鼠李糖脂對(duì)堆肥介質(zhì)中水分下滲和保持性能的影響

馬小玲，鐘 華，晏 銘，曾光明，亓永先，劉智峰

鼠李糖脂對(duì)堆肥介質(zhì)中水分下滲和保持性能的影響

馬小玲，鐘 華，晏 銘，曾光明，亓永先，劉智峰

（湖南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

為了探討生物表面活性劑鼠李糖脂對(duì)堆肥介質(zhì)中水分下滲和保持性能的影響，通過(guò)下滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M堆肥，測(cè)定了添加表面活性劑后的堆肥樣品的含水率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鼠李糖脂保持水分能力優(yōu)于SDS和Triton X-100，且添加鼠李糖脂濃度越高，介質(zhì)水分保持性能越好。不同濃度的鼠李糖脂對(duì)水在介質(zhì)中下滲過(guò)程的影響各異，400 RE mg/L的鼠李糖脂促進(jìn)了水的下滲，且效果優(yōu)于兩種化學(xué)表面活性劑，而濃度高于800 RE mg/L的鼠李糖脂阻礙了水的下滲。不同深度段的顆粒介質(zhì)中水分含量和鼠李糖脂含量變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，濃度為400 RE mg/L鼠李糖脂可以提高介質(zhì)中水的承載能力，這可能是由于鼠李糖脂能夠顯著降低溶液的表面張力，有效增強(qiáng)溶液在顆粒介質(zhì)表面的鋪展和向微孔中的擴(kuò)散所致，而高濃度的鼠李糖脂形成的聚集體堵塞了擴(kuò)散孔道，反而阻礙了介質(zhì)中水的下滲和減弱了介質(zhì)對(duì)水的承載能力。

鼠李糖脂；堆肥；水分保持；下滲

城市生活垃圾好氧堆肥是依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，在一定的人工條件下，有控制地促進(jìn)垃圾中可被生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過(guò)程[1]。與綠化廢棄物一樣，生活垃圾堆肥產(chǎn)物經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理后也可用作花卉栽培基質(zhì)[2]。土壤中的生物量會(huì)隨著土層深度的增加而減少[3]，因此，一般采用表層土壤來(lái)給生活垃圾好氧堆肥提供微生物。堆肥介質(zhì)中的所有生物化學(xué)反應(yīng)都需要水的參與，提供一定的含水率是堆肥中有機(jī)質(zhì)降解的必要條件。此外，微生物高效降解有機(jī)質(zhì)還需要一定的含氧量，即保持一定的堆肥介質(zhì)孔隙來(lái)與外界空氣流通。好氧堆肥介質(zhì)是一個(gè)固、水、氣三相混合體，而微生物對(duì)有機(jī)物的降解是在堆肥介質(zhì)間隙中的固體顆粒表面的一層液態(tài)膜中進(jìn)行的[4]，有機(jī)質(zhì)降解所需的碳源和氧氣都需要通過(guò)傳質(zhì)作用到達(dá)微生物。但是水的表面張力值較高，容易填充和停留在堆肥物料的空隙中，因而在好氧堆肥水分調(diào)節(jié)過(guò)程中，直接在堆料上添加水容易使之富集于表面或局部，部分則通過(guò)表面流、溝流等作用快速到達(dá)底部，并不能使它在顆粒介質(zhì)中均勻分散，嚴(yán)重時(shí)可造成堆體部分厭氧而部分缺水。因此，反應(yīng)體系內(nèi)垃圾顆粒間隙微環(huán)境的物化條件對(duì)堆肥效率有重要影響。

表面活性劑是一類同時(shí)含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的兩性分子，具有表面和界面活性。當(dāng)它們被引入堆肥介質(zhì)中時(shí)，可能通過(guò)在固液界面吸附和降低水相的表面張力的作用導(dǎo)致堆肥物料的潤(rùn)濕而優(yōu)化水相的分布。生物表面活性劑是由微生物或植物產(chǎn)生的天然的表面活性劑，相對(duì)于化學(xué)表面活性劑它具有穩(wěn)定性、高效性、低毒性以及易降解性等特點(diǎn)[5-8]。其中，鼠李糖脂（rhamnolipid）是一類主要由假單胞菌屬產(chǎn)生的生物表面活性劑，其合成機(jī)理、分子結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)等均得到了深入研究[9-13]，是生物表面活性劑的典型代表，具有優(yōu)良的表面和界面活性[14-17]?；谝陨鲜聦?shí)，研究了生物表面活性劑鼠李糖脂對(duì)模擬堆肥的有機(jī)質(zhì)顆粒的水分下滲及保濕性能的影響，并與十二烷基硫酸鈉（SDS）和曲拉通（Triton X-100）兩種化學(xué)表面活性劑進(jìn)行了對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 有機(jī)質(zhì)顆粒材料

有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)的制備方法同文獻(xiàn)[18]，得到煤灰為核心、表面附著有機(jī)質(zhì)的顆粒狀基質(zhì), 粒徑0.10～0.13 mm，堆密度0.999 g/mL，真密度2.356 g/mL，空隙率57.6%，有機(jī)質(zhì)含量為14.6%，浸出液pH 6.43。

1.1.2 試劑

鼠李糖脂由中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心提供的Pseudomonas aeruginosa CCTCC AB93066 產(chǎn)生 ,制取和提純采用酸沉降法[19]。標(biāo)準(zhǔn)鼠李糖和SDS購(gòu)于美國(guó)Sigma公司（純度＞99%）；Triton X-100購(gòu)于英國(guó)BDH公司（純度＞99%）。其余試劑為分析純。

1.1.3 儀器

UV-2550型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（日本島津）；FA2004N型精密電子天平（上海壘固儀器有限公司）；DHG-9070型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海市三發(fā)科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)苯酚硫酸法[20]繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線得到鼠李糖脂與標(biāo)準(zhǔn)鼠李糖的濃度當(dāng)量(RE)關(guān)系為2.5∶1。準(zhǔn) 確 吸 取 0、100 REmg/L、800 REmg/L、2000 REmg/L的鼠李糖脂溶液、800 mg/L的Triton X-100溶液和2 330 mg/L的SDS溶液各12 mL，分別于干燥坩堝內(nèi)與18 g干燥的有機(jī)質(zhì)顆粒混合，邊添加邊用玻璃棒快速攪拌，保證表面活性劑溶液與有機(jī)質(zhì)顆?；旌暇鶆颉⒃撛嚇臃湃?0℃鼓風(fēng)干燥箱使其水分蒸發(fā)，每隔2小時(shí)取樣一次，置于準(zhǔn)確稱重的取樣坩堝內(nèi)，稱得樣品與取樣坩堝總重，兩者差值得到取樣質(zhì)量。再在將該取樣坩堝于105℃下烘干10 h至恒重，稱得烘干后的樣品與坩堝總重，烘干前后取樣坩堝和樣品總重的差值與取樣質(zhì)量之比為樣品的含水率W。

1.2.2 下滲實(shí)驗(yàn)

下滲實(shí)驗(yàn)所用柱子為Φ9×20 mm的刻度玻璃管，樣品填充長(zhǎng)度10 cm，底部用四層紗布綁好以防止填充物下漏。將同等質(zhì)量的有機(jī)質(zhì)顆粒裝入玻璃管的有效容積中并垛緊，直至樣品高度均為10 cm，空隙體積約1.6 mL。采用移液管吸取0、50 REmg/L、100 REmg/L、400 REmg/L、800 REmg/L、2000 REmg/L的鼠李糖脂溶液、800 mg/L的Triton X-100溶液和2330 mg/L的SDS溶液各2.0 mL，同時(shí)分別添加到8根玻璃管柱子中，從各表面活性劑溶液流入有機(jī)質(zhì)開(kāi)始記時(shí)，記下不同時(shí)間下各表面活性劑溶液液面的深度值。

當(dāng)表面活性劑溶液上液面到達(dá)玻璃管柱子中的有機(jī)質(zhì)顆粒時(shí)終止下滲實(shí)驗(yàn)。然后除去玻璃管柱子底部的紗布層，將玻璃管的填充部分切成等長(zhǎng)的四段，每段2.5 cm，分別測(cè)定各段樣品中的含水率和鼠李糖脂含量。含水率的測(cè)定采用蒸發(fā)法，見(jiàn)1.2.1。

對(duì)于鼠李糖脂，其含量測(cè)定方法如下：在離心管中加入0.50 g樣品和2 mL的0.05 M NaHCO3溶液，劇烈震蕩1 min，10 000 r·min-1離心15 min，吸出上清液，反復(fù)此過(guò)程3次，將收集到的上清液于40 mL離心管中合并后用2 mol的鹽酸調(diào)pH=2，再加入6mL的乙酸乙酯劇烈振蕩5 min，靜置30 min。取2 mL萃取相于玻璃試管中，60℃將溶劑蒸發(fā)干凈，加0.05 mol NaHCO3溶液2 mL，靜置30 min后搖勻，用苯酚硫酸法測(cè)定其中的鼠李糖脂的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面活性劑作用下有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)水分的保持

由圖1可知，每個(gè)試樣中含水率都隨時(shí)間呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而且加入了表面活性劑的試樣含水率要高于未加入表面活性劑的試樣含水率，蒸發(fā)6 h后含水率最大提高了約12%。表面活性劑的種類和濃度對(duì)土壤顆粒介質(zhì)中的水分保持能力有一定的影響。生物表面活性劑(鼠李糖脂)比化學(xué)表面活性劑(SDS和Triton X-100)在顆粒介質(zhì)中的水分保持能力更強(qiáng)。鼠李糖脂溶液濃度在100 RE mg/L時(shí)對(duì)水分的保持能力就優(yōu)于以上兩種化學(xué)表面活性劑。且鼠李糖脂濃度越大，相同時(shí)間介質(zhì)含水率也較大，這說(shuō)明加入的鼠李糖脂溶液濃度與介質(zhì)的水分保持能力是正相關(guān)的。然而相對(duì)于添加的鼠李糖脂濃度的增幅而言，這種水分保持能力的增幅有限，表明低濃度鼠李糖脂對(duì)于有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)中水分的保持即是有效的。

圖1 蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中試樣含水率隨蒸發(fā)時(shí)間的變化Fig. 1 Changes of sample moisture content in evaporation experiment as function of time

2.2 表面活性劑溶液在有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)層中的下滲

由圖2可知，各溶液滲透速率（曲線斜率）隨時(shí)間的增加而減小。這是由于表面活性劑液面越深，其溶液需要滲透的介質(zhì)層也就越長(zhǎng)，因而需要克服的介質(zhì)層阻力也就越大。此實(shí)驗(yàn)中，濃度為400 RE mg/L的鼠李糖脂溶液在300 min之內(nèi)就滲透到柱子底部，下滲速率最快。0、50、100 RE mg/L的鼠李糖脂溶液和800 mg/L的Triton X-100溶液的下滲速率相當(dāng)。當(dāng)鼠李糖脂濃度增加至800 RE mg/L時(shí)，其溶液的下透速率開(kāi)始變慢，2000 RE mg/L時(shí)的鼠李糖脂溶液下透速率最小，600 min之內(nèi)還不能穿透柱子。柱子中溶液下滲的驅(qū)動(dòng)力主要有兩種，一是因溶液本身重力產(chǎn)生的向下的壓力，二是孔隙管道中基于表面張力的毛細(xì)作用。下滲開(kāi)始時(shí)壓力大于表面張力，毛細(xì)作用對(duì)擴(kuò)散的影響小，因而各溶液下滲的速率相差不大。隨著下滲過(guò)程的進(jìn)行，下滲阻力增大，毛細(xì)作用逐漸成為下滲的主要驅(qū)動(dòng)力。在表面活性劑的作用下，由于表面張力的降低，水相更容易在顆粒介質(zhì)表面鋪展而加速擴(kuò)散。鼠李糖脂具有極強(qiáng)的表面/界面活性，其臨界膠束濃度約為40 mg/L[20-22]，該濃度下水溶液的表面張力可降至30 mN/m左右[10,20]，這種作用對(duì)于400 RE mg/L的鼠李糖脂表現(xiàn)得最為明顯。然而，表面活性劑分子在介質(zhì)孔隙中的吸附和聚集也可能將增加液相下滲的阻力，從而使下滲減慢，鼠李糖脂濃度超過(guò)800 RE mg/L時(shí)下滲速率反而降低可能就是由于這個(gè)原因造成的。

圖2 表面活性劑溶液下滲深度隨時(shí)間變化曲線Fig. 2 Effects of time on permeation depth of surfactant solutions

圖3 為下滲實(shí)驗(yàn)中不同深度段的試樣含水率的變化曲線。由圖可知，各柱子中介質(zhì)的含水率隨深度基本呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，皆為先下降后上升。隨著下滲深度的增加，傳輸?shù)氖罄钐侵坎粩鄿p小，溶液的表面鋪展和微孔擴(kuò)散能力減弱，導(dǎo)致含水率先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。最后一段的介質(zhì)含水率反而上升，這是由于柱子底部介質(zhì)和空氣交界面之間存在著毛細(xì)阻力阻礙了水分溢出。添加不同濃度的表面活性劑對(duì)于柱子介質(zhì)中的含水率也有顯著區(qū)別。當(dāng)鼠李糖脂濃度從0增加到400 RE mg/L時(shí)，介質(zhì)前兩段中的含水率不斷上升，且鼠李糖脂濃度為400 RE mg/L時(shí)介質(zhì)中含水率最高，表明一定濃度的鼠李糖脂能使土壤顆粒介質(zhì)對(duì)水的承載力加強(qiáng)。而當(dāng)加入的鼠李糖脂濃度較高（800和2000 RE mg/L）時(shí)，柱子中不同深度段含水率隨鼠李糖脂濃度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中以添加了2000 RE mg/L鼠李糖脂溶液的介質(zhì)含水率最低。這說(shuō)明高濃度的表面活性劑分子可能更容易在介質(zhì)顆粒表面發(fā)生吸附和聚集從而阻礙了水分子向介質(zhì)微孔中進(jìn)行擴(kuò)散。

圖3 柱子不同深度段含水率的變化曲線Fig. 3 Changes of moisture content within different depth in the pillar

如圖4所示，柱子中各段的鼠李糖脂含量隨深度段的增加基本呈降低趨勢(shì)，且對(duì)于高濃度鼠李糖脂的添加這種趨勢(shì)更為明顯。這是由于土壤顆粒介質(zhì)對(duì)鼠李糖脂的吸附，使介質(zhì)中的鼠李糖脂濃度從淺到深不斷降低。最后一段柱子中鼠李糖脂含量反而上升，這可能是由于介質(zhì)與空氣界面間的表面張力對(duì)鼠李糖脂的滯留作用使得該段鼠李糖脂含量有所上升。鼠李糖脂在不同深度段的分布與溶液的下滲速率及不同深度段介質(zhì)含水率的分布情況吻合。

圖4 柱子中不同深度段鼠李糖脂含量變化曲線Fig. 4 Changes of rhamnolipid content within different depth in the pillar

鼠李糖脂優(yōu)化堆肥有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)中水的分布的作用模式有如下推測(cè)。當(dāng)鼠李糖脂被引入有機(jī)質(zhì)顆粒的間隙，其分子的疏水端將與有機(jī)質(zhì)結(jié)合并固定在垃圾顆粒表面，其親水端與顆?？紫秲?nèi)的水結(jié)合，從而降低間隙液相的表面張力，使空隙通道中的呈塊狀的水沿著有機(jī)質(zhì)顆粒表面舒展開(kāi)來(lái)，并將原本沒(méi)有水的固體顆粒表面覆蓋同時(shí)連接成液膜。這種液膜十分穩(wěn)定，可以為微生物降解有機(jī)質(zhì)提供表面環(huán)境[23]。當(dāng)堵塞空隙通道的塊狀水體消失時(shí)，各個(gè)空隙就會(huì)互通并與大氣相連，介質(zhì)中的各相態(tài)的分布得到優(yōu)化，空隙中氧氣的傳質(zhì)也會(huì)由之前的完全擴(kuò)散傳質(zhì)變?yōu)椴糠謹(jǐn)U散傳質(zhì)部分對(duì)流傳質(zhì)，從而加強(qiáng)氧氣的傳質(zhì)效率(圖5)，大大提高微生物降解有機(jī)質(zhì)顆粒的反應(yīng)速率。

3 結(jié) 論

表面活性劑對(duì)有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)的水分有較好的保持性能，有利于長(zhǎng)時(shí)間保持堆肥微生物的活性。生物表面活性劑鼠李糖脂的作用優(yōu)于化學(xué)表面活性劑SDS和Triton X-100，在低濃度下即可有效地減緩水分的蒸發(fā)，并且溶液濃度越高，這種水分保持性能越好。

在合適的濃度范圍內(nèi)，鼠李糖脂降低了介質(zhì)水的表面張力，增強(qiáng)了溶液在有機(jī)質(zhì)顆粒介質(zhì)表面的鋪展和潤(rùn)濕，導(dǎo)致了水分下滲速度的加快，并提高了介質(zhì)中水分的承載能力。通過(guò)這種作用，鼠李糖脂有可能促進(jìn)堆肥顆粒中水相向微孔的擴(kuò)散，使水分更容易滲透到介質(zhì)深層，從而優(yōu)化水分在介質(zhì)中的分布，這對(duì)于將之應(yīng)用于有機(jī)質(zhì)堆肥過(guò)程有一定的借鑒意義。

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Effect of rhamnolipid on water permeation and reservation in compost matrix

MA Xiao-ling, ZHONG Hua, YAN Ming, ZENG Guang-ming, QI Yong-xian, LIU Zhi-feng
(Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China)

In order to explore the effect of biosurfactant rhamnolipid on water reservation and permeation in compost matrix, the permeation experiment was used for the simulation of compost and the moisture content of compost samples after surfactant addition was determined. The results show that rhamnolipid was superior to SDS and Triton X-100 in water bearing, and the higher the rhamolipid concentration added, the better the effect. The effect of rhamnolipid on water permeation in the matrix changed with the biosurfactant concentration. 400 RE mg/L rhamnolipid enhanced water permeation and the effect was better than that of the two synthetic surfactants.However, when the rhamnolipid concentration was higher than 800 RE mg/L it slowed down the water downflow. The water content was relevant to rhamnolipid content in the compost matrix of different depth sections. 400 RE mg/L rhamnolipid enhanced water bearing capacity in the matrix, which probably resulted from the ability of rhamnolipid to decrease water surface tension and to enhance water spreading on the granule surface and diffusion in micropores. However, rhamnolipid of high concentrations was readily to form large aggregates which blocked the micropores and weakened water permeation and bearing capability in the matrix.

rhamnolipid; compost; water bearing capability; permeation

S718；X172

A

1673-923X(2012)08-0112-05

2012-01-24

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“環(huán)境生物技術(shù)與控制”（2005CB724203）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（50908081）；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT07190）

馬小玲(1986—)，女，湖南常德人，碩士研究生，主要從事表面活性劑在堆肥中的應(yīng)用研究；E-mail:marymaxiaoling@126.com

曾光明(1962—)，男，湖南華容人，教授，主要從事固體廢物資源化，E-mail: zgming@hnu.edu.cn

[本文編校：吳 彬]