别为50.20%、53.86%、59.87%和40.61%,远高于其他2个处理.变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析显示,在嗜热期,真菌种群对于木质纤维素生物降解的作用比细菌种群更加突出,并且受到总磷含量、pH、碱解氮含量和碳氮比的显著影响.研究显示,分阶段接菌可以显著提高堆体温度及堆体中木质纤维素降解酶活性,促进堆体腐熟进程及堆肥产品中腐殖质等养分积累.      

好氧堆肥微生物代谢多样性及其细菌群落结构

好氧堆肥是农业废弃物无害化处理和资源化利用的一条有效途径.为了探究好氧堆肥过程中微生物群落的代谢特征和细菌群落演替现象,了解起关键作用的微生物菌群,通过筛选强降解菌种改善堆肥工艺、提高堆肥效率,采用Biolog法和宏基因组法分析了玉米秸秆和牛粪联合好氧堆肥过程中微生物的碳源代谢能力和细菌群落多样性.结果表明:在第2次翻堆（第14天）时,微生物利用碳源的能力最强,初次建堆时（0 d）和其余翻堆时（第8、20、26天）次之,发酵结束时（第34天）最弱.Simpson、Shannon-Wiener和McIntosh多样性指数表明,建堆时及翻堆时的菌群优势度、丰富度和均匀度均极显著优于好氧堆肥结束.不同好氧发酵时间的微生物群落对同一碳源代谢有差异,同一好氧发酵时间微生物群落对不同碳源的利用率不同.糖类、酸类和醇类是区分好氧堆肥不同时间微生物碳源利用差异的敏感碳源.好氧堆肥不同时间细菌的种类和丰度不同,共享的优势菌门有厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）,在第0、8、14、20、26、34天这6个时间内它们的相对丰度之和分别达90.27%、90.34%、94.26%、84.21%、84.31%和77.61%,且6种门类在不同发酵时间的丰度表达存在消长变化状态.研究显示,参与好氧堆肥不同时间的微生物群落在碳源代谢能力上存在多样性,在细菌菌群的种类和丰度上也存在多样性.      

堆肥添加剂降低碳氮损失的微生物学机制研究

为了探明添加剂如何影响堆肥微生物优势群落的演替进而影响碳氮损失,以玉米秸秆和鸡粪为原料,添加不同量的生物质炭和凹凸棒作为添加剂,设置5个处理（CK （鸡粪+玉米秸秆）、BC1（鸡粪+玉米秸秆+5%（干重）生物质炭）、BC2（鸡粪+玉米秸秆+10%（干重）生物质炭）、PG1（鸡粪+玉米秸秆+5%（干重）凹凸棒）和PG2（鸡粪+玉米秸秆+10%（干重）凹凸棒））进行堆肥.结果表明,相较于CK,BC1、BC2、PG1、PG2处理的碳和氮损失分别减少了8.60%、12.05%、2.03%、6.14%和14.54%、20.14%、8.40%、11.23%.优势微生物菌群与碳氮损失的冗余分析表明,添加10%生物质炭和添加10%凹凸棒都显著促进了堆肥过程中固氮类细菌相对丰度,而抑制反硝化细菌的相对丰度,且添加10%生物质炭效果更佳;KEGG分析表明,添加10%生物质炭显著影响氨基酸代谢和碳水化合物代谢功能基因,而添加10%凹凸棒显著影响氨基酸代谢功能基因.由此可见,10%添加剂的碳氮损失都低于5%添加剂的处理,添加生物质炭的碳氮损失都低于凹凸棒处理,添加剂通过影响优势微生物群落及其氨基酸代谢和碳水化合物代谢功能基因抑制堆肥过程中的碳氮代谢,从而减少碳氮损失.     

餐厨垃圾堆肥理化特性变化规律研究

餐厨垃圾主要包括厨余和泔脚,二者的化学组成、物料结构以及初始微生物量均存在差异. 对厨余和泔脚分别与相同质量比的木屑混合堆制的一次好氧堆肥过程进行了比较研究. 结果表明,在相同好氧堆肥条件下,二者的特性变化不同:与厨余堆肥系统相比,泔脚堆肥系统初始水溶性w(C)/w(N)高,堆肥pH较低,高温持续时间长,CO₂释放率高,NH₃挥发少,氮素损失低,堆制后堆肥含氮量升高; 但泔脚一次堆肥所需时间偏长,应采取有效方法加速其堆肥进程. 厨余堆肥系统升温快,堆肥周期短, 但生物可利用碳的短缺造成系统氮素损失量大,可采用在厨余堆肥中添加适当碳源等措施来减少氮素损失.      

基于光谱学技术对生物沥浸污泥与不同辅料堆肥过程中富里酸的研究

以生物沥浸污泥与不同农林废弃物混合堆肥为研究对象,采用紫外可见光谱(UV-vis)、傅里叶红外光谱(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEMs)技术分析了堆肥过程中富里酸结构、组成和含量变化。基础理化性质表明：4个处理组(T1:污泥+甘蔗渣,T2:污染+秸秆,T3:污染+米糠,T4:污染+木屑)均达到堆肥成熟标准;UV-vis和紫外参数SUVA₂₅₄、SUVA₂₈₀的变化表明4个堆肥处理组中的腐熟度和富里酸的芳香碳含量均增加,其中T2处理组的腐熟度优于其他处理组。FTIR分析表明富里酸中多糖类、碳水类和脂肪族物质的含量逐渐降低,合成的腐殖酸类物质含量逐渐增加,T3处理组的腐殖化、芳构化程度要优于其他处理组。3D-EEMs分析表明结构简单、共轭程度低的有机物如辅酶、色素等物质被降解消耗,形成共轭程度高的类腐殖质物质,T2处理组的荧光峰强度最大,表明堆肥腐熟效果更好。富里酸含量变化则表明T3处理组腐熟效果优于其他处理组。结果表明,秸秆和米糠与生物沥浸污泥共同堆肥效果较好。     

废弃鲜烟叶田间就地堆肥促生长机制研究

烟草种植过程中产生的废弃鲜烟叶同时含有有机质、钾及病原菌,田间就地堆肥可以低成本实现其无害化处理与资源化利用. 为明确废弃鲜烟叶堆肥产品中溶解性腐殖质的含量与功能,研发出废弃鲜烟叶野外强化堆肥模式进行高效返田,开展了废弃烟叶田间直接就地堆肥、废弃烟叶接种有机肥堆肥、废弃烟叶接种土壤堆肥以及废弃烟叶接种土壤和复合肥堆肥,将4种堆肥模式下获得的产品用于烟草盆栽试验,研究了其在添加与不添加化肥复合肥下对土壤肥力、土壤酶活、特征功能基因、病原菌及作物生长的影响. 结果表明:①施加烟叶有机肥能显著增加土壤中溶解性腐殖质的含量,抑制微生物的硝化和反硝化过程,促进全氮保存和碱解氮供给,同时有机肥中的溶解性腐殖质组分还可提升土壤速效钾和有效磷的含量. ②施用烟叶有机肥能增加土壤过氧化氢酶活性,抑制土壤青枯病. ③有机肥施用后,土壤中增加的溶解性腐殖质促进了碱解氮供给,引起了盆栽作物的株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽增加. ④与不添加有机肥的对照组相比,施用废弃烟叶接种土壤和复合肥堆肥得到的产品,在盆栽过程的团棵期(37 d)时株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽分别提高了78.7%、23.1%、26.8%、45.5%、49.6%;在旺长期(56 d)时最大叶长、最大叶宽分别提高了18.5%和16.5%,在成熟期(100 d)时分别提高了11.6%和19.7%. 研究显示,废弃鲜烟叶+土壤+化肥复合肥堆肥工艺制备的有机肥能显著增加土壤溶解性腐殖质,提升土壤固氮、释磷、促钾的能力,改善烟叶的农艺性状.      

Humic fractions of organic wastes

The distribution and composition of humic and fulvic acids have been investigated in the following organic wastes: straw, farmyard manure, sewage sludge, poultry manure, municipal refuse compost and pig slurry. Of the total organic carbon, the proportion present as humic carbon varied from about 13% in the compost to 50% in the pig slurry; the humic compounds extracted are characterized by a variable chemical composition. As compared to the natural humic substances from soil organic matter, these compounds show a lower content of acidic functional groups, lower E₄/E₆ and C/H ratios and can be classified as young forms of humic substances.     

Humification characterization of biochar and its potential as a composting amendment

Biochar has received increasing attention due to its applications as a soil amendment. Here, the chemical properties of solid and water-extractable fractions of four biochar samples were investigated. The results showed that wood biochar and bamboo biochar samples were 60%–80% more hydrophobic than those of rice husk biochar and rice husk ash. In addition, the acidity was 3.88 mmol/g from the total functional groups and 1.03 mmol/g from the carboxyl groups/lactones/phenols found in the wood biochar sample, which were about 1.5 times greater than those of the bamboo biochar sample. These functional groups could be used to determine the sorptive capacity of biochar for ionic solutes and water content and to increase the degradation of compost organics. The wood biochar sample was found to have the most humification materials(fulvic acid-like material + humic acid-like material) in the water-extractable fraction, which was 3–10 times higher than that in the rice husk biochar and rice husk ash; humified materials were not detected in the bamboo biochar sample. Humification materials in biochar may be involved in increasing the proportion of humic acid-like materials in humic-like substances within the compost product. Wood biochar had better hydrophobic, sorptive, aromatic, and humification properties compared to other biochars, suggesting that it may be used in composting in order to exert its effect as both a bulking agent and a composting amendment during the solid waste composting process.