納米零價(jià)鐵添加對豬糞好氧堆肥碳循環(huán)影響機(jī)制

范鈺琪,任嘉豪

(1.西北大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,西安 710127;2.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110819)

隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,中國每年產(chǎn)生畜禽糞便急劇增加,其中豬糞占比高達(dá)32.28%[1]。當(dāng)畜禽糞便排放量超過其土地承載量,便會造成污染[2]。如何無害化處理這些有機(jī)廢棄物并對其進(jìn)行資源化利用,已成為全世界關(guān)注的問題[3]。好氧堆肥作為一種低廉有效的處理技術(shù),能夠有效地將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、安全衛(wèi)生的肥料產(chǎn)品[4-5]。然而,傳統(tǒng)堆肥受限于微環(huán)境調(diào)節(jié)不足,常會造成堆肥產(chǎn)品腐殖化率較低、發(fā)酵不徹底,甚至?xí)χ参锔蛋l(fā)育和種子發(fā)芽率造成負(fù)面影響[4]。為了解決這些問題,Wang等[6]研究指出,在豬糞堆肥物料中添加鈣基膨潤土,能有效調(diào)節(jié)堆肥微環(huán)境、促進(jìn)堆肥物料腐殖化過程,并能顯著增加小白菜生物量和葉綠素含量。也有研究表明,接種枯草芽孢桿菌能顯著減少廚余垃圾堆肥過程溫室氣體排放,并提高產(chǎn)品的品質(zhì)[7]。為促進(jìn)有機(jī)廢物的高效無害化處理和資源化利用,仍需加強(qiáng)合適添加材料的篩選研究[6]。

納米零價(jià)鐵(NZVI)因其理化特性優(yōu)良和環(huán)境友好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域。NZVI不但能為微生物提供鐵微量元素補(bǔ)充[8],還可有效去除污水中的有害污染物[9],甚至還能促進(jìn)污泥等有機(jī)廢物的水解酸化和發(fā)酵過程[10]。也有研究發(fā)現(xiàn),在好氧堆肥體系內(nèi)添加NZVI,可以促進(jìn)抗生素降解并改善細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[11]。但近年來,關(guān)于堆肥添加NZVI的研究主要集中在重金屬、抗生素方面[11-12],而對于堆肥過程中腐殖化進(jìn)程和氣體排放鮮有報(bào)道。探究添加NZVI對堆肥過程有機(jī)物料碳轉(zhuǎn)化過程的影響,可以了解其對堆肥腐殖化進(jìn)程和氣體排放的影響,并由此來判定NZVI在堆肥體系內(nèi)的適用性。因此,本研究設(shè)計(jì)不同比例的NZVI與豬糞聯(lián)合堆肥,測定堆肥過程中的腐殖化指標(biāo)及微生物群落變化,并分析堆肥過程中碳轉(zhuǎn)化和微生物群落之間的關(guān)系,旨在為評估NZVI添加劑在有機(jī)物料堆肥處理中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

新鮮豬糞采自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作三站養(yǎng)殖場,枸杞枝條采自寧夏回族自治區(qū)某農(nóng)場,其基本理化性質(zhì)如表1所示。NZVI購買于浙江亞美納米科技有限公司(純度99.99%)。

表1 堆肥原料理化性質(zhì)

堆肥共設(shè)置4個(gè)處理,新鮮豬糞和枸杞枝條以干基質(zhì)量5∶1充分混合后裝入100 L的好氧堆肥發(fā)酵罐內(nèi),以不添加任何添加劑作為對照,添加干基質(zhì)量比例分別為2.5%、5%和7.5%的NZVI,進(jìn)行為期50 d的好氧堆肥,試驗(yàn)處理分別記為T1、T2、T3和T4。堆肥前所有處理C/N比均調(diào)節(jié)至30左右,同時(shí)調(diào)節(jié)堆體含水率至60%左右,在嗜熱和腐熟期分別用鼓風(fēng)機(jī)以約400和800 mL/(kg·min)的恒定氣流速率對堆肥裝置通風(fēng)5 min,間隔1 h,整個(gè)堆肥過程中利用去離子水保證堆體含水率始終維持在60%左右。在堆肥14、21和35 d,進(jìn)行人工翻堆,整個(gè)堆肥試驗(yàn)過程沒有滲濾液溢出。

1.2 樣品采集

分別在1、3、7、14、21、28、35、42和50 d采集樣品。每次采集樣品前均記錄物料的質(zhì)量,均勻混合后,采集約500 g樣品并隨機(jī)分成兩部分:一份儲存在-30 ℃冰箱中,另一份風(fēng)干并過篩,用于物料理化性質(zhì)測定。

1.3 指標(biāo)測定及方法

1.3.1 堆肥過程碳養(yǎng)分測定 有機(jī)質(zhì)(OM)含量通過灼燒失重分析,使用馬弗爐在550 ℃下灼燒4 h,測穩(wěn)定物質(zhì)質(zhì)量;總有機(jī)碳(TOC)和水溶性有機(jī)碳(DOC)使用TOC分析儀(島津,日本)測量;CO2和CH4排放量采用靜態(tài)箱法通過真空袋收集,并在前14 d每天測量,此后每2 d測量1次,然后使用氣相色譜儀(7890B,Agilent,USA)檢測CO2和CH4的濃度。胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(Humin)按照國際腐殖質(zhì)協(xié)會提取方法測定,分別用NaP2O7·10H2O溶液在室溫下浸提24 h,樣品浸提劑比為1∶10(W/V)然后以10 000 r/min離心20 min,將上清液與殘留物分離,并通過0.45 μm濾膜過濾,通過使用5.0 mol/L HCl(25 ℃,pH 1.5,24 h)沉淀HA,進(jìn)一步分離提取的HA和FA,而FA保留在溶液中。將上述提取腐殖酸后的沉積物殘?jiān)?粗胡敏素)測定的胡敏素按固液比1∶10加入到體積比為 1∶1的40%HF和2 mol/L HCL中,在80 ℃下震蕩1 h后,離心并棄去上清液。剩余的固體樣品繼續(xù)重復(fù)上述操作3次以上,然后用去離子水洗滌4次以上,干燥后記為胡敏素質(zhì)量。無害化時(shí)間為統(tǒng)計(jì)T1～T4處理高于55 ℃持續(xù)時(shí)間,根據(jù)Yang等[13]提供方法計(jì)算全球變暖效應(yīng)值(GWP)。種子發(fā)芽指數(shù)(GI):取5 mL新鮮浸提液置于底部鋪有9 cm濾紙的培養(yǎng)皿中,放入20顆大白菜種子,置25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,測定根長和發(fā)芽率,根據(jù)公式(1)計(jì)算GI。

GI=(樣品的發(fā)芽率×樣品的平均根長)/(對照的發(fā)芽率×對照的平均根長)×100%

(1)

碳損失(C Loss)通過公式(2)和公式(3)計(jì)算[14]。

CH4:C排放 損失=∑MEi/TOC0×100%(i= 1, 2,3…,n)

(2)

CO2:C排放 損失=∑CEi/TOC0×100%(i= 1, 2,3…,n)

(3)

式中,MEi和CEi分別為堆肥第n天的CH4和CO2排放量,TOC0為原料混合物的初始TOC。

1.3.2 細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)測定 第1天收集初始堆肥混合物(T1)并標(biāo)記為D1T1,以確定堆肥材料的初始微生物群落結(jié)構(gòu)。所有處理(從T1到T4)的第7天(高溫期)和第50天(腐熟期)分別記錄為D7T1、D7T2、D7T3、D7T4和D50T1、D50T2、D50T3、D50T4,使用16S rRNA高通量測序確定細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化,由北京諾禾致源科技股份有限公司測定。利用10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組 DNA 質(zhì)量,利用超微量分光光度計(jì)(NanoDrop 1000,USA)測定提取的 DNA 濃度。以343F(5′-TACGGRAGGCAGCAG-3′)和515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′)為DNA 引物擴(kuò)增代表細(xì)菌的 16S rRNA。擴(kuò)增條件:95 ℃ 預(yù)變性 2 min,接著進(jìn)行25個(gè)循環(huán),包括95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s;循環(huán)結(jié)束后72 ℃最終延伸5 min。對擴(kuò)增產(chǎn)物切膠回收,用QuantiFluorTM熒光計(jì)進(jìn)行定量。將純化的擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行等量混合,連接測序接頭,根據(jù) Illumina 官方說明構(gòu)建測序文庫,Hiseq2500的PE250模式上機(jī)測序。然后對所有樣品的全部序列進(jìn)行聚類,以97 %的 相似度將序列聚類成分類操作單元(operational taxonomic units,OTUs),然后對OTUs的代表序列進(jìn)行物種注釋,在unite庫比對,得到OTUs的分類學(xué)信息。使用物種對應(yīng)的基因豐度總和計(jì)算該物種的豐度,并在門、綱、目、科、屬、種等各個(gè)分類學(xué)水平上統(tǒng)計(jì)物種在各個(gè)樣品中的豐度,從而構(gòu)建相應(yīng)分類學(xué)水平上的豐度譜。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用QIME軟件分析數(shù)據(jù),得到細(xì)菌的Alpha多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))和細(xì)菌豐富度指數(shù)(Chao 1指數(shù))和測序深度指數(shù)(Coverage指數(shù))。試驗(yàn)中的所有理化參數(shù)均測量3次。采用IBM SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)(P<0.05)。使用Origin 2022完成圖表繪制。利用SPSS AMOS 24.0軟件,采用極大似然法建立結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加NZVI對堆肥有機(jī)質(zhì)和可溶性有機(jī)碳的影響

堆肥過程有機(jī)質(zhì)變化如圖1-a所示。整個(gè)堆肥過程中所有處理有機(jī)質(zhì)含量一直保持逐漸下降的趨勢。堆肥初始階段,T2、T3、T4處理有機(jī)質(zhì)降解速率更快,導(dǎo)致更多的CO2排放和更高的溫度(數(shù)據(jù)上未顯示)。堆肥35 d時(shí),T2、T3、T4處理有機(jī)質(zhì)含量顯著下降,之后逐漸穩(wěn)定。堆肥結(jié)束后,T2、T3、T4處理的有機(jī)質(zhì)降解率分別為35.65%、36.81%和40.16%,顯著(P<0.01)高于T1(29.28%)。

圖1 堆肥過程有機(jī)質(zhì)(OM)和可溶性有機(jī)碳(DOC)變化

DOC主要由低分子量有機(jī)酸、糖和酚類等易降解物質(zhì)組成,易被微生物直接分解利用[15]。堆肥過程中DOC變化如圖1-b所示,所有處理呈現(xiàn)相似的變化趨勢。堆肥初始,T1處理DOC含量顯著(P<0.05)高于其他處理;堆肥前21 d,所有處理DOC先降低后逐漸升高,至21 d各處理DOC含量均達(dá)到峰值。堆肥22 d后各處理DOC含量逐漸下降,且在堆肥后期達(dá)到穩(wěn)定。堆肥結(jié)束后,T1和T2處理DOC含量顯著(P<0.05)高于T3和T4處理,這表明添加高比例納米零價(jià)鐵能夠有效促進(jìn)堆肥內(nèi)化合物降解或者利用。

2.2 添加NZVI對堆肥腐殖質(zhì)及其組分的影響

腐殖質(zhì)及其主要組成成分(胡敏酸、富里酸和胡敏素)能夠反映堆肥過程中腐殖化進(jìn)程,同時(shí)體現(xiàn)堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)[16]。堆肥過程中腐殖質(zhì)含量如圖2-a所示。堆肥腐殖質(zhì)主要來源于木質(zhì)素、多糖和含氮成分,堆肥過程中腐殖質(zhì)變化趨勢大致相同,堆肥初始階段,T2處理顯著(P<0.05)高于其他處理,最后7 dT1和T4處理略有上升。堆肥結(jié)束時(shí)各處理腐殖質(zhì)降解率無顯著差別,T1、T2、T3、T4分別為33.81%、41.69%、35.40%和33.63%。

圖2 堆肥腐殖質(zhì)及其組分變化

整個(gè)堆肥過程中,T1處理的胡敏酸含量顯著(P<0.01)高于T2、T3、T4處理(圖2-b)。堆肥過程中,所有處理前7 d胡敏酸含量漲幅較大,堆

肥結(jié)束后,T2、T3、T4處理胡敏酸增加效率顯著(P<0.05)高于T1處理,分別為T3(82.24%)、T4(80.71%)、T2(75.82%)、T1(53.66%)。試驗(yàn)結(jié)果表明,添加NZVI在堆肥初期雖會降低胡敏酸含量,但在堆肥過程中能更快地提升胡敏酸含量,總體來看堆肥內(nèi)添加NZVI不會促進(jìn)胡敏酸的形成。

堆肥過程中,富里酸的變化趨勢與胡敏酸相反,所有處理呈下降趨勢,最后趨于穩(wěn)定(圖2-c)。堆肥初期,所有處理富里酸含量迅速降解。堆肥結(jié)束后,富里酸含量為25.4～39.45 g/kg,T1、T2、T3、T4富里酸降解率分別為51.85%、50.90%、46.69%和41.61%。試驗(yàn)表明,隨著NZVI添加量的增加,堆肥過程中富里酸的降解率逐漸下降,添加NZVI顯然抑制了堆肥過程中富里酸的降解。

胡敏素作為腐殖質(zhì)的組成部分,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不溶于酸堿。如圖2-d所示,試驗(yàn)過程中胡敏素變化趨勢和富里酸大致相同,呈下降趨勢。在堆肥前中期,各處理胡敏素下降速率較快。隨著堆肥的進(jìn)行,由于胡敏素內(nèi)部存在較穩(wěn)定和惰性組分導(dǎo)致胡敏素含量逐漸穩(wěn)定。堆肥結(jié)束后,各處理胡敏素含量無顯著性差別,為154～169.5 g/kg,T1、T2、T3、T4胡敏素降解率分別為 38.13%、47.41%、42.37%和41.96%。試驗(yàn)結(jié)果表明堆肥添加NZVI一定程度上能促進(jìn)胡敏素降解。

2.3 添加NZVI對堆肥CO2和CH4排放的影響

CO2是堆肥過程中排放的主要?dú)怏w,主要由物料內(nèi)氧氣和溫度控制,同時(shí)也反映了堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解和微生物活動(dòng)[17]。由圖3-a試驗(yàn)過程中CO2排放變化可知,添加NZVI的處理CO2排放高峰期出現(xiàn)在堆肥20 d左右,這和上述有機(jī)質(zhì)的變化相一致。隨著堆肥的進(jìn)行,CO2排放逐漸增加,主要集中在堆肥升溫期和高溫期,此階段T1、T2、T3、T4的CO2排放占總排放量的 63.71%、67.53%、65.82%和61.08%。之后隨著物料內(nèi)易降解物質(zhì)的消耗,各處理日排放量逐漸降低,僅有T3和T4處理在45 d左右出現(xiàn)小高峰。整個(gè)堆肥過程中T1、T2、T3、T4處理日排放量最大值分別是150.72、160.20、204.81和274.05 g/d,較T1處理分別增加6.29%、35.89%和81.83%。整個(gè)堆肥過程T1、T2、T3、T4處理CO2累積排放量分別是1 546.66、2 332.72、2 831.97和3 159.91 g,較T1處理分別增加50.82%、83.10%和1.04倍。

圖3 堆肥過程氣體日排放量及累計(jì)排放量

由整個(gè)堆肥過程中各處理CH4日排放量和累積排放圖3-c、3-d可知,整個(gè)堆肥過程中,CH4排放主要集中在前中期。T1、T2、T3處理CH4日排放在堆肥第17天左右快速上升,并達(dá)到峰值,分別為1.19、1.82、1.11 g/d,T4處理CH4日排放峰值出現(xiàn)在23 d,值為1.80 g/d,這和CO2變化相一致,之后隨著堆肥的進(jìn)行,各處理CH4日排放逐漸降低并可以忽略不計(jì)。T2、T3、T4處理CH4累積排放量分別為5.46、5.44和5.99 g,較T1處理(2.39)分別增加1.28倍、1.28倍和1.51倍。

2.4 添加NZVI堆肥的碳循環(huán)和碳平衡

使用環(huán)境指標(biāo)(碳損失、全球升溫潛力)、肥料指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)含量)和種子發(fā)芽指數(shù)(GI)評估所有試驗(yàn)的環(huán)境影響(圖4-a)。T1、T2、T3、T4處理的GWP值分別為1.6、2.3、2.8和3.2 kg CO2當(dāng)量,僅考慮CO2和CH4排放量。堆肥過程中碳的損失主要是CO2和CH4,其中CO2損失占總碳損失率均在99%以上。T1、T2、T3、T4堆肥產(chǎn)品的GI分別為103%、95%、96%和99%。在這種情況下,所有處理都達(dá)到了無害要求(GI>80%),表明該產(chǎn)品用于肥料的安全性。T1、T2、T3、T4的無傷害時(shí)間分別為42 d、40 d、28 d和26 d。如圖4-b所示,使用SEM對有機(jī)質(zhì)去向關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明,有機(jī)質(zhì)主要降解為胡敏素,隨著NZVI添加比例的增加,有機(jī)質(zhì)(T3,λ = 1.77,P<0.05)、HA(T3,λ =-0.23,P<0.05)和FA(T4,λ = 0.07,P<0.01)向DOC的轉(zhuǎn)化明顯增加。有趣的是,HA是由T1、T2、T3中的FA和T3、T4中的胡敏素轉(zhuǎn)化形成的。DOC對HA的形成無明顯影響。

OM.有機(jī)質(zhì);DOC.水溶性有機(jī)碳;HA.胡敏酸;FA.富里酸;GI.種子發(fā)芽指數(shù);GWP.全球變暖效應(yīng)值;* P<0.05,** P< 0.01,*** P<0.001

2.5 添加NZVI土壤堆肥微生物群落結(jié)構(gòu)變化

如圖5-a所示,本研究所有樣本的覆蓋率均超過99%,這說明數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[18]。選擇利用Chao 1指數(shù)和Shannon指數(shù)描述微生物群落的豐富度和多樣性,初始物料的Chao 1指數(shù)(1 269.33)和Shannon指數(shù)(7.24)均較高,說明初始物料內(nèi)營養(yǎng)成分滿足細(xì)菌的生長代謝,微生物數(shù)量和種類滿足堆肥啟動(dòng)要求。高溫期所有處理的Chao 1指數(shù)和Shannon指數(shù)均低于初始值。與高溫期T1處理相比,T2處理Chao 1指數(shù)較大,T3和T4均有所下降,Shannon指數(shù)表現(xiàn)出相同的趨勢。而腐熟期Chao 1指數(shù)和Shannon指數(shù)較T1處理同樣有所降低,但是隨著納米零價(jià)鐵添加比例的升高,Chao 1指數(shù)和Shannon指數(shù)逐漸升高。

圖5 堆肥過程微生物群落結(jié)構(gòu)變化

本試驗(yàn)選擇初始階段、高溫期和腐熟期3個(gè)時(shí)期堆肥樣本進(jìn)行細(xì)菌相對豐度的分析,不同處理不同時(shí)期細(xì)菌門相對豐度如圖5-b所示。堆肥初期優(yōu)勢菌門主要包括厚壁菌門(Firmicutes)(50.77%),放線菌門(Actinobacteria)(15.78%),擬桿菌門(Bacteroidota)(12.89%),變形菌門(Proteobacteria)(7.56%)和廣古菌門(Euryarchaeota)(6.34%)。高溫期樣品中,隨著納米零價(jià)鐵添加比例的升高,厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度逐漸增加,D7T1、D7T2、D7T3、D7T4占比分別為58.46%、77.34%、85.31%和88.17%。同時(shí)較D7T1相比,納米零價(jià)鐵能顯著(P< 0.05)降低放線菌門(Actinobacteria)豐度,同時(shí)廣古菌門(Euryarchaeota)和未定義菌門(Undefined_Bacteria)相對豐度也較初始時(shí)降低,說明添加納米零價(jià)鐵會降低物料內(nèi)微生物種類。當(dāng)堆肥進(jìn)入腐熟階段后,厚壁菌門(Firmicutes)細(xì)菌活性下降,擬桿菌門(Bacteroidota)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actinobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)相對豐度逐漸上升。其中綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度也隨著納米零價(jià)鐵的增加而增加,同時(shí)腐熟期放線菌門(Actinobacteria)相比于高溫期也略有增加,這也符合堆肥內(nèi)添加納米零價(jià)鐵導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解率較高的結(jié)果。

圖5-c為不同堆肥階段微生物群落在屬水平上相對豐度(>3%)的變化。初始物料中,梭菌屬(Clostridium_sensu_stricto_1)、棒狀菌屬(Corynebacterium)、產(chǎn)甲烷菌屬(Methanobrevibacter)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、土胞桿菌屬(Terrisporobacter)、鏈球菌屬(Streptococcus)和八疊球菌屬(Sporosarcina)相對豐度達(dá)到40%以上。高溫期,各處理優(yōu)勢菌屬略有區(qū)別,D7T1優(yōu)勢菌屬分別為棒狀菌屬(Corynebacterium)(23.94%)、芽孢桿菌(Bacillus)(14.92%)和八疊球菌屬(Sporosarcina)(13.62%)。相比于D7T1、D7T2和D7T4的八疊球菌屬(Sporosarcina)顯著(P<0.05)增加,分別為43.80%和 48.55%,D7T3處理優(yōu)勢菌屬為芽孢桿菌(Bacillus),占比為41.27%,其次是八疊球菌屬(Sporosarcina),占比13.62%。堆肥結(jié)束后,D50T2顯著增加瘤胃絲狀桿菌(Ruminofilibacter)相對豐度,達(dá)到55.84%,D50T3和D50T4也略有增加,但都低于對照。D50T3和D50T4較D50T1相比,球形桿菌(Sphaerobacter)和海藤黃色單胞菌(Luteimonas)相對豐度均勻一定程度增加。

3 討 論

試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著NZVI添加比例的增加,豬糞堆肥有機(jī)質(zhì)降解越多,CO2排放量也相應(yīng)增加,但由于有機(jī)質(zhì)快速降解也導(dǎo)致好氧微生物的需氧量不足,從而造成物料內(nèi)產(chǎn)生較多兼性或厭氧區(qū)域,進(jìn)而表現(xiàn)出NZVI會促進(jìn)CH4的排放[19]。此外,也可能是NZVI與物料內(nèi)水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H2,提高了嗜氫型產(chǎn)甲烷菌的活性,從而對產(chǎn)甲烷過程有一定的促進(jìn)作用[20],同時(shí)Fe會降低體系內(nèi)氧化還原電位,從而影響細(xì)胞內(nèi)電子轉(zhuǎn)移狀況而進(jìn)一步影響微生物代謝活動(dòng)[21]。

整個(gè)堆肥過程中,T1處理胡敏酸含量顯著(P<0.01)高于T2、T3和T4處理,與已有研究相反[12],這可能是因?yàn)镹ZVI表面的鐵氧化物與胡敏酸表面羧基官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[12],隨著堆肥的進(jìn)行,T2、T3、T4處理在堆肥前7 d胡敏酸顯著增加,直到堆肥結(jié)束。NZVI能顯著增加胡敏酸含量,這可能是因?yàn)镹ZVI的高還原能力以及形成的絡(luò)合結(jié)構(gòu)能提高胡敏酸的抗氧化能力,降低其礦化速率,這與已有研究一致[22-23]。就富里酸而言,其作為腐殖質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)相對簡單,分子量較小的組分,在堆肥過程中會被優(yōu)先礦化,但NZVI添加會抑制富里酸的降解,這可能是因?yàn)槲皆贜ZVI表面的富里酸具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性,在NZVI體系下,會有一部分胡敏素轉(zhuǎn)化為富里酸,從而影響堆肥過程富里酸的降解[24]。胡敏素作為腐殖質(zhì)內(nèi)最為穩(wěn)定的部分,它主要有惰性組分和表面活性官能團(tuán)組成,堆肥前期較高的降解率可能是因?yàn)楹羲乇砻媾c胡敏酸結(jié)合部分被微生物分解利用,雖然NZVI添加會在一定程度上增加胡敏素的降解或者轉(zhuǎn)化,但是由于胡敏素的難提取性[25],導(dǎo)致NZVI對其具體的作用機(jī)制目前尚未闡明,這也值得進(jìn)一步研究。

從微生物角度來看,將初始階段、高溫期和腐熟期3個(gè)階段樣品進(jìn)行細(xì)菌相對豐度分析,堆肥初期優(yōu)勢菌門主要包括厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidota)。高溫期隨著堆肥溫度的升高,厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度逐漸增加,這說明Firmicutes在高溫條件下競爭優(yōu)勢更大,這是因?yàn)镕irmicutes常出現(xiàn)在厭氧條件下,尤其是體系內(nèi)有較多有機(jī)酸累積時(shí),這也驗(yàn)證了NZVI處理CH4排放較高結(jié)果的原因[26],同時(shí)有研究表明Firmicutes能夠有效利用堆肥前期易降解有機(jī)物,且在惡劣環(huán)境耐受性更強(qiáng)[27]。同時(shí)與D7T1相比,NZVI能顯著降低放線菌門(Actinobacteria)豐度,相關(guān)研究表明Actinobacteria是抗生素的某些載體,因此這也暗示了NZVI添加能夠消減物料內(nèi)抗性基因;堆肥進(jìn)入腐熟階段,綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度也隨著NZVI添加比例的增加而增加。有研究表明綠彎菌門(Chloroflexi)微生物可以降解物料內(nèi)纖維素類物質(zhì),這也從微生物角度證明堆肥內(nèi)添加NZVI可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解[28]。從細(xì)菌屬角度來看,高溫階段添加NZVI處理(D7T2、D7T4)主要菌屬為八疊球菌屬(Sporosarcina),D7T3處理主要優(yōu)勢菌屬為芽孢桿菌(Bacillus),這兩類細(xì)菌均可在高溫條件下釋放芽孢來抵御高溫環(huán)境,結(jié)果表明NZVI作為添加劑可以促進(jìn)嗜熱期芽孢桿菌類細(xì)菌。堆肥進(jìn)入腐熟期,不同NZVI添加量堆肥系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢菌屬變化不一致,其中D50T2處理顯著增加瘤胃絲狀桿菌(Ruminofilibacter)相對豐度,其作為厭氧系統(tǒng)內(nèi)主要細(xì)菌屬,具有半纖維素酶活性[29];D50T3、D50T4較D50T1相比顯著增加球形桿菌(Sphaerobacter)和海藤黃色單胞菌(Luteimonas)相對豐度,其中球形桿菌(Sphaerobacter)已被證實(shí)能夠降解物料內(nèi)碳水化合物和纖維素[30],而海藤黃色單胞菌(Luteimonas)在生物脫毒方面有一定的作用,利于堆肥產(chǎn)品達(dá)到衛(wèi)生要求[31]?？傊?NZVI可以促進(jìn)物料內(nèi)難降解類如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素類物質(zhì)降解,同時(shí)提高堆肥產(chǎn)品的脫毒,可用于有機(jī)物料的快速堆肥化處理。

4 結(jié) 論

添加NZVI會促進(jìn)豬糞堆肥有機(jī)物質(zhì)的降解,T1～T4處理分別為29.28%、35.65%、36.81%和40.16%,但對堆肥過程腐殖物質(zhì)的增加無顯著促進(jìn)作用。與不添加NZVI處理相比,添加NZVI能使CO2和CH4排放增加分別增加 50.82%～1.04倍和1.28倍～1.51倍。添加NZVI會增加有機(jī)質(zhì)分解相關(guān)微生物的活性,提高有機(jī)質(zhì)降解率,降低堆肥產(chǎn)品毒性,有利于有機(jī)物料的快速堆肥化處理。