有機廢物好氧發(fā)酵腐殖質形成機理及農學效應研究進展

郭小夏, 劉洪濤, 常志州, 陶秀萍, 靳紅梅, 董紅敏, 朱志平

(1.中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101; 2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院, 北京 100049; 3.江蘇省農業(yè)科學院循環(huán)農業(yè)研究中心, 江蘇 南京 210014; 4.中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081)

好氧發(fā)酵(aerobic composting)是有機物料中的有機物向更穩(wěn)定的腐殖質(humic substance,HS)轉化的過程,產物是有機肥料和土壤改良劑[1]。好氧發(fā)酵的有機物料主要為畜禽糞便、城市污泥和餐廚垃圾,在中國年產量分別約為40億[2]、4 300萬(以質量含水率80%計)[3]和6 000萬t[4]。上述3種主要的有機類廢物量約占有機廢物總量的70%,如能將其富含的有機質和植物養(yǎng)分轉化為有機肥,使資源循環(huán)利用率提高的潛力將十分巨大。在中國,由于化肥的推廣和糧食增產的需求,有機肥施用比例從1949年的99.9%下降到2007年的23%[5],但是化肥的過量施用和營養(yǎng)元素施用比例不科學導致的土壤板結、環(huán)境污染問題日趨嚴重。有機肥養(yǎng)分相對齊全,肥效穩(wěn)且長,有利于改善土壤結構和地力,因此利用有機廢物開發(fā)有機肥有很大的應用前景[6]。

腐殖質是動植物殘體經細菌、放線菌、真菌和原生動物等分解而形成的高分子有機物,由含氮化合物和芳香族有機化合物縮合而成,顏色一般為暗褐色,呈酸性[7]41。根據HS的功能不同,可將其劃分為富里酸(fulvic acid,FA)、胡敏酸(humic acid,HA)和胡敏素(humins,HU)3類。HS的存在形式分為結合態(tài)和游離態(tài),大多以結合態(tài)存在[7]43。HS廣泛存在于土壤和有機類廢物中,其占土壤中有機質總量的60%[8]6-11。HS是好氧發(fā)酵過程中最重要的產物,也是評價好氧發(fā)酵效果的重要標準[9]。HS的農學效應十分顯著:對于土壤,HS可以改善土壤結構,增強土壤的營養(yǎng)保持能力和持水能力;對于植物,HS可以作為其營養(yǎng)庫和水庫,提供必需的N、S、P等營養(yǎng)元素和水分。HS對于改善土壤理化性質、促進植物生長具有重要意義[10]。

因此,HS是好氧發(fā)酵的核心產物,是各項有益功能的最終來源,在好氧發(fā)酵過程中最重要的一步就是將有機質轉化為HS。但影響HS形成的因素復雜,對HS官能團和與之相對應的具體農學效應尚不十分明確,研究腐殖化規(guī)律和HS農學效應具有重要意義。筆者總結了國內外在HS結構特征、好氧發(fā)酵過程中HS形成機理及變化規(guī)律、影響好氧發(fā)酵的重要物理化學因素和HS的農學效應等方面的最新研究進展。

1 腐殖質結構特征

關于HS結構的研究,由于原料、微生物、環(huán)境參數和轉化時間的復雜性,難以找到統(tǒng)一的HS結構。普遍的觀點是HS由兩親性(親脂性和親水性)化合物通過氫鍵、庫侖力、范德華力、CH—π鍵和π—π鍵連接而成[11-12]。最初形成的HS由于不同程度的聚合作用,其分子量范圍為500～1×106Da[13]。但從定性角度來看,HS呈現(xiàn)出相似類型的官能團和結構排列規(guī)律[14]。HA作為超分子,平均分子量范圍為1×104～1×105Da,FA平均分子量范圍為600～1 500 Da[15]。目前,可以通過元素分析、傅里葉紅外光譜(FT-IR)、核磁共振氫譜(1H-NMR)和核磁共振碳譜(13C-NMR)等檢測技術刻畫出HA單體二維結構模型,從而推測HA內部排列方式[16-18]。

根據結構模型,可得HA分子量比FA大,芳香化程度高而解離程度小;FA分子量小,含有更多的羥基和羧基[19]。HA和FA外部都有大量酚羥基、醇羥基和羧基等親水基團,內部則含大量苯環(huán)結構,所以具有內部疏水、外部親水的性質[20]。FISCHER[21]指出,在HS超分子層面上,極性強的亞結構掩蔽極性弱的亞結構,通過不斷形成弱極性層來形成超分子,使之具有極性表面和非極性內核。但二維結構模型提供的的拓撲信息有限,難以還原HS內部的立體骨架結構。在元素分析、核磁共振、質譜法和紅外光譜等技術方法探測出的HS元素組成、分子碎片結構以及分子間作用力的基礎上,利用計算機實現(xiàn)從二維到三維的空間轉化,可以更好地理解真實的化學環(huán)境和分子間的化學反應[15]。

2 好氧發(fā)酵過程中腐殖質形成機理和變化規(guī)律

2.1 腐殖質形成機理

有機質在微生物作用下,將簡單有機化合物轉化為更復雜、更穩(wěn)定的HS的過程稱為腐殖化過程。腐殖化過程與礦化過程對立而統(tǒng)一,礦化過程的中間產物是形成HS的重要前體之一[22]。好氧發(fā)酵是一個有機質降解、腐殖質增加且逐漸趨于穩(wěn)定化的過程,發(fā)酵后碳素腐殖化特征明顯[23]。在好氧發(fā)酵過程中,大分子有機質被分解為小分子有機化合物,例如羧酸、多酚、多糖、氨基酸和還原糖,這些小分子物質可以在微生物作用下形成HS[9]。好氧發(fā)酵過程主要分為2個階段:在第1階段,在微生物作用下,結構較為簡單的有機質(約占10%[24]),例如蛋白質、有機酸和可溶糖等率先被分解,同時釋放CO2、H2O、NH4+和熱量[1];在第2階段,剩下的較難分解的有機質(約占90%[25]),例如纖維素、半纖維素和木質素[23],被分解并聚合為腐殖質類物質。

關于HS的形成途徑有8種學說:木質素學說、木質素多酚學說、微生物合成學說、微生物多酚學說、細胞自溶學說、糖-酰胺縮合學說、煤化學說和厭氧發(fā)酵學說[26-27]。不同學說有不同的側重點,比如強調植物的作用(木質素學說)、微生物作用(微生物合成學說、微生物多酚學說、厭氧發(fā)酵學說)及微生物和植物共同作用(木質素多酚學說、細胞自溶學說、糖-酰胺縮合學說、煤化學說)[27-28]?？偟膩碚f,關于HS來源的學說分為2類:一是以木質素為原料和骨架,和蛋白質一起構成HS;二是死亡的細胞成分在微生物作用下,將包括多酚和氨基酸在內的單體聚合成HS[8]191-205。KELLEHER等[29]指出,HS包含蛋白質、碳水化合物、聚脂肪烴和木質素。

2.2 腐殖質變化規(guī)律

腐熟是一個芳烴含量和聚合程度增加,脂肪族基團、碳水化合物、肽含量減少,HS大量生成的過程[30]。JOURAIPHY等[31]通過傅里葉紅外光譜分析,發(fā)現(xiàn)HS在好氧發(fā)酵后芳香結構增多,其來源于發(fā)酵原料和微生物合成。

在好氧發(fā)酵過程中,HS結構發(fā)生明顯變化。在好氧發(fā)酵中期,HS釋放大量脂質化合物，但隨后脂質化合物被分解,HS最終由富含氮的烷基結構、肽類和其他難氧化的化合物組合而成[32]。HARDIE等[33]指出,羧基作為HS生成過程中的中間產物,在增加脂質化合物數量和HS不飽和度中起重要作用。WU等[9]研究表明,羧基大多來自芳香結構化合物。AMIR等[32]通過元素分析得出,在好氧發(fā)酵過程中HA的H含量減少,氫碳比(H/C)和碳氮比(C/N)下降,N和S含量上升;C和O含量在發(fā)酵中期上升,在末期恢復至初始含量水平。

發(fā)酵前后大分子和小分子HS所占比例有明顯變化。張雪英等[34]研究表明,污泥在腐熟后小分子量HS(<1 000 Da)含量下降64%,大分子量HS(>25 000 Da)含量提高58%。好氧發(fā)酵生成的HS分為HA和FA 2大類,其中HA是重組分,FA是輕組分。研究表明,部分FA是生成HA的原料[35]。ZHOU等[36]發(fā)現(xiàn),腐熟度不高的物料中FA含量高于HA含量,而腐熟物料中HA含量占優(yōu)勢。因此,腐殖化程度可以用HA和FA比值(H/F,稱為胡富比)表示,H/F越高,腐殖化程度越高[26]。在好氧發(fā)酵過程中,H/F呈增加趨勢[37]。

電導率(electrical conductivity,EC)可以表征有機廢物發(fā)酵產品中可溶性鹽含量[38]。在發(fā)酵初期,有機質礦化作用產生大量無機鹽離子(主要是Mg2+和Ca2+[39]),導致EC值上升;由于在發(fā)酵過程中NH3的揮發(fā)、無機鹽的沉淀和浸出以及小分子有機酸和鹽類縮合成大分子HS,導致EC值下降[40-41]?？梢哉f,EC值與HS的形成關系緊密,在一定程度上,可以側面說明腐殖化的進程。EC值波動越大,腐殖化程度越高,即前期上升速度快,后期下降幅度大,表明微生物代謝旺盛,有機廢物降解劇烈[42-43]。

3 有機廢物好氧發(fā)酵腐殖質形成的影響因素

HS的形成受多種因素的綜合影響,發(fā)酵堆體中復雜的物理化學環(huán)境影響著微生物群落的活力和更替,而微生物是腐殖化過程的執(zhí)行者,從而決定了HS的合成進程。這些物化條件包括好氧發(fā)酵的物料和輔料類型、溫度、水分、C/N、氧含量、pH值、孔隙度[9,44]。這些因素互相影響,決定了微生物活性,因此可以通過調節(jié)這些參數來促進HS的生成,提高好氧發(fā)酵產品質量。

3.1 物料和輔料類型

發(fā)酵原料一般來自畜禽糞便、城市污泥、餐廚垃圾和秸稈垃圾,不同原料的木質纖維素含量、初始pH、孔隙度、含水率不同,C、N、H、O元素比例差異大,微生物種類也不盡相同,導致HS的合成速率和元素組成有很大差異[45]。植物源HS的C/N一般比污泥或土壤HS要高。畜禽糞便和城市污泥水分高,質地細,孔隙度低[46];秸稈垃圾和園林垃圾水分低,孔隙度高,木質化程度高,主要由木質素、纖維素和半纖維素構成[26];餐廚垃圾水分高,鹽分高,油脂高,有機質含量高[4]。一般來說,不加輔料的物料不適宜直接進行好氧發(fā)酵。KUMAR等[47]指出,餐廚垃圾中的高水分和園林垃圾中的低含氮量會延長發(fā)酵時間,降低好氧發(fā)酵效率。

根據輔料用途可將輔料分為接種劑、調理劑、特定目的調節(jié)劑和起爆劑[46]。接種劑指向堆體中接種的細菌或真菌,可促進腐殖化進程。JURADO等[44]在堆體上接種細菌和真菌,發(fā)現(xiàn)半纖維素、纖維素和木質素降解率比未接種堆體分別高28%、21%和25%,接種劑可以增加HS的聚合度和數量,從而加快腐殖化進程,使最終發(fā)酵產品更加穩(wěn)定。AWASTHI等[48]研究表明,接種真菌處理HS芳香化程度比未接種處理更高。

調理劑可以調節(jié)含水率、C/N和孔隙度,提高發(fā)酵效率,維持正常的腐殖化過程[46]。鋸末、生物炭、中藥殘渣、廢棄紙屑和酒糟等含有大量木質素,是調理劑的理想材料。中藥殘渣經過煎煮,其中的木質素含量比鋸末更高,所以更利于HS的形成[35]。生物炭的加入可使HS含碳量增加,并使其化學結構更穩(wěn)定[49]。廢棄紙屑含有大量木質素,作為調理劑可以促進HS生成,并使發(fā)酵產品具備良好的持水能力[39]。

除了傳統(tǒng)材料外,越來越多的材料被發(fā)現(xiàn)有改善腐殖化進程的潛力,被應用于調理劑的開發(fā)。ZHANG等[42]在園林廢棄物中添加魚塘底泥和磷礦粉,可以加速腐殖化進程,使發(fā)酵時間從90～270 d縮短至22 d。GUO等[10]發(fā)現(xiàn),在牛糞+甘蔗渣堆體中加入一種煙氣脫硫石膏作為調節(jié)劑可以使HS中鏈烴減少,提高HS中芳香化合物和含氮化合物含量,有助于HS的生成。

3.2 溫度

在好氧發(fā)酵過程中,復雜的生化反應使堆體產生自熱效應[50]。溫度反映了有機質降解的速率,發(fā)酵過程中溫度升高越快,表明有機質降解越劇烈[48]。隨著時間的推移,堆體分別經歷升溫期(15～45 ℃)、高溫期(>50 ℃)和降溫期,與之對應的主導菌群分別是嗜溫菌群、嗜熱菌群和嗜溫菌群[51]。與畜禽糞便、餐廚垃圾相比,由于秸稈垃圾和園林垃圾含有大量纖維素,微生物難以降解,所以更早進入降溫期[45]。發(fā)酵溫度過低或過高都會推遲腐熟時間[46]。在發(fā)酵過程中產生的高溫可以殺死病原菌,但溫度超過70 ℃會使微生物進入休眠狀態(tài),導致腐殖化進程延緩甚至終止,使堆溫降低[52]。好氧發(fā)酵是一個放熱過程,堆溫取決于環(huán)境溫度、堆體初始溫度和微生物活性[53],發(fā)酵溫度又牽制著微生物活性,從而影響腐殖化進程。盡管溫度是發(fā)酵進程的表象形式,但適合的外部環(huán)境溫度條件會顯著提高發(fā)酵效率。

3.3 水分

水分是發(fā)酵過程中微生物的基礎條件。含水率可以影響好氧發(fā)酵過程的耗氧速率、氣體流通空間、微生物活性和溫度,最佳含水率為50%～60%[54]。含水率過低(<30%)會影響微生物正常生理活動,含水率過高(>65%)則會降低堆體孔隙率,阻礙氧氣進入堆體內部,影響好氧微生物活性,導致厭氧發(fā)酵[55]。HUET等[56]研究表明,含水率可以影響污泥堆體初始密度、透氣性指數、自由空域和導熱率。

人工調控含水率的途徑以添加輔料、通風為主,以勻翻為輔。好氧發(fā)酵過程中,堆體產水途徑主要有微生物產水和外界輸水,脫水途徑主要有水分蒸發(fā)和滲濾液析出[57-58]。產水速率可以反映有機質降解難易程度和微生物活性,產水率越高,說明易降解有機質降解量越高,微生物活動越旺盛[59]。含水率是影響好氧發(fā)酵的重要因子之一,堆體在不同階段的產水量和脫水量不斷變化,與HS的形成密切相關。在好氧發(fā)酵過程中,可以通過全程監(jiān)控實時控制含水率使堆體達到最佳水分平衡狀態(tài),提高HS生成效率。

3.4 C/N

在發(fā)酵原料中,C和N是最重要的2種元素。C為微生物提供能源,而N建造微生物細胞結構[60]。C/N對有機質分解速率影響較大,它牽制著有機質的降解程度,影響HS的形成。當C/N過高時,氮源不足會影響微生物活動;當C/N過低時,堆體傾向于積累“部分氧化”的有機質,而不是進一步腐熟生成HS,因此不利于堆體的穩(wěn)定[61-62]。合適的C/N質量比(25∶1～30∶1)有利于有機質的降解和腐殖化,可以通過添加調理劑至最佳初始C/N。SILVA等[62]通過比較不同C/N的堆體對HS生成的影響,發(fā)現(xiàn)C/N為24.1∶1的堆體有機物芳香化程度和聚合程度最高,生成的HA含量也最高。董存明等[63]研究表明,當C/N為25∶1時,堆體環(huán)境有利于微生物活動,堆體達到最高溫度且高溫持續(xù)時間最長。

3.5 pH

微生物群落的活性決定了HS的形成,而微生物的生理活動受pH的影響,pH值為7.5～8.5最適合微生物的降解活動[43]。一般情況下堆體pH前期升高,后期下降[45]。前期pH上升源于蛋白質的分解釋放出NH3及有機酸的降解,后期pH下降可能歸因于微生物降解有機物,導致乳酸、乙酸和丁酸等酸類的形成及硝化作用[54]。

HS的結構穩(wěn)定性也與pH密切相關。PéDROT等[64]研究表明,在弱堿性環(huán)境下(pH=7.5),HS以超大分子結合的形式存在,隨著pH的降低(3.0

3.6 氧含量和孔隙度

氧氣直接決定了好氧微生物的活性,從而影響HS生成量。一般認為堆體氧濃度為50～150 mL·L-1比較適宜發(fā)酵進程,過低會導致厭氧環(huán)境[55],過高會使微生物活動過于旺盛,有機質分解過快,導致HS生成量減少[26]。

好氧發(fā)酵需要持續(xù)的氧氣供給,一般通過持續(xù)通風和翻堆實現(xiàn),可以使微生物和氧氣充分接觸,加速物質轉化成HS,從而縮短好氧發(fā)酵時間[54]。MANU等[19]發(fā)現(xiàn)通風并翻堆的堆體產生的HA含量明顯比不通風且不翻堆的堆體高,并且前者的H/F高于后者,表明通風和翻堆有利于提高腐殖化程度。

孔隙度決定了堆體的通風效率、密度和保水性[39]。孔隙過小會影響氧氣在堆體中的擴散,抑制氧供給;孔隙過大雖有利于通風供氧,但會使顆粒比表面積減小,導致總降解面積變小,延緩降解速度[65]。合適的粒徑在好氧發(fā)酵完成時使得腐熟指標更好,對腐熟度貢獻更多[66]。

3.7 好氧發(fā)酵工藝

好氧發(fā)酵工藝主要有條垛式系統(tǒng)、強制通風靜態(tài)垛系統(tǒng)和反應器好氧發(fā)酵3種,主要通過控制供氧量調控發(fā)酵進度。條垛式多采用自然通風、機械翻堆方式,腐熟周期長;強制通風靜態(tài)垛采用強制曝氣方式,周期較條垛式短。反應器好氧發(fā)酵多采用強制通風方式,腐熟快[67]。部分發(fā)酵工藝及其腐殖化情況見表1[19，36，43，48-49，55，68-69]。

腐殖化系數(E4/E6,即樣品在465和665 nm處吸光度的比值)可以表示HS中芳香組分的縮合程度,其值越小,有機質聚合程度越大[68];腐殖化比率為HA和FA含量的比值(H/F,即胡富比),其值越高,腐殖化程度越高[43]。由表1可知,條垛式高溫期較長,反應器好氧發(fā)酵腐熟時間比條垛式更短,反應器+條垛式的二次發(fā)酵技術可以明顯縮短腐熟時間,使堆體更早地進入高溫期,其腐殖化程度良好?？偟膩碚f,翻堆處理的條垛式可以最終達到和反應器好氧發(fā)酵同樣的腐殖化程度,但腐熟效率低,周期更長。反應器+條垛式加上調理劑的輔助,可以在短時間內達到理想的腐殖化效果[43,68]。

表1部分好氧發(fā)酵工藝及其腐殖化情況

Table1Someaerobicfermentationprocessesanditshumificationdegree

好氧發(fā)酵工藝堆肥材料高溫期最終腐殖化比率最終腐殖化系數來源文獻 條垛式雞糞+秸稈第2^17天(一次發(fā)酵)第25^37天(二次發(fā)酵)1.53(第53天)—[55] 條垛式牛糞+生物炭第1^7天3.3(第84天)—[49] 條垛式城市垃圾+干污泥第30^50天—5.35(第200天)[69] 條垛式城市垃圾第5^28天—1.2(第35天)[48] 反應器園林垃圾+餐廚垃圾第6^9天4.14(第60天)—[19] 反應器餐廚垃圾+鋸末+中藥殘渣第1^14天3.5(第56天)—[36] 反應器(一次發(fā)酵)+條垛式(二次發(fā)酵)園林垃圾+蚯蚓糞+沸石第3^6天(一次發(fā)酵)第10^12天(二次發(fā)酵)2.09(第21天)—[43] 反應器(一次發(fā)酵)+條垛式(二次發(fā)酵)園林垃圾+蘑菇渣+生物炭第1^6天(一次發(fā)酵)第9^13天(二次發(fā)酵)—約1.4(第24天)[68]

“—”表示無數據。

4 腐殖質的農學效應

HS是有機高分子聚合物,主要官能團有羥基、醌基、羧基、酚羥基和甲氧基等,酚類結構和羧酸類結構最多,這些官能團可以影響土壤保水能力、pH和營養(yǎng)物動態(tài),并影響植物的生理過程[20]。分析HS特征性官能團,明確HS官能團與包括保肥性、保水性和抗病性在內的效應,將有機廢物HS與農業(yè)生產直接關聯(lián)起來,可改進有機廢物類有機肥的施用效果[35]。

4.1 促生長性能

HA可以促進植物吸收營養(yǎng),增加生物量。TAHIR等[70]發(fā)現(xiàn)土壤中HA(60 mg·kg-1)可以使小麥干重提高18%,并指出HA可以增加細胞膜的滲透率,從而促進植物吸收和積累營養(yǎng)。MAJI等[71]研究表明,與施用普通蚯蚓糞相比,施用HA含量高的蚯蚓糞可以使豌豆根部生物量提高21.39%。

HS有助于植物改善土壤狀況,改良植物生長環(huán)境。CANELLAS等[12]認為,植物主要通過改變pH值來改變礦物的風化速率,改變pH值的途徑是通過H+-ATP酶向根際土壤釋放H+,而HS可以刺激植物增強H+-ATP酶的表達,從而改良植物的生長環(huán)境。ZANDONADI等[72]研究表明,HA也可以通過刺激植物增強H+-ATP酶的表達來促進植物根毛生長。

HS的酚羥基和羧基具有促生長性能,酚羥基和醌基可以增強植物根部的呼吸作用[20]。HS中的酚羥基和醌基構成一個氧化還原系統(tǒng),醌基可以接受電子并產生活性氧(reactive oxygen species,ROS),轉化為半醌結構,再接受電子進一步生成穩(wěn)定的對苯二酚(圖1)[20]。通過酚羥基和醌基的互相轉化來促進作物的呼吸作用[26]。HS在增加植物生物量、改善土壤狀況和增強植物呼吸作用方面均有增強效果,促生長性能特征顯著。

圖1 苯醌、半醌和對苯二酚的氧化還原轉化

4.2 保肥性

植物生長吸收的養(yǎng)分(例如Ca2+、Mg2+和K+)大多呈陽離子形式,在土壤偏堿性情況下,HS中的羧基和羥基中質子的解離使HS產生負電荷,可以吸附陽離子,從而使土壤具有保肥性[73-74]。

土壤陽離子交換能力可以用陽離子交換量(cation exchange capacity,CEC)表示,土壤CEC>20 cmol·kg-1被認為保肥力較強[7]83,而HA和FA的CEC高達200～400 cmol·kg-1[75],所以HS含量高的土壤保肥性好。詹其厚等[73]研究發(fā)現(xiàn),施用有機物料(分別為秸稈、秸稈堆肥和牛糞)的土壤比對照可吸附更多的NH4+,這是因為HS增加了土壤保蓄氮素的能力。ZHANG等[68]指出CEC可用以衡量堆體羧基官能團的數量,并研究發(fā)現(xiàn)蘑菇渣含有大量羧基,與帶負電的生物炭一起加至園林垃圾中可明顯提高CEC,從而增加發(fā)酵產品的保肥能力。

4.3 保水性

HS在土壤中屬于親水膠體,可以膠結土壤中的黏粒,增加土壤孔隙;水分子可以填充在微孔隙中,形成氫鍵,從而構成穩(wěn)定的網絡。研究結果表明,含有大量HS的秸稈腐熟物吸水率為500%～600%,能有效改良砂質土的持水能力[76]。

官能團及元素組成可以影響HS中水含量[79]。例如,HS中親水基團含量越高,其持水能力就越強[74]。HS的親水性可以用碳氧比(C/O)判斷。CIHL等[78]指出,C/O越低,表示含氧官能團越多,因此親水性越高。碳含量也可以影響HS的含水量和水穩(wěn)性。覃國樂等[80]發(fā)現(xiàn)HS中水含量與HS中有機碳含量呈顯著正相關;劉威等[81]也表明HS中碳含量與水穩(wěn)性團聚體(粒徑>0.25 mm)含量均呈極顯著正相關。

4.4 抗病性

發(fā)酵腐熟的有機廢物可以增強植物的抗病性,除了堆體自帶的菌群可以與土壤中病菌形成營養(yǎng)競爭、捕食和抗生關系外,另一個重要因素是HS可起到殺菌作用,比如酚基[82]。LOFFREDO等[83]通過實驗證明,HA可以抑制終極腐霉菌(Pythiumultimum)和尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporumfsp.callistephi)的生長。EL-GHAMRY等[84]研究表明,HA的施用顯著減輕銹病和赤斑病對蠶豆的危害程度。

5 展望

5.1 探明好氧發(fā)酵腐殖質形成路徑

HS的形成機制復雜且影響因素眾多,目前研究主要集中在控制原料和輔料的搭配、發(fā)酵工藝、水分和溫度等變量對腐熟程度的影響,一般通過HS(HA、FA)含量、官能團(羧基、酚基)含量以及E4/E6、H/F等指標獲得HS的信息。這些指標各有側重,但大多數研究只采用1～2種來描述HS的芳香化程度或結構信息。在好氧發(fā)酵過程中,有機質如何逐步分解、聚合成為腐殖質的具體過程尚不清楚,HS結構的變化和分子間的化學反應有待探明?？梢栽诤醚醢l(fā)酵不同時期探測多種特征性指標來獲取HS的綜合信息,探究如何更清晰地刻畫有機廢物好氧發(fā)酵過程HS形成的典型路徑,對于調控HS的形成具有重要的參考價值。

5.2 利用同步輻射顯微CT(SR-μCT)技術探測腐殖質形態(tài)信息

HS團聚體的形成是一個復雜過程,但是HS團聚體內部三維結構和孔隙分布尚不明確。對于HS官能團和骨架構型的研究多采用FT-IR、1H-NMR和13C-NMR方法,但這些方法已無法滿足對空間結構高分辨率分析的要求;采用高亮度、高光子通量和高準直性的SR-μCT技術可從微觀尺度無損、原位研究HS內部微觀結構,對于探索HS的細節(jié)特征和固體廢物的快速降解機理十分必要。未來可以通過SR-μCT技術,獲得好氧發(fā)酵過程中HS團聚體的立體孔隙結構和分布,包括孔隙的形狀、空間分布和連通性等三維形貌特征,獲得孔隙數量和面積等形態(tài)學信息,將好氧發(fā)酵過程HS結構研究推向新的高度。

5.3 利用軟X射線譜學技術探測腐殖質化學信息

軟X射線譜學顯微光束線具有高分辨能力和高化學態(tài)分辨能力,可以進行元素識別和化學態(tài)分析。相較于其他元素識別技術,軟X射線譜學技術具有更快、更靈敏的優(yōu)勢[88]。因此,軟X射線譜學技術對于探索HS的化學元素組成和官能團信息十分有益:可以得到有機質在腐殖化過程中元素組成和芳香化程度變化等相關信息,推測HS的變化過程;明確HS特征性官能團對應和表征的保肥性、保水性和抗病性等農學效應,為有機廢物好氧發(fā)酵處理的資源化效果增加新的內涵。

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