堆肥過程中氨基酸的產(chǎn)生及其對(duì)腐植酸形成的影響

魏自民，吳俊秋,，趙越，楊天學(xué)，席北斗，時(shí)儉紅，文欣，李東陽

1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　1500302.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100012

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堆肥過程中氨基酸的產(chǎn)生及其對(duì)腐植酸形成的影響

魏自民1，吳俊秋1,2，趙越1，楊天學(xué)2*，席北斗2，時(shí)儉紅1，文欣1，李東陽2

1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱1500302.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012

摘要為探明堆肥過程中氨基酸(AA)濃度與腐植酸(HAs)形成的關(guān)系，分別以雜草(LW)、雞糞(CM)、枯枝(GW)、蔬菜(CW)和秸稈(CS)為研究對(duì)象，研究其堆肥過程中AA及HAs的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及二者的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：堆肥過程中AA濃度整體呈下降趨勢，其中LW、CS中的AA濃度降低量(90.7%和80.9%)明顯高于CM(67.4%)、GW(51.3%)和CW(50.1%)；而在堆肥過程中HAs濃度逐漸升高，其中LW中的HAs濃度增加量最大(66.8%)，其次為CW(38.9%)、CS(43.9%)和CM(33.6%)，而GW最小，僅為3.5%。Pearson相關(guān)性分析表明：堆肥過程中LW、CW和CS中的AA與HAs濃度之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明纖維素類物料的AA對(duì)HAs形成有明顯的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞堆肥；腐植酸；氨基酸；相關(guān)性分析

堆肥作為一種腐殖化技術(shù)，可以將不同來源的有機(jī)固體廢物轉(zhuǎn)化成為穩(wěn)定的化合物。有機(jī)質(zhì)在堆肥過程中經(jīng)過微生物分解轉(zhuǎn)化成最具代表性的副產(chǎn)物——腐植酸(humic acids，HAs)。研究表明，HAs分子結(jié)構(gòu)上連接有多種活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可以有效改善土壤的結(jié)構(gòu)和活性[1]。例如，HAs結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)賦予了HAs較高的離子交換能力，對(duì)于緩解重金屬、農(nóng)藥和多環(huán)芳烴對(duì)環(huán)境造成的危害具有重要作用[2-3]。同時(shí)，HAs作為高含碳量的大分子化合物對(duì)提高土壤養(yǎng)分，平衡土壤含碳量同樣具有重要作用[4]。因此，提高堆肥中的HAs產(chǎn)量對(duì)于環(huán)境修復(fù)具有重要意義。

在對(duì)HAs形成機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，HAs的前體物質(zhì)能夠促進(jìn)HAs合成、提高HAs的產(chǎn)量以及分子量[5]。這些物質(zhì)主要包括一些氨基酸(AA)、大分子的糖類、脂肪、多酚、醌以及多肽等[6]，其中，AA在HAs大分子的聚合階段起重要作用。有機(jī)廢物堆肥研究證實(shí)，多酚作為HAs合成的前體物質(zhì)，通過與氨基化合物或多糖的縮合促進(jìn)HAs的形成[7]。相關(guān)學(xué)者同樣通過外源官能團(tuán)的添加研究了HAs前體物質(zhì)對(duì)HAs形成的影響，結(jié)果表明，向堆肥中添加葡萄糖能夠顯著加快堆肥的穩(wěn)定[4,6]，而AA的添加能夠明顯提高HAs的分子量[8]。根據(jù)以上研究證實(shí)，在HAs的合成途徑中，游離AA可以作為促成HAs聚合的最終官能團(tuán)，促進(jìn)多種小分子聚合物形成大分子HAs，多種有關(guān)HAs形成的理論同樣反映出了AA對(duì)HAs大分子形成的重要作用。

HAs的形成主要包括多酚途徑、木質(zhì)素途徑以及美拉德反應(yīng)途徑(又稱糖-胺縮合途徑)[9]。這些途徑的差別在于合成HAs的前體物質(zhì)不同，構(gòu)成了不同的HAs芳香族核心。由木質(zhì)素分解或微生物合成的多酚、醌基等芳香化合物都是構(gòu)成HAs核心的重要基團(tuán)[10]。由這些基團(tuán)聚合形成的難降解的芳香族核心最終會(huì)與游離AA、多糖等物質(zhì)聚合形成HAs[11]。而在環(huán)境中多酚、醌、還原糖、AA等物質(zhì)是共同存在的，所以自然條件下HAs的形成途徑并不是相互獨(dú)立的，而是多種途徑相互作用完成HAs分子的聚合和轉(zhuǎn)化[12]。根據(jù)HAs的合成途徑可以發(fā)現(xiàn)，HAs在形成過程中都要與AA進(jìn)行縮合從而形成大分子聚合物，因此AA對(duì)合成HAs大分子具有重要意義。同樣，美拉德反應(yīng)途徑為，有機(jī)質(zhì)分解出來的AA的氨基和還原糖的醛基生成了難降解的褐色多聚氮的化合物，強(qiáng)調(diào)了AA在HAs形成過程中的重要性。

然而，目前對(duì)HAs形成途徑的研究多集中于堆肥過程中多酚的變化對(duì)HAs形成的影響[7,13-14]，來源于不同物料中AA的形成規(guī)律及其對(duì)HAs合成的作用研究還很少。筆者以不同有機(jī)廢物為研究對(duì)象，探究不同結(jié)構(gòu)組成的物料在堆肥過程中AA濃度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及AA對(duì)HAs形成的作用。

1材料與方法

1.1堆肥試驗(yàn)

堆肥試驗(yàn)場地依托上海美圣環(huán)保科技有限公司(上海松江固體廢物綜合處理廠)，采用二次發(fā)酵堆肥工藝，對(duì)雞糞(CM)、雜草(LW)、枯枝(GW)、蔬菜(CW)以及秸稈(CS)5種物料于發(fā)酵車間統(tǒng)一進(jìn)行好氧堆肥，周期為50 d。堆體長3 m，寬2 m，高1.5 m，在堆肥過程中每周進(jìn)行1次翻堆，通風(fēng)、透氣。

所有的樣品均采自工廠附近，由于江南地區(qū)濕度大，為避免堆肥厭氧發(fā)酵，堆肥前要對(duì)物料進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)各樣品進(jìn)行基本理化指標(biāo)的測定。所選物料的基本性質(zhì)如表1所示。將所獲得的物料進(jìn)行剪碎處理，顆粒直徑為1.5～3.0 cm，便于物料的腐熟。將采集的含水率高的樣品放在陰涼通風(fēng)處3～5 d，使其含水率低于60%，堆肥前測定各種物料的含水率，并添加適量的蒸餾水使各物料的含水率達(dá)到50%～60%。用秸稈和雞糞作為調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)初始CN為20～25。在不同堆肥時(shí)間測量堆肥溫度。采用四分法收集樣品(總量500 g)，分別于堆肥的第0、8、16、20、24、28、32、38、44、50天取樣，所有樣品凍干，研磨，并貯存于-20 ℃冰箱備用。

表1　蔬菜(CW)、雜草(LW)、雞糞(CM)、枯枝(GW)和

1.2分析方法

HAs的提取與測定[15]：取5 g堆肥干樣，按照1 g∶10 mL的比例加入0.1 molL的焦磷酸鈉和氫氧化鈉混合溶液，在24 ℃下200 rmin振蕩24 h。將獲得的懸濁液在4 ℃下12 000 rmin離心20 min，上清液過0.45 μm濾膜，采用島津TOC-VcpH有機(jī)碳分析儀測定HAs濃度。

游離AA的浸提與測定[16]：將采集的堆肥樣品按照1 g∶10 mL的比例用1 molL KCl浸提，200 rmin振蕩30 h后過濾，濾液中的AA濃度采用茚三酮比色法測定。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0、Origin 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與討論

2.1堆肥過程中AA濃度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

在HAs形成的美拉德反應(yīng)途徑中，分解產(chǎn)物AA和還原糖是構(gòu)成該途徑的重要因素。雖然堆肥的物料結(jié)構(gòu)組成不同，但在分解過程中產(chǎn)物AA普遍存在。說明任何物料在堆肥過程中都會(huì)有美拉德途徑存在，并且影響著HAs分子的性質(zhì)和濃度。

不同物料堆肥過程中游離AA濃度的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。由圖1可見，堆肥初期各物料中的AA濃度各不相同，其中，CM中的AA濃度最高，為1 725.6 μmolg，高于LW(432.1 μmolg)和GW(292.6 μmolg)，而CW和CS中的AA濃度最低，僅為55.7和32.5 μmolg。引起這種差異的主要原因是物料組成的不同。AA作為生命活動(dòng)的基本物質(zhì)，是各有機(jī)物料的重要組成部分。研究表明，CM中含有大量的粗蛋白和豐富的AA[17]；而CS作為禾本科植物是以纖維素為主要結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，AA以及粗蛋白類物質(zhì)含量較低。

在堆肥前期(第0～16天)，LW、GW、CW和CS中的AA濃度均呈上升趨勢，且于第8～16天達(dá)到最大值，僅CM處于下降趨勢。LW、GW、CW和CS中的AA濃度最大值分別為1 109.7、534.8、64.1和48.9 μmolg，其AA濃度較原始物料分別增加了61.0%、45.1%、13.1%和33.5%。即LW的增幅最大，其次是GW，而CW的增幅最小。其原因在于CM中的粗蛋白含量較高；GW和CS作為禾本科植物和木本科植物物料，其木質(zhì)化程度較高；而LW和CW作為草本植物，是以纖維素為主要結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。所以，堆肥過程中草本物料以及木本物料中物質(zhì)的分解對(duì)AA的形成都有一定的促進(jìn)作用。堆肥是物質(zhì)的分解和合成共同存在的過程，但堆肥的初期微生物新陳代謝劇烈，物質(zhì)的分解占主體[18]。微生物將易分解的大分子化合物分解為小分子物質(zhì)，這些小分子一部分作為能源和碳源供微生物的生命活動(dòng)，另一部分作為前體物質(zhì)合成HAs[11]。在CM堆肥中，AA作為微生物的主要碳源以及能源被大量利用，使AA濃度在堆肥初期呈下降趨勢。但LW、GW、CW和CS中微生物以利用多糖為主，為AA的積累提供了條件，所以這些物料在堆肥前期AA濃度呈上升趨勢。

圖1　不同物料堆肥過程中游離氨基酸濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.1　The dynamic of amino acids concentrationof different materials composting

隨著堆肥的進(jìn)行，各物料的AA濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定。在第16～50天隨著物質(zhì)的分解作用逐漸減弱，腐殖化作用逐漸增強(qiáng)，簡單的氨基酸態(tài)氮向復(fù)雜形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化[19-20]，使各物料堆肥中AA濃度逐漸下降。到堆肥結(jié)束(第50天)，LW、CM、GW、CW和CS中的AA濃度分別為103.0、309.3、174.6、31.2和24.4 μmolg，與堆肥初期的最大值相比LW中的AA濃度降低最大(90.7%)，其次是CM(82.1%)，而CS(50.1%)和CW(51.3%)的AA濃度降幅最小，GW(67.4%)居中。表明堆肥過程中以纖維素和蛋白質(zhì)為主要結(jié)構(gòu)的物料中，AA濃度降幅較大。該現(xiàn)象可能是由于纖維素和蛋白質(zhì)容易被微生物分解，產(chǎn)生大量的小分子物質(zhì)可以供微生物利用，進(jìn)而更好地促進(jìn)微生物對(duì)蛋白質(zhì)的分解利用以及AA向HAs的轉(zhuǎn)化。

2.2堆肥過程中腐植酸的形成

HAs在農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及環(huán)境修復(fù)等行業(yè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，研究不同物料堆肥過程中HAs濃度變化規(guī)律對(duì)調(diào)控HAs合成速度，增加HAs濃度具有重要理論及現(xiàn)實(shí)意義。

由圖2可見，不同物料HAs形成規(guī)律在堆肥各時(shí)期有所不同，LW、GW和CW在堆肥前期(第0～16天)HAs濃度呈下降趨勢，隨后逐漸上升并趨于穩(wěn)定。而CS和CM在整個(gè)堆肥過程中的HAs濃度都呈上升趨勢。在堆肥的初始物料中都提取出了HAs物質(zhì)，其中GW的HAs濃度最高(79.3 mgg)，LW最低(43.7 mgg)。說明各物料自身都含有一些與HAs結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)[21]，而以木質(zhì)素為主要成分的物料含有較多的類HAs物質(zhì)。Adani等[4]研究認(rèn)為，堆肥的腐殖化過程是木質(zhì)素衍生物經(jīng)過去羧基、去甲氧基以及烷基氧和烷基碳的再聚合形成的，所以GW原始物料的HAs濃度相對(duì)較高。堆肥過程中HAs的形成是一個(gè)演化的過程，一方面物料中原有的類HAs物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化成成熟的HAs[10]，另一方面部分HAs是由有機(jī)質(zhì)或微生物殘?bào)w在分解過程中形成的低分子量的疏水分子重新整排聚合而成的超分子結(jié)構(gòu)[22]。Amir等[23]對(duì)堆肥中HAs結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，堆肥過程中HAs的形成最重要的部分來源于木質(zhì)素類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)演化。

圖2　不同物料堆肥過程中腐植酸形成的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.2　The formation of HAs during differentmaterials composting

在堆肥前期(第0～16天)，各物料的HAs濃度呈現(xiàn)不同的下降趨勢：LW先升高再降低，CW先降低后升高，而CM和CS則呈現(xiàn)升高的趨勢。CW在堆肥的第8天HAs濃度降到最小值(57.1 mgg)，降幅為2.7%；LW和GW在第16天HAs濃度達(dá)到最小值(33.8和52.8 mgg)，分別下降了23.1%和33.4%。其中HAs濃度降幅最大的是GW，雖然GW中含有大量木質(zhì)素不易被微生物利用，但是木質(zhì)素上連接有許多脂肪鏈，可以被微生物作為能源消耗或合成自身結(jié)構(gòu)[24]。同時(shí)，原始物料中含有的類HAs物質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單松散，容易水解[25]，在堆肥前期微生物大量繁殖，首先利用易降解的有機(jī)碳和簡單的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行新陳代謝以及礦化[26]，堆肥前期甚至中期階段微生物利用類HAs結(jié)構(gòu)物質(zhì)作為能源使HAs濃度降低。屠巧萍等[25]的研究表明，在堆肥前期也有較弱的腐殖化作用存在，但是主要還是以物料的礦化作用為主。

到堆肥后期(第38～50天)所有物料的HAs濃度快速上升并逐漸趨于穩(wěn)定。LW、GW、CW、CS和CM的HAs濃度為121.7，82.1，95.9，85.3和118.4 mgg，HAs濃度升幅最大的是LW(66.8%)，其次為CW(38.9%)、CS(43.9%)以及CM(33.6%)，最低的是GW(3.5%)。說明在堆肥過程中纖維素含量高的物料更容易形成HAs。HAs形成的多酚途徑認(rèn)為纖維素在堆肥過程中降解產(chǎn)生的大量多酚化合物能夠直接與氨基化合物縮合形成HAs[27]，所以在LW、CW和CS纖維素含量高的物料中HAs濃度增加明顯。木質(zhì)素的抗微生物降解性以及GW中蛋白質(zhì)含量較低，致使GW堆肥后期HAs濃度上升較慢。而CM在堆肥中HAs的增長速率較慢且穩(wěn)定時(shí)間較長，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)類雖然為HAs形成提供氨基化合物，但由于缺少構(gòu)成HAs核心的基團(tuán)，致使HAs的形成速率以及穩(wěn)定時(shí)間都較慢。

2.3氨基酸濃度與腐植酸形成之間的相關(guān)性分析

AA作為HAs形成的前體物質(zhì)，其在HAs形成過程中可能發(fā)揮的作用可以通過二者間濃度的相關(guān)性分析得到的。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明(圖3)，AA濃度與HAs濃度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在LW、CW和CS堆肥中二者相關(guān)性顯著(P<0.05)，其中，CW和CS的相關(guān)性概率值達(dá)到P<0.01水平，相關(guān)性極顯著。但在CM和GW堆肥中二者之間的相關(guān)性不顯著。

圖3　不同物料堆肥過程中游離氨基酸與腐植酸濃度的相關(guān)性分析Fig.3　The relationship between free amino acid and humicacids concentration during different organic wastes composting

上述結(jié)果表明，以纖維素為主要結(jié)構(gòu)的物料在堆肥過程中游離AA對(duì)HAs形成的促進(jìn)作用明顯。HAs的形成途徑表明，與HAs形成相關(guān)的多種官能團(tuán)最后都是通過與AA的縮合形成HAs大分子[9]，所以，AA濃度的降低是由于合成了HAs。Mecozzi等[28]的研究指出，HAs的形成過程是糖類化合物與AA以氫鍵相連的主要反應(yīng)。同樣，Zhang等[5]的研究也表明，堆肥物料中的含氮有機(jī)物有助于HAs分子的形成，其通過向物料中添加對(duì)二苯酚研究含氮化合物對(duì)HAs形成的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加的對(duì)二苯酚為HAs的形成提供碳骨架，物料中的氨基取代苯環(huán)上的氫原子形成復(fù)合物分子，這一過程加快了HAs形成的速率，提高了HAs的分子量。堆肥過程中，AA參與HAs的形成是通過美拉德反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。纖維素的降解產(chǎn)物還原糖連同AA是該反應(yīng)的重要前體物質(zhì)[29]。根據(jù)王曉明的研究，CM是以粗蛋白為主要成分的物料，粗纖維和粗脂肪含量較少[17]。堆肥過程中粗蛋白分解產(chǎn)生大量的AA，但由于結(jié)構(gòu)中缺少構(gòu)成HAs的核心碳源，使CM堆肥中AA對(duì)HAs形成的促進(jìn)作用不明顯。而GW堆肥中AA對(duì)HAs形成促進(jìn)作用不明顯可能是由于GW中含有大量的木質(zhì)素類物質(zhì)，難被微生物降解的同時(shí)還缺少AA的來源，形成的HAs分子可能主要是以芳香結(jié)構(gòu)為主。

3結(jié)論

(1)不同物料堆肥過程中AA濃度呈降低趨勢，其中以纖維素和蛋白質(zhì)為主要結(jié)構(gòu)的物料AA濃度的降低程度較大。

(2)堆肥過程中各物料HAs濃度逐漸升高。纖維素含量高的物料HAs生成量最大，木質(zhì)素最低，蛋白質(zhì)居中，說明纖維素的分解促進(jìn)了HAs的生成。

(3)AA濃度與HAs形成之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，AA作為HAs形成的前體物質(zhì)促進(jìn)HAs的合成，且源于纖維素物料中的AA對(duì)HAs形成的促進(jìn)作用明顯。

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Production of Amino Acids and Its Effect on the Formation of Humic Acids during Composting

WEI Zimin1, WU Junqiu1,2, ZHAO Yue1, YANG Tianxue2, XI Beidou2, SHI Jianhong1, WEN Xin1, LI Dongyang2

1.College of Life Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution,Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

AbstractThe dynamic of amino acids (AA) concentration and the influence on the formation of humic acids (HAs) were investigated during composting of cabbage waste (CW), lawn waste (LW), chicken manure (CM), garden waste (GW) and corn straw (CS). The results showed that AA concentration was decreased during composting process. The decrease in LW (90.7%) and CS (80.9%) was more than CM (67.4%), GW(51.3%) and CW(50.1%). During the composting process, the HAs concentration was gradually increased. The increment of HAs concentration in LW (66.8%) was higher than CW (38.9%), CS(43.9%) and CM(33.6%), while GW was only 4.6%. The significantly inverse correlations have been obtained between AA and HAs concentration during LW, CW and CS composting, suggesting that AA derived from the cellulose materials composting can observably promote the formation of HAs.

Key wordscomposting; humic acids; amino acids; correlation analysis

收稿日期：2016-01-21

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178090)

作者簡介：魏自民(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榄h(huán)境生物化學(xué),weizm691120@163.com *通訊作者：楊天學(xué)(1983—)，男，博士后，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物處理,ytx13@126.com

中圖分類號(hào):X705

文章編號(hào):1674-991X(2016)04-0377-07

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.056

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