有機(jī)廢棄物好氧發(fā)酵過程中腐殖質(zhì)的形成機(jī)制及影響因素

王璐瑤張璐璐

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710075；5.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

土壤中的有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)80%以上，腐殖質(zhì)(HSs，Humic Substances)是土壤中有機(jī)質(zhì)的主要成分，對土壤理化性質(zhì)影響顯著。根據(jù)國際腐殖質(zhì)學(xué)會(IHSS，International Humic Substances Society)的定義，HSs是在自然界經(jīng)過一系列物理作用和化學(xué)反應(yīng)后，通過腐殖化作用從死亡的植物和微生物殘體中衍生出來的。HSs已被廣泛用作農(nóng)業(yè)中的土壤修復(fù)劑、去除有機(jī)污染物和重金屬的吸收劑、高儲存能力的潛在電池材料以及彈性混凝土等多個領(lǐng)域。目前，有機(jī)廢棄物的管理已成為全球性的環(huán)境挑戰(zhàn)，特別是在發(fā)展中國家。畜禽糞便、污泥、餐廚垃圾及綠色廢棄物均是重要的有機(jī)廢棄物。中國畜禽糞便年產(chǎn)量約38億t，隨著集約化農(nóng)牧業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)計到2030年，全球畜禽糞便年產(chǎn)量將達(dá)到2.3億t氮當(dāng)量[1，2]。然而，如果糞便處理不當(dāng)，會釋放病原菌、重金屬以及N、P等富營養(yǎng)元素到土壤、空氣和地下水中，從而威脅人類健康和環(huán)境安全。

好氧發(fā)酵是依靠專性和兼性好氧細(xì)菌作用在高溫條件下對有機(jī)廢棄物中的有機(jī)物進(jìn)行處理和利用，在好氧發(fā)酵過程中，原始有機(jī)物料可以被微生物轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的物質(zhì)，這些物質(zhì)主要是腐殖質(zhì)(HSs)。同時，易降解的化合物可被礦化為CO2、NH3和H2O。HSs是好氧堆肥的重要產(chǎn)物，也是評價好氧堆肥過程最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，是由胡敏酸(HAs，Humic Acids)、富里酸(FAs，F(xiàn)ulvic Acids)和胡敏素(HUs，Humins)組成的非均相復(fù)雜混合物。HAs易溶于堿性溶液，不溶于酸性溶液，F(xiàn)As在任何pH下均可溶，而HUs在任何pH下均不溶。HSs的形成受多種理化參數(shù)的影響，包括原料種類、添加劑、微生物活性、溫度、pH、碳氮比、含水率、氧含量、粒徑等。因此，好氧發(fā)酵的首要目標(biāo)是將有機(jī)質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為HSs，研究腐殖質(zhì)的形成機(jī)制，探明不同功能需求相對應(yīng)的腐殖質(zhì)功能群，有助于預(yù)測有機(jī)肥在農(nóng)田中的施用效果。本文綜述了近年來腐殖質(zhì)的研究進(jìn)展，包括腐殖質(zhì)的形成機(jī)制、制備影響因素及功能，以期為有機(jī)廢物處理技術(shù)及現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 腐殖質(zhì)的形成機(jī)制

在好氧堆肥過程中，HSs前體物主要在升溫階段和高溫階段形成，而HSs主要在降溫階段和成熟階段聚合。HSs前體的形成可分為分解和合成。大多有機(jī)物被微生物降解，利用多酚、羧基和氨基酸等低分子量化合物通過生化合成生成HS前體。前驅(qū)體隨后形成HSs?，F(xiàn)有關(guān)于腐殖質(zhì)形成機(jī)制的研究有很多，主要可分為以下5種[3]。

1.1 木質(zhì)素理論

Waksman于1936年提出，木質(zhì)素的外形及結(jié)構(gòu)在土壤中發(fā)生一定的變化后形成HSs。腐殖化過程的第一階段是形成分子量較大的HAs(10000～100000Da)或HUs，再通過微生物作用分解為FAs(600～1500Da)，最終生成CO2及H2O。由于不同植物組分存在差異，木質(zhì)素在最初的礦化作用中也可能分解成分子量較低的腐殖質(zhì)，特別是FAs。根據(jù)Kulikowska的研究[4]，木質(zhì)素的部分降解可以形成能作為HSs前體的酚基和醌基。

1.2 多酚理論

Kononova在1966年指出，植物源類有機(jī)物可通過微生物的分解作用形成酚類和氨基酸類小分子物質(zhì)，然后通過化學(xué)氧化和聚合作用形成超分子HAs。已有研究表明，預(yù)測HAs的單體單元是描述其結(jié)構(gòu)特征的一種好方法。

1.3 糖-氨縮合理論

該理論指出微生物代謝所產(chǎn)生的還原糖和氨基酸物質(zhì)是合成腐殖質(zhì)的前體，這2個物質(zhì)通過非酶聚合作用合成棕色的含氮聚合物。

1.4 細(xì)胞自溶理論

該理論指出，游離基對動植物和微生物細(xì)胞死亡后自溶產(chǎn)物進(jìn)行隨機(jī)縮合或聚合，進(jìn)而形成HSs。

1.5 微生物合成理論

微生物在細(xì)胞體內(nèi)通過對有機(jī)物進(jìn)行分解并形成各種相對大分子質(zhì)量的HSs，并在生物體死亡或細(xì)胞解體的時候，將HSs釋放到環(huán)境體系中。

2 影響腐殖質(zhì)形成的因素

2.1 原材料

常見的好氧發(fā)酵原料有畜禽糞便、污泥、餐廚垃圾、綠色廢棄物等。畜禽糞便和污泥具有含水率高、低碳氮比、孔隙率低等特點(diǎn)。綠色廢棄物具有較低的含水率以及較高的碳氮比、孔隙率和結(jié)晶度。餐廚垃圾具有高鹽、高脂肪、高碳水化合物和高水分的特點(diǎn)。由于原料的元素組成和性質(zhì)不同，HAs具有不同的特性。Vasilevich等[5]揭示了植物殘體組成的差異調(diào)控著HSs的結(jié)構(gòu)和功能特性。此外，以植物為原料的有機(jī)肥中HSs高于以糞便為原料的有機(jī)肥。餐廚垃圾含水率高，綠化垃圾含氮量低，導(dǎo)致降解效率低，延長堆肥時間，影響腐殖化進(jìn)程。

2.2 碳氮比和含水率

碳氮比是影響好氧發(fā)酵過程和最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。高初始C/N比有利于有機(jī)物的氧化，促進(jìn)堆肥熟化進(jìn)程，而低初始C/N比有利于部分氧化有機(jī)物的積累，導(dǎo)致最終熟化不完全和氮損失。因此，適量添加劑可用于調(diào)節(jié)初始C/N比促進(jìn)HSs的形成。一般來說，最佳初始C/N比為25～30。Wu等[2]研究表明，初始C/N比為25有利于形成優(yōu)質(zhì)低毒堆肥。除了控制初始C/N比外，在加熱階段，可在堆肥中添加氨基酸和還原糖來刺激細(xì)菌活性。在高溫期和降溫期，可向堆肥中添加NH4+-N和NO3--N來補(bǔ)充耗竭的氮源，從而促進(jìn)堆肥的進(jìn)行。

2.3 堆體含氧量和原料粒徑

基質(zhì)含氧量是影響好氧堆肥的重要因素之一，HSs的形成需要持續(xù)的供氧，可通過曝氣和轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，這些方法也可以影響溫度和蒸發(fā)。Manu等[6]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過翻堆和曝氣處理的堆體產(chǎn)生了比未經(jīng)翻堆和曝氣處理的堆體更高的HAs含量和HAs/FAs比值。Cayuela等[7]也發(fā)現(xiàn)，機(jī)械翻堆的產(chǎn)物中HAs/FAs比值高于強(qiáng)制通風(fēng)堆肥，且機(jī)械轉(zhuǎn)動可增強(qiáng)木質(zhì)素的降解和腐殖化。此外，氧氣含量也會影響微生物活性和堆肥品質(zhì)，氧氣含量過高會導(dǎo)致原料有機(jī)物過度分解，降低HSs含量。相反，氧氣不足會導(dǎo)致堆體內(nèi)部厭氧發(fā)酵，從而阻礙HSs的形成。原料粒度也可以顯著影響透氣性，進(jìn)而影響氧含量。若原料粒度較大，其比表面積相對較低，不能為微生物生長提供足夠的表面積，且顆粒內(nèi)部可能包覆一層難以穿透的腐殖化的層，導(dǎo)致分解不充分。但若原料粒度過小則會形成致密的團(tuán)塊，降低孔隙率。

2.4 堆肥添加劑

大多數(shù)原料因其性質(zhì)不適宜而無法單獨(dú)堆肥成功。堆肥添加劑可以提高微生物活性，加速堆肥進(jìn)程，調(diào)節(jié)堆肥性質(zhì)，促進(jìn)腐殖化。堆肥添加劑種類繁多，可分為膨松劑、調(diào)節(jié)劑和微生物菌劑。當(dāng)原料粒徑較小，或含水率較高時，添加膨松劑可以增加樁體的孔隙率。應(yīng)用最廣泛的膨松劑有秸稈、木屑、生物炭和廢紙。Jindo等[8]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加改善了堆肥的最終質(zhì)量，尤其是對FAs。當(dāng)添加紙盒作為膨松劑時，其所含木質(zhì)纖維素可增強(qiáng)堆肥的持水性，有利于HSs的形成。

2.5 堆肥過程中的溫度

堆體溫度由環(huán)境溫度、初始溫度和微生物的分解速率決定。堆肥過程按溫度可分為4個階段：升溫階段，嗜熱階段，冷卻階段，成熟階段。溫度可以與優(yōu)勢微生物群落相互作用，影響有機(jī)物的降解速率。在嗜熱階段，微生物降解多糖、蛋白質(zhì)和脂肪效率提升，溫度也隨之升高。而且，越早出現(xiàn)嗜熱階段，有機(jī)質(zhì)越早被降解和穩(wěn)定。嗜熱階段對木質(zhì)素降解至關(guān)重要；在高溫條件下，木質(zhì)素的降解導(dǎo)致酚基和醌基的形成，其可以作為腐殖化的前體。

2.6 堆肥pH值

在堆肥過程中有機(jī)酸的降解和氨氣的釋放可導(dǎo)致堆肥pH值的升高，而堆肥pH的降低則是由于有機(jī)酸和CO2的釋放以及微生物活動引起的NH3揮發(fā)，初始基質(zhì)pH值為6～8最適合堆肥。Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，初始pH為5～6的處理有助于蒸谷類垃圾堆肥的腐熟。堆肥pH值對HSs的粒徑分布起著關(guān)鍵作用，當(dāng)pH值在3.0～7.5范圍內(nèi)時，會導(dǎo)致超分子HSs的不穩(wěn)定和小分子的富集。根據(jù)Liu等[10]研究發(fā)現(xiàn)，HAs在被乙酸酸化時轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉膭傂灶w粒。但HAs易溶于堿性溶液，不溶于酸性溶液，因此，若pH值進(jìn)一步降低至2.0以下時，HAs將聚合形成大分子沉淀物。此外，由于HAs含有豐富的羧基、酚基和烯醇基等酸性官能團(tuán)，可以根據(jù)環(huán)境pH而電離和質(zhì)子化，因此其在較寬的pH范圍內(nèi)具有較大的緩沖能力。

2.7 微生物和酶

一般的酶系統(tǒng)參與主要高分子聚合物的轉(zhuǎn)化，通常參與殘余物質(zhì)的生物降解。阿瓦斯蒂等指出，好氧發(fā)酵過程中HAs含量的增加和FAs含量的減少可歸因于活躍的微生物酶活性，增強(qiáng)了有機(jī)物的分解。Lopez Gonzalez等[11]利用酶學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，約1/3的微生物分離物同時具有淀粉水解和半纖維素水解活性；在與木質(zhì)纖維素降解相關(guān)的活性方面，真菌而不是纖維素分解菌普遍存在。

3 腐植質(zhì)的功能

好氧發(fā)酵的最終產(chǎn)物可作為有機(jī)肥和土壤改良劑。其中，HSs發(fā)揮著重要的作用，HSs含有不同的官能團(tuán)，包括酚類、羧酸類、醌類、烯醇類和醚類。這些官能團(tuán)的存在與其各種農(nóng)藝效應(yīng)有關(guān)，對于土壤而言，HSs可以用來形成團(tuán)聚體，增加土壤孔隙度，增強(qiáng)養(yǎng)分保存和持水能力；對于農(nóng)作物來說，HSs既可以作為營養(yǎng)物質(zhì)又可以作為儲水庫。此外，HSs作為天然農(nóng)藥是有用的，因為其可以抑制各種土傳植物病原體，并最大限度地減少化學(xué)產(chǎn)品的毒性。此外，HSs可以改變土壤的物理、化學(xué)和生物條件，從而提高土壤肥力。HSs由于具有酸性官能團(tuán)，可與金屬陽離子(Ca2+、Mg2+及Al3+是植物體內(nèi)重要的營養(yǎng)元素)螯合，進(jìn)而影響營養(yǎng)元素的溶解度。這些官能團(tuán)也可快速與黏土顆粒表面的多價陽離子發(fā)生反應(yīng)，形成腐殖質(zhì)-金屬-黏土復(fù)合物。牛糞堆肥具有較高的N、P含量以及Ca2+、Mg2+等交換性陽離子。Wong等[12]研究表明，向土壤中添加糞肥可以增加土壤中大量營養(yǎng)元素(N、P、Mg、Na、Ca、K)和微量營養(yǎng)元素(Cu、Zn和Mn)的含量，也可以增加改良土壤中植物組織營養(yǎng)元素(N、P、K)的含量。HSs還含有大量的營養(yǎng)元素，如N和S，可作為旱地作物的營養(yǎng)支持。液態(tài)腐殖質(zhì)產(chǎn)品的推薦施用量較低，其有機(jī)質(zhì)含量不足以增加土壤碳儲量，但腐殖產(chǎn)物可能通過增加根系生長來改善土壤健康。

4 結(jié)語

有機(jī)廢棄物通過好氧發(fā)酵處理并進(jìn)行資源化利用是一種具有廣闊應(yīng)用前景且經(jīng)濟(jì)的方式，也是一種進(jìn)行功能化合物HSs制備的環(huán)境友好方法。HSs作為好氧發(fā)酵中最重要的功能性物質(zhì)，被認(rèn)為是化肥的替代品，不僅可以改善土壤的物理和生物學(xué)性質(zhì)，還可以降低化肥過量使用帶來的環(huán)境富營養(yǎng)化風(fēng)險。但是現(xiàn)有以堆肥為代表的好氧發(fā)酵由于處理效率低、產(chǎn)品質(zhì)量可控性差等問題限制了它的推廣應(yīng)用。為了改善堆肥腐殖化過程和提高腐殖質(zhì)品質(zhì)，必須進(jìn)一步探索好氧堆肥過程中腐殖質(zhì)的形成機(jī)制，包括更具前景的添加劑的種類和組合的選擇，關(guān)于HSs結(jié)構(gòu)模型的預(yù)測以及好氧發(fā)酵設(shè)備的成本控制等。