生活垃圾微生物接種堆肥水溶性有機物紫外光譜特性研究

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生活垃圾微生物接種堆肥水溶性有機物紫外光譜特性研究

魏自民，李晨辰，趙越，李洋，趙昕宇，魏雨泉，趙韜智，張旭

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：為研究接種高效微生物菌群對堆肥過程的作用，采用紫外-可見光譜技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法，利用生活垃圾，通過好氧堆肥試驗，對堆肥過程中水溶性有機物紫外特征參數(shù)SUVA254、SUVA280、E2/E4、E2/E6、E4/E6、E300/E400、E250/E365、E235/E203、E253/E220、A226-400、S275-295、S350-400進行研究。結(jié)果表明，除E300/E400、S350-400外，其他指標(biāo)的相關(guān)性顯著，多個指標(biāo)聯(lián)合從堆肥樣品DOM的芳構(gòu)化程度、聚合度及分子質(zhì)量、腐殖化程度以及苯環(huán)上的脂肪鏈的官能團多個方面有效說明堆肥腐熟情況。接種菌劑的堆體與不接菌劑的對照相比，DOM腐殖化程度、分子縮合度等明顯增高。由于微生物菌劑的代謝作用，DOM的組成復(fù)雜化趨勢相對明顯，接種高效微生物菌群，能明顯促進堆肥中物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化，縮短堆肥腐熟期，提高堆肥效率。

關(guān)鍵詞：高效微生物菌群；生活垃圾；DOM；紫外掃描光譜

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-1-27 16:01:06

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150127.1601.013.html

魏自民,李晨辰,趙越,等.生活垃圾微生物接種堆肥水溶性有機物紫外光譜特性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015, 46(2): 83-88. Wei Zimin, Li Chenchen, Zhao Yue, et al. Research on characteristics of UV-Vis absorbance of DOM in municipal solider waste with inoculation agent[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(2): 83-88. (in Chinese with English abstract)

城市生活垃圾處理問題已引起廣泛關(guān)注。生活垃圾處理方法包括填埋、焚燒、堆肥等[1]。垃圾通過堆肥形成可生物降解物質(zhì)，加快水溶性有機物（DOM）生物轉(zhuǎn)化，形成穩(wěn)定、無臭、無毒害且含有豐富腐殖酸類物質(zhì)，施于土壤能提高肥力，促進農(nóng)作物生長[2-3]。堆肥是經(jīng)濟實用、安全的手段，可廣泛應(yīng)用。評價堆肥腐熟度指標(biāo)很多，包括簡單的經(jīng)驗觀察（氣味、顏色等），生物、化學(xué)[4-5]和物理方法（包括pH、溫度、電導(dǎo)率、陽離子交換量等）[6-8]。研究表明，現(xiàn)代光譜技術(shù)（包括紅外光譜法、紫外光譜法、核磁共振法、熒光光譜法等）[9-10]是非破壞性的腐殖化表征手段，能從物質(zhì)的芳構(gòu)化程度、分子聚合度、分子質(zhì)量、以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化等不同角度評估DOM的腐殖化程度，靈敏度高、選擇性強。紫外-可見光譜具有儀器易于普及，操作簡單、分析快捷方便等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)堆肥法一般都是采用增加營養(yǎng)和改善環(huán)境條件的方法，利用堆肥原料中的土著微生物降解有機污染物，但由于堆肥初期土著微生物量少，需要一定時間才能繁殖起來，各種微生物分解速率差別很大，因此傳統(tǒng)的堆肥方法存在發(fā)酵時間長、產(chǎn)生臭味且肥效低等問題。接種高效微生物菌群進行堆肥，提高堆肥中高效微生物的總數(shù)，對提高堆肥效率、加速堆肥反應(yīng)過程具有重要意義?；诖?，本研究采用人堆肥初期工條件下接種復(fù)合微生物菌劑，通過對堆肥過程中DOM紫外-可見光譜特性進行分析，為生活垃圾堆肥的過程控制、提高堆肥質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

菌種：高效微生物菌群（自制），主要包括纖維素分解菌、木質(zhì)素分解菌、解磷菌等。堆料中高效微生物菌群的接種量為0.5%。

生活垃圾：取自上海松江區(qū)固廢處理廠。

1.2堆肥試驗及樣品采集

堆肥試驗場地依托上海松江固廢綜合處理廠，采用好氧堆肥工藝，將生活垃圾分別堆置為長3 m，寬2 m，高1.5 m條形堆，進行為期45 d的堆肥試驗，試驗設(shè)計兩個處理，不接種菌劑的對照組（CK）與接種高效微生物菌群的生活垃圾（HMSW）。采樣時間為1、7、16、29、35和45 d，按四分法進行采樣，樣品總重為1 kg，風(fēng)干粉碎后備用。

1.3樣品DOM的提取及測定

取干樣10 g，按固液比為（10/1，W/V）加入去離子水，在室溫條件下于150 r·min-1，震蕩提取24 h，4℃，10 000 r·min-1下離心20 min，上清液過0.45 μm濾膜，濾液即為DOM。用TOC儀（Multin/C2100TOC/TN）測定DOM濃度（以水溶性有機碳DOC記），將所有樣品的DOC濃度調(diào)節(jié)統(tǒng)一（DOC=20 mg·L-1）。

1.4 DOM光譜掃描

將不同時期堆肥DOM樣品進行紫外可見吸收光譜掃描，采用尤尼科4802 UV/Vis紫外分光光度計測定，掃描波長范圍為200~700 nm，掃描波長間隔2 nm。測定254及280 nm的特征紫外吸光度，并與DOC濃度作比值計算，結(jié)果記為SUVA254、SUVA280；將280、472和664 nm下吸光度記為E2、E4和E6，計算E4/E6、E2/E4及E2/E6比值[11]；250與365 nm吸光度值比值記為E250/E365，將300與400 nm吸光度比值記為E300/E400；對226~400 nm范圍內(nèi)的紫外吸光度進行面積積分，記為A226-400；計算275~295 nm及350~400 nm波長范圍

內(nèi)的曲線斜率記為S275-295、S350-400。

1.5統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0、Origin 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1紫外光譜分析

紫外吸收光譜隨有機化合物分子復(fù)雜度不同而異，如圖1所示（A為CK，B為HMSW），堆肥過程中DOM紫外吸收強度，均隨波長增加而逐漸降低，而隨堆肥時間延長，紫外吸收強度逐漸增加。兩種處理DOM紫外吸收均在280 nm處有一肩峰，研究表明280 nm附近的紫外吸收與物質(zhì)中的腐殖質(zhì)有關(guān)[12]。因此，隨著堆肥的進行，DOM物質(zhì)的芳香性、不飽和度以及腐殖化程度不斷增強。堆肥后期HMSW的吸收強度較CK有較大幅度增加，表明接種微生物后有利于堆肥中DOM物質(zhì)轉(zhuǎn)化，堆肥后期微生物新陳代謝加快，降解速率顯著增加，DOM芳香化及腐殖化進程明顯加快。至堆肥結(jié)束HMSW吸收強度達到3.16，CK僅為

1.69。

2.2光譜參數(shù)分析

2.2.1 SUVA254、SUVA280

SUVA254及SUVA280可用于表征有機質(zhì)的芳構(gòu)化程度，其值越大，芳構(gòu)化程度越高[13]。如圖2所示，隨著堆肥的進行，SUVA254、SUVA280值均呈增加趨勢，表明堆肥過程中DOM的芳構(gòu)化程度不斷增加。堆肥初期CK與HMSW的SUVA254均為0.2左右，至堆肥結(jié)束HMSW該值為1.10是CK的2倍。堆肥前期CK與HMSW差異較小，堆肥至16 d差異明顯增加，這是由于微生物在堆肥前、內(nèi)部活動較弱，隨著堆肥溫度上升，微生物適應(yīng)堆肥壞境，從而快速分解，提高分解速率，加速物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

圖1　堆肥不同時期紫外吸收光譜（A）CK；（B）HMSW Fig. 1　Change of UV-Vis absorbance of DOM during composting (A) CK; (B) HMSW

圖2　堆肥過程中紫外特征參數(shù)變化Fig. 2　Change of UV-Vis characteristic parameters of DOM during composting (SUVA254, SUVA280, E4/E6, E2/E4, E2/E6, E250/E365)

2.2.2 E4/E6

在有機質(zhì)的紫外光譜研究中除特定波段或波長吸收值的研究外，另一個常用參數(shù)是兩個特定波長吸光度的比值，E4/E6常用于有機質(zhì)腐殖化程度的表征[14]。由圖2可知，值在堆肥過程中呈遞減趨勢，表明堆肥后物質(zhì)縮合程度變大。堆肥起始CK 與HMSW E4/E6接近，分別為1.32、1.39，但堆肥后期HMSW下降顯著，堆肥結(jié)束僅為0.65，下降率達到53%，是CK的2倍。

2.2.3 E2/E4、E2/E6、E250/E365

E2/E4表示在腐殖化過程木質(zhì)素的相對含量[15]；E2/E6反應(yīng)非腐殖化物質(zhì)與腐殖化物質(zhì)之間的比值，E250/E365也常用于堆肥腐殖化的表征。如圖2所示，E2/E4、E2/E6呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。與CK相比，HMSW的E2/E4、E2/E6值的變化幅度較大，CK與HMSW的E250/E365值基本相似。各指標(biāo)顯示，兩種處理均在16 d后差異逐漸增大，由于堆肥初期脂類、蛋白質(zhì)等簡單物質(zhì)被快速降解，到堆肥后期溫度升高，纖維素分解菌、木質(zhì)素分解菌代謝頻繁，纖維素、木質(zhì)素下降明顯[16]。

2.2.4 E253/E203、E253/E220

Korshin等認(rèn)為[17]，E253/E203、E253/E220可反映芳香環(huán)的取代程度及取代基種類。當(dāng)芳環(huán)上的取代基脂肪鏈含量增多時，該值會變小，而當(dāng)芳香環(huán)上的取代基中羰基、羧基、羥基、酯類含量增多時，該值會增大。如圖3所示，E253/E203、E253/E220呈上升趨勢，表明堆肥過程中苯環(huán)上的脂肪鏈不斷被微生物氧化分解，降解成羧基、羰基等官能團。兩種處理E253/E220差異相對顯著，堆肥結(jié)束HMSW值為0.69而CK為0.62。接種微生物后堆肥的腐殖化程度明顯高于對照組，堆肥后期微生物氧化分解速率加劇。

2.2.5 E300/E400

E300/E400值下降顯示腐殖化程度和有機質(zhì)的分子質(zhì)量和聚合度均有所增加[18]。如圖4所示，E300/E400值HMSW與CK之間差異不顯著。整體呈遞增趨勢，這與以往研究中E300/E400呈遞減趨勢，各組分腐殖化程度及分子質(zhì)量均有所提高的結(jié)論不一致，因此E300/E400不適宜作為堆肥評價指標(biāo)。

2.2.6 A226-400

為從整體上研究堆肥DOM的苯環(huán)類化合物的變化，本研究對226~400 nm范圍內(nèi)的吸光度進行積分（A226-400）。如圖4，隨著堆肥的進行，A226-400不斷增大，表明堆肥有機質(zhì)中苯環(huán)類化合物不斷增多。堆肥結(jié)束后，對照組和處理組分別為87.4和170.5，相差較大。因此接種微生物后，微生物繁殖迅速，降解速率較大，同時也加快有機物質(zhì)的分解進程。

2.2.7 S275-295及S350-400

本研究選取遠紫外波長275~295 nm、350~400

nm范圍內(nèi)的吸收曲線的斜率S275-295、S350-400表征堆肥階段不同DOM組分中芳香碳含量的變化，據(jù)研究報道[19]，S275-295、S350-400與DOM的芳香性呈負(fù)相關(guān)。如圖4所示，堆肥過程中S275-295、S350-400呈下降趨勢，表明隨堆肥進行，DOM芳香碳含量及分子質(zhì)量均不斷增加。HMSW與CK S275-295值在堆肥16 d后差異逐漸增大（CK為-0.002，HMSW為-0.031），至堆肥結(jié)束S275-295基本相似。

圖3　堆肥過程中E253/E203、E253/E220的變化Fig. 3　Change of E253/E203, E253/E220of DOM during composting

圖4　堆肥過程中E300/E400、A226-400、S275-295、S350-400的變化Fig. 4　 Change of E300/E400, A226-400, S275-295, S350-400of DOM during composting

2.3相關(guān)性分析

結(jié)合以上結(jié)果，將堆肥過程DOM紫外光譜的特征參數(shù)進行相關(guān)性分析，除E300/E400、S350-400與其他參數(shù)相關(guān)性不顯著外，其他各特征參數(shù)之間均呈極顯著相關(guān)。不同特征參數(shù)分別從DOM的芳香性、分子質(zhì)量大小、分子縮合度及腐殖化程度反映堆肥的腐熟程度。在本研究條件下，各指標(biāo)的相關(guān)性顯著，多個指標(biāo)聯(lián)合可快速有效說明堆肥腐熟情況。

2.4發(fā)芽指數(shù)（GI）驗證

種子發(fā)芽指數(shù)是一種常用的評價堆肥腐熟度的指標(biāo)，可靠性較好，可以直接反應(yīng)堆肥的腐熟狀況，大量研究表明[20]，當(dāng)GI達到50%時可認(rèn)為基本腐熟，當(dāng)達到80%~85%，可認(rèn)為對植物沒有毒性達到完全腐熟。在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)性顯著的紫外光譜特征參數(shù)和GI分析比較兩種處理堆肥，結(jié)果如圖5，HMSW堆肥在16 d已達到基本腐熟（55.23%），29 d時完全腐熟，堆肥結(jié)束后HMSW堆肥GI為92.32%，CK堆肥在45 d時達到腐熟標(biāo)準(zhǔn)（81.31%）。因此接種高效微生物菌群，能明顯促進堆肥中物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化，縮短堆肥腐熟期，提高堆肥效率。

表1　堆肥過程中各紫外特征參數(shù)之間相關(guān)性分析Table 1　Relationship between the maturity indices during different composts

圖5　堆肥過程中GI的變化Fig. 5　Change of GI during composting

3　結(jié)論

a.研究結(jié)果表明，堆肥DOM紫外參數(shù)

SUVA254、SUVA280、E4/E6、E2/E6、E4/E6、E250/E365、E253/E203、E253/E220、A226-400、S275-295之間相關(guān)性顯著，證實紫外光譜指標(biāo)可從不同角度評價堆肥DOM腐殖化程度。

b.通過比對HMSW堆肥和CK堆肥，由于微生物菌劑的代謝作用，DOM的組成復(fù)雜化趨勢相對明顯，接種高效微生物菌群，能明顯促進堆肥中物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化，縮短堆肥腐熟期，提高堆肥效率。

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Research on characteristics of UV-Vis absorbance of DOM in munici-

pal solider waste with inoculation agent

/WEI Zimin, LI Chenchen, ZHAO Yue, LIYang, ZHAO Xinyu, WEI Yuquan, ZHAO Taozhi, ZHANG Xu(School of Life Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:The effects of high effective complex microbial community（HECMC）in a composting process of municipal solider waste compost were examined. In this study changes in the properties of dissolved organic matter (DOM) were studies during composting of municipal solider waste using UV-Vis absorbance. Typical parameters were measured during 45 days of composting including: SUVA254, SUVA280, E2/E4, E2/E6, E4/E6, E300/E400, E250/E365, E235/E203, E253/E220, A226-400, S275-295, S350-400. There were many indexes can evaluate the maturity of compost, but it was short comprehensive to use single evaluation index, the results showed that every index was correlated with each other. During composting progress the aromatization, humification, degree and molecular weight of the humus substances increased, while the fatty chains linked with the benzene ring structure were cleavage into carbonyl, carboxyl and other functional groups. This HECMC were effective to compose organic matter and speed up composting change into humus. Therefore, adding HECMC greatly influence the rate of organic degradation and was useful to improve composting conditions.

Key words:high effective complex microbial community; municipal solider waste compost; DOM; UV-vis absorption spectra

作者簡介：魏自民（1969-），男，教授，博士，研究方向為環(huán)境微生物學(xué)。E-mail: weizm691120@163. com

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51178090）；黑龍江省自然科學(xué)基金（C200917）

收稿日期：2014-04-02

文章編號：1005-9369（2015）02-0083-06

文獻標(biāo)志碼：A

中圖分類號：X799