鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究_卜贵军
鸡粪堆肥对重金属污染土壤茼蒿品质、土壤Cu、Cd形态和酶活性影响的开题报告
![鸡粪堆肥对重金属污染土壤茼蒿品质、土壤Cu、Cd形态和酶活性影响的开题报告](https://img.taocdn.com/s3/m/38744c4bf68a6529647d27284b73f242336c319e.png)
鸡粪堆肥对重金属污染土壤茼蒿品质、土壤Cu、Cd 形态和酶活性影响的开题报告
一、研究背景
重金属污染是当前土壤环境面临的重要问题之一,土壤中的铜(Cu)和镉(Cd)等重金属对作物生长和人体健康造成严重威胁。
而鸡粪堆肥
是一种广泛应用于土壤改良的肥料,因其具有改良土壤结构、提高土壤
肥力等特点受到越来越多的关注。
因此,研究鸡粪堆肥对重金属污染土
壤的影响,对保护农田环境和提高农作物品质具有重要意义。
二、研究目的
本研究旨在探究鸡粪堆肥对重金属污染土壤茼蒿品质、土壤Cu、Cd 形态和酶活性的影响,以期为利用鸡粪堆肥改良重金属污染土壤提供科
学依据。
三、研究内容及方法
1.实验设计
选取重金属污染土壤为材料,将土壤分为以下四组:对照组(CK)、单施堆肥组(OF)、单施鸡粪组(CF)和鸡粪+堆肥组(COF),分别施加不同肥料,其中除CK组外其他组均施加等量有机肥料。
2.数据采集
茼蒿生长后,采集植株,分析茼蒿的生长量、叶绿素含量、叶片形
态等指标。
同时,采集土壤样品,对其Cu、Cd等重金属形态和土壤酶活性进行分析,包括土壤酶、脲酶、蔗糖酶和脲酶等。
3.数据分析
使用SPSS 22.0统计软件对数据进行分析,进行方差分析和协方差
分析,比较各组之间各指标的差异。
四、研究意义
本研究可以为重金属污染土壤的治理提供参考依据,验证鸡粪堆肥改良重金属污染土壤的效果,同时也可以为农业生产提供科学的施肥策略和优化茼蒿品质提供理论依据。
畜禽粪便中的主要养分和重金属含量分析
![畜禽粪便中的主要养分和重金属含量分析](https://img.taocdn.com/s3/m/58a3441333687e21ae45a944.png)
畜禽粪便中的主要养分和重金属含量分析作者:李林海来源:《南方农业·中旬》2018年第08期摘要为了进一步推进畜禽粪便资源化利用,推动现代化农业产业和循环经济发展。
选取猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪为主要研究对象,对其中的有机质、铵态氮、总磷、总氮和重金属元素进行了测定。
结果显示:鸡粪中的有机质含量明显低于牛粪、猪粪和羊粪,而鸡粪中的铵态氮、全磷和全氮有明显高于牛粪、猪粪和羊粪。
猪粪中的重金属铜和锌含量严重超标,超标率分别为69.0%和58.6%。
鸡粪中镉、铬和镍金属含量超标率高于牛粪、猪粪和羊粪。
在这四种畜禽粪便无害化、资源化和生态化的综合利用时,要充分考虑每种粪便中的养分和重金属含量,做到既合理又有效地综合利用。
关键词畜禽粪便;养分;重金属;综合利用中图分类号:TQ440.7 文献标志码:B DOI:10.19415/ki.1673-890x.2018.23.0671 绪论1.1 研究背景我国畜禽养殖模式由每家每户养殖转移向集约化、规模化的养殖,集约化程度已发展到相当高的水平,大的养猪场已突破50万头,养鸡场也达到100万羽[1]。
然而,随着养殖生产规模的扩大,排放畜禽粪尿量也越来越多,带来环境污染问题也越来越突出。
大量的畜禽粪便不但不能被充分利用,还随意排放到大自然界中,从而对我们生存环境形成了巨大的压力,使得水体、土壤以及大气等环境受到了严重污染,因此,对畜禽粪便减量化、无害化和资源化利用,防止和消除畜禽粪便污染,对于保护生态环境,推动现代化农业产业和循环经济发展具有十分的积极意义[2]。
1.2 研究目的及意义结合畜禽粪便资源化利用的实际发展过程中遇到的相关问题,并广泛阅读和查阅相关国家有关畜禽粪便资源化利用的资料文献,对几种常见的畜禽粪便进行养分和重金属含量的测定分析,为进一步完善了畜禽粪便资源化利用发展提供一定的理论基础。
有利于指导畜禽粪便资源化利用发展和生态农业发展等方面的实践工作。
《生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文
![《生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文](https://img.taocdn.com/s3/m/59f489620812a21614791711cc7931b765ce7bbc.png)
《生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》篇一一、引言随着工业化的快速发展,重金属污染和土壤盐渍化问题日益突出,成为影响农业可持续发展的重要因素。
重金属污染和盐渍化土壤的治理与修复,不仅需要采取物理和化学的方法,还需通过生物手段进行改善。
近年来,生物有机肥因其良好的改良效果,逐渐成为农业修复的热门研究领域。
本篇论文将深入探讨生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制。
二、生物有机肥的特性与作用生物有机肥是以有机物质为主体,加入微生物菌剂等成分,经过特定工艺制成的肥料。
其作用主要表现在提供养分、改善土壤结构、增强土壤生物活性等方面。
此外,生物有机肥在植物修复过程中还能通过调节土壤微生态,增强植物对重金属的耐受性,从而促进重金属的吸收与转化。
三、微生物在植物修复中的作用在重金属污染和盐渍化土壤的植物修复过程中,微生物起着至关重要的作用。
一方面,微生物能够通过吸附、沉淀、氧化还原等作用降低土壤中重金属的活性;另一方面,微生物还能通过分泌有机酸等物质,改善土壤的理化性质,促进植物的生长。
此外,微生物还能与植物形成共生关系,共同抵抗重金属的毒害。
四、生物有机肥提高植物修复效率的微生物机制生物有机肥通过引入有益微生物,提高了土壤的生物活性。
这些微生物能够分解有机物质,释放出多种营养物质供植物吸收利用。
同时,这些微生物还能与植物形成共生关系,通过根际分泌物等途径增强植物的抗逆性。
此外,生物有机肥中的微生物还能通过改变土壤pH值、增加土壤酶活性等途径,降低重金属的生物有效性,从而减少其对植物的毒害。
具体来说,生物有机肥中的微生物能够通过以下途径提高植物对重金属的耐受性和吸收效率:1. 吸附与沉淀:部分微生物具有吸附重金属的能力,能够通过细胞表面吸附或产生沉淀物的方式降低重金属的活性。
2. 氧化还原反应:某些微生物能够通过氧化还原反应改变重金属的价态,使其从有毒形态转化为低毒或无毒形态。
畜禽粪便对土壤重金属的影响研究
![畜禽粪便对土壤重金属的影响研究](https://img.taocdn.com/s3/m/302472c1aa00b52acfc7caf7.png)
吉林 农 业大 学资 源与 环境 学 院 向 磊 吴景贵
[ 摘 要] 随着工农业的迅速发展 , 重金属 污染 日益加深 , 人们在社会 生活与 自然环境方面都遭受 了危 害。本 文分别从 畜禽粪便 对植 物吸收重金属 的影响 、 畜禽粪便 对土壤重金属含量及有效性 的影响 、 畜禽粪便对土壤 重金属淋溶 的影响 等方面进行 了阐述。在 此基 础 上, 对有关研究需进一步关注的 问题进行 了展望。 [ 关键词 ] 畜禽粪便 土壤 重金 属 影响 随着 工农 业的迅速发展 , 金属污染 日益加深 , 重 人们在社会生 活与 自然环境方 面都遭受 了危 害 。近年 来 , 有关 重金属在土壤 与作物 中的 迁移、 富集及 对重金属 污染土壤 的治理和植物修 复等诸 多问题均引起 了全球关 注 , 土壤重金属污染 已然成为了社会面临 的棘手 问题 。 1畜禽粪便重金属来 源 . 研究 表明在施用有机肥 时 , 使用的畜禽粪便 c 、n含量常常超标 , uz 那是 因为 在畜禽 的饲料添 加剂 中含有 的重金属 Asz 、 u 、 、 o 、 n c 、 Mn C 等不仅 可 以预 防疾病 , 而且 还可 以提 高饲料转化率 、 增加畜禽 体重 、 增 加 禽类 的产蛋 。在 畜禽生 长过程 中使用添加 c u的化合 物如 C S uO、 C (l)的生长促进 剂 , uOd 将含 c u化合物添加 到奶 牛的泡脚水 中治疗跛 脚病 , 这些都 会增加粪便 中的 c u含量 。因此饲料 中重金 属的浓度直 接决定 了粪便 中的浓 度。所 以, 在施 用有机肥 时, 常常会造成土壤 c z n的积 累 , 为作物带来潜在的危害 。此外 , 畜禽粪便 中重金属还可 以来 源于治疗动物疾病所使用 的兽 药及 畜舍垫 床料等方面。 2畜禽粪便对植物吸收重金属 的影 响 . 由于 畜禽粪便 中含有 丰富的 N K, P 当施 入土壤后 能改善土 壤的养 分状况 , 从而可 以增加作物 的生物量 。研究表 明 , 随着猪粪施 入量 的 增加 , 黑麦 草的生物量随之增加 , 这可能是 由于土壤对 畜禽粪便 中 c 、 u z n的释放具 有一定 的缓 冲能力 , 而能减轻重 金属对蔬 菜的毒性 , 从 所 以施用 同一种畜禽粪便 , c 、n的含量不 同时 , 但 uz 短时期 内对蔬菜生物 量 的 影 响 没 有 显 著差 异 。 然而 ,u、n c z 等重 金属虽然是植物必 需的微量元素 , 是长期施用 但 高重金 属含量 的畜禽粪便 , 土壤 中重 金属浓度则会 因为超过农 作物对 重金属 的需 求量 , 而造 成作物 本身重 金属 的积累 , 甚至遭 受重金 属毒 害 。Py e an 等研究 表明 , 连续 8 年施用富 c u的猪粪 可明显提 高玉米叶 的 c 含量 ( u ;商冉 ,0 8 研究 表明 , 20 ) 由于猪粪 中的 c 、n u z 进人 土壤后 仍 以有效 态形式存 在且浓度 较高 , 使得 黑麦草 的生 长受到抑制 。姚丽 贤等研究 表明 , 禽粪便重金 属含量对 植物重金属 含量也 因为植 物种 畜 类不同而异 , 进行菜 心 、 白菜 、 小 油麦菜 、 茼蒿 、 菜和通菜盆栽试验 , 苋 施 入含 A 的鸡 、 s 猪粪 只提高通菜 的As 含量 , 并且 还降低了其他蔬菜 的 A s 含量 , 猪粪较鸡粪更显著提 高通菜 的 含量 。 3畜禽粪便对土壤重金属含量及有效性 的影响 . 31 .对土壤重金属含量 的影 响 畜禽粪便 含有 丰富的有机 质以及氮 、 等作物 生长所需要 的营养 磷 物质 , 并且一直被 当作有机肥广泛应用于农业生 产上 , 是人们忽略 了 但 其 中的重 金属对 土壤 带来 的负面影 响, 畜禽粪便排放 或施用到 土壤 中 必然会导致土壤重金 属含量的增加 。大量 的畜禽粪便施 用将加剧土壤 中重金属的积 累, 给人畜 、 作物带来潜在危害 。 ( 刘赫 等 ,0 9 研究发 现 , 于做长期定 位试验 的0 2 c 20 ) 用 — 0m棕壤测 定重金属积 累 , 发现随着年限的增长 , 长期施 用重 金属含量高的畜禽粪 便, 将造成重 金属等有害物质在 土壤中累计 , 且尤 以c z u、n的含量上升 显著。C r tn 2 0 ) hie ( 0 1 研究发现 , s 土壤 中水提取态 的As 与家禽粪肥的施 用量具有 直接 相关性 , 明家禽粪便 已成为进 入土壤 中的 A 的主要来 说 s 源 。在郝 秀珍 的研究 中 , 出如每年 以小麦 一 指 水稻轮 作方式种植 , 长期 使用高 z 猪粪 ( n 以施用量最 低 lg盆计 )根据 土壤 p o/ , H的不 同, 土壤 则 中z n含量在 1— 8 间可 能超过 国家土 壤环境质量标 准的二级标 准 , 22年 且p H值愈低 , 情况愈 严重 。在多年施用 畜禽粪便 的土壤 中积 累了大 量 c 、 n As u z 、 等重 金 属 元素 , 尤其 在 接 近表 层 土壤 的地 方 。 李银 生 ( 0 6 调查发现 , 长期使用洛克沙砷作 为饲料 添加 剂的养猪场周 围, 20 ) 在 出现 了 A 的污染 , 论是养 猪场污水 随地表径 流流过 的区域 , s 无 或是施 用粪 肥 的土壤 , 都检 出 了 比正 常土壤 中要 高的 As 量 。由此可 以分 含 析, 如今畜禽粪便对土壤重金属 的污染 十分严重 。 32对土壤重金属有效性的影响 . 由于重金属元素 的环境 行为和生态效应不全取决 于重 金属 在土壤 中的总量 , 而主要取决 于植 物能实际吸收 的重金属有效态含量 , 有资料 表明 , 长期 施用含高 C u的畜禽粪便 , 导致土壤 中 E T D A可提取态 C u的 浓 度增 加 了 3 4 0 - 倍 。 有 机 肥 重 金 属 含 量 也 影 响 施 用 有 机 肥 后 的土 壤 重 金 属 有 效 性 。在 污染土壤中施 用重金属含量高的畜禽粪便一般能提高土壤重金属 的有 效 性; 作物秸 秆 由于重 金属含量 低, 施用后 可引起重 金属有效性 下降 。 在 未污染 的混合土壤 中, 加入重 金属含量较 低 的稻 草和重金属 含量较 高 的鸡粪, 能够降低土壤重 金属有效性, 前者 而后者能显著增 加土壤重 金属有效性 。一般来说, 一 在未污染土壤施用大量重金属含量较高 的畜 禽 粪 便 会 增 加 土 壤 重 金 属 的 有 效 性 。定 位 试 验 表 明, 肥 对 水 稻 土 z 施 n 和 C 形 态有 明显 的影响 , u 猪厩 肥提高土壤有效 态 z n和C u的作用最大
鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究_卜贵军
![鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究_卜贵军](https://img.taocdn.com/s3/m/a226d71610a6f524ccbf85de.png)
第35卷第11期2014年11月环 境 科 学ENVIRONMENTAL SCIENCEVol.35,No.11Nov.,2014鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究卜贵军1,2,于静3,邸慧慧4,罗世家1,2,周大寨1,肖强1,2∗(1.湖北民族学院生物资源保护与利用湖北省重点实验室,恩施 445000;2.湖北民族学院林学园艺学院,恩施 445000;3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;4.湖北省烟草公司恩施州公司,恩施 445000)摘要:采用离子色谱、三维荧光光谱、紫外⁃可见吸收光谱和多元统计分析,研究了鸡粪堆肥水溶性有机物(DOM)和重金属组成与演化特性,探究了有机物演化对重金属生物有效性的影响及其机理.结果显示,堆肥升温期和高温期有机物降解最为剧烈,产生了大量苹果酸、酒石酸、乙酸和草酸,其浓度分别在2097.55~2155.61、39.24~51.58、12.52~12.90及1.68~2.31mg ·L -1之间;堆肥降温期和二次发酵过程,蛋白类物质降解,腐殖质类物质合成,DOM 的腐殖化率和缩合度增大,稳定性增强.堆肥过程中水溶态重金属中Fe 的浓度(1.069~7.106mg ·L -1)最高,Al、As、Cr、Cu 和Mn 的浓度(0.1~1.008mg ·L -1)其次,Pb 的浓度(0.003~0.02mg ·L -1)最低,随着堆肥的进行水溶态重金属含量呈下降趋势(Al 除外),相关性分析显示,水溶态重金属主要结合在腐殖质类物质上,生物可利用性低.分析结果表明,堆肥可通过降低水溶态重金属的含量和将水溶态重金属络合在腐殖质类物质上降低产品中重金属的生物有效性.关键词:鸡粪;堆肥;有机物;重金属;生物有效性中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:0250⁃3301(2014)11⁃4352⁃07 DOI :10.13227/j.hjkx.2014.11.043收稿日期:2014⁃03⁃31;修订日期:2014⁃05⁃04基金项目:国家自然科学基金项目(31260057);湖北省科技厅自然科学基金项目(B2013077);生物资源保护与利用湖北省重点实验室第四批开放基金项目(PKLHB1322)作者简介:卜贵军(1981~),男,讲师,主要研究方向为物质微观结构,E⁃mail:379977049@∗通讯联系人,E⁃mail:hbmysws@Influence of Organic Matter Evolution During Composting on the Bioavailability of Heavy MetalsBU Gui⁃jun1,2,YU Jing 3,DI Hui⁃hui 4,LUO Shi⁃jia 1,2,ZHOU Da⁃zhai 1,XIAO Qiang 1,2(1.Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province,Hubei Minzu University,Enshi 445000,China;2.College of Forest and Horticulture,Hubei Minzu University,Enshi 445000,China;3.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention and Geological Environment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;4.Enshi TobaccoCompany of Hubei Province,Enshi 445000,China)Abstract :Ion chromatography,fluorescence spectroscopy,UV⁃visible absorption spectroscopy and multivariate statistical analysis were applied to study the composition and evolution characteristics of dissolved organic matter (DOM)and heavy metal extracted from chicken manure during composting,and the influence of organic matter evolution on the bioavailability of these heavy metals was further investigated.The result showed that,a large number of organic acids were generated during the active stage,and their concentrationswere in the range of 2097.55⁃2155.61mg ·L -1,39.24⁃51.58mg·L -1,12.52⁃12.90mg ·L -1and 1.68⁃2.31mg ·L -1,respectively.During the curing stage,protein⁃like matter was degraded,whereas humic⁃like substances were formed,which increased the humification degree,condensation degree and stability of DOM.The content (1.069⁃7.106mg ·L -1)of dissolved iron ranked first during composting,that of dissolved Al,As,Cr,Cu and Mn (0.1⁃1.008mg ·L -1)ranked second,and the concentration of dissolved lead was the lowest.Concentrations of all heavy metals decreased during composting except aluminum.Furthermore,the result from correlation analysis showed that these dissolved heavy metals were bound with DOM,and their bioavailability was low.It could be concluded that,the bioavailability of the heavy metals in chicken manures became lower through the decrease of dissolved heavy metals and the binding between dissolved heavy metals and humic⁃like substances.Key words :chicken manure;composting;organic matter;heavy metals;bioavailability 堆肥是畜禽粪便常用的一种处理方式,在堆肥过程中,一部分有机物在微生物作用下降解成二氧化碳、水及氨等物质,导致堆体减容减重;另一部分有机物在微生物的作用下转化为富里酸、胡敏酸及胡敏素类等腐殖质物质,增强了堆肥的稳定度[1~3].堆肥过程中,大部分有机物只有在溶于水后才能被微生物利用,因此,水溶性有机物(DOM)是研究堆肥物质转化的重要介质,它比固相有机质更能灵敏反映堆肥过程物质演化特征[4~6].此外,堆肥DOM 中含有的有机酸和腐殖酸类物质,能够吸附和络合重金属,引起后者存在形态和生物有效网络出版时间:2014-10-21 13:50网络出版地址:/kcms/doi/10.13227/j.hjkx.2014.11.043.html11期卜贵军等:鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究性的改变[7].因此,近年来,相关学者采用各种技术如荧光光谱、红外光谱及离子色谱等[7~9],对堆肥DOM组成和结构进行分析,探究堆肥物质演化规律及其环境效应.畜禽粪便中含有一定量的重金属,堆肥过程有机物降解造成的“浓缩效应”进一步提高了其含量,使重金属成为堆肥农用的一个重要限制因子[5].按照Tissier的五步提取法,堆肥重金属可分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态,在这5种形态的重金属中,可交换态中水溶态重金属的活性最高,对植物的生物有效性最大,其他各种形态的重金属,包括与有机物结合的部分,通常情况下不参与对植物的供给,生物有效性较低[10].因此,研究畜禽粪便堆肥过程水溶态重金属的含量及其变化特征,对于堆肥产品农用风险评价具有重要意义,而这一方面目前国内外鲜有报道.基于此,采集不同堆肥阶段的鸡粪样品,利用离子色谱、三维荧光光谱、紫外⁃可见吸收光谱和质谱,分别对这些样品浸提液中的小分子有机酸、腐殖质和重金属的含量和变化进行分析,研究堆肥有机物演化对重金属生物有效性的影响特征及其机制,以期为堆肥产品农用风险评价提供科学依据.1 材料与方法1.1 堆肥过程与样品采集于养殖场采集鸡粪,剔除其中的羽毛、石块和塑料等杂物后,往里面添加剁至3~5cm的杂草和树叶,调堆体混合物C/N=26.5,含水率56%后,在一个自制的静态堆肥反应器中强制通风进行堆肥,堆肥过程温度上升迅速,第5d温度超过60℃,随后一直维持在60℃以上,第10d进行翻堆,随后温度开始缓慢下降,第32d降至室温.加水翻堆进行二次发酵,第42d二次发酵结束,于堆肥的0、5、10、32及42d采集堆肥样品,放置冰箱冷藏备用.1.2 水溶性有机物提取制备以堆肥干重固液比1(g)∶10(mL)将鸡粪样品与双蒸水混合,浸提振荡12h后,4℃下高速离心15 min,上清液过0.45μm滤膜,收集滤液,滤液中DOM含量(以溶解性有机碳DOC计)采用德国耶拿公司生产的multi N/C2100型TOC仪测定.1.3 离子色谱测定及数据处理采用美国戴安公司生产的ICS⁃2000离子色谱仪、ED40电化学检测器和Chromeleon6.5色谱工作站测定堆肥DOM中的小分子有机酸(乙酸、琥珀酸、苹果酸、草酸、酒石酸),离子色谱其他测试条件以及样品中腐殖质的去除参考文献[11]进行.测定完后将所有有机酸加和,得到总酸含量.1.4 荧光光谱测定及数据处理将所有滤液稀释50倍后,采用日本日立公司生产的F⁃7000荧光分光光度计,测定激发波长(E x) 200~400nm,发射波长(E m)280~500nm范围内的三维荧光光谱图,并以双蒸水的三维荧光图为空白进行扣除,随后数据导出,参考He等的报道[4],在Matlab7.0b上,计算三维荧光光谱中区域200~250 nm/280~330nm、200~250nm/330~380nm、200 ~250nm/380~500nm、>250nm/280~380nm、>250nm/380~500nm范围内的体积积分,其值分别标记为v1、v2、v3、v4及v5.1.5 紫外⁃可见光谱测定及数据处理将所有滤液以双蒸水稀释50倍后,采用日本岛津公司生产的UV1700紫外⁃可见分光光度计,测定190~670nm范围内的紫外吸收值.参考前人报道[12],计算260~280、460~480及600~670nm波长范围内的积分面积A1、A2及A3.1.6 重金属测定及数据分析采用美国热电公司生产的ICP⁃OES重金属测定仪,测定堆肥滤液中Al、As、Cr、Cu、Fe、Mn和Pb的浓度.并在SPSS16.0上,对重金属和堆肥有机物进行相关性分析和主成分分析[5],研究堆肥过程水溶性有机物演化对重金属分布的影响.2 结果与讨论2.1 堆肥过程有机物降解研究根据前人的报道可知[13,14],堆肥过程有机质的演化可分为降解、腐殖化及进一步聚合和压缩这3个过程.降解的中间产物为小分子有机酸,腐殖化的产物为腐殖酸,而高度聚合化的结果是堆肥有机物分子聚合度的提高.因此,本研究从堆肥过程小分子有机酸、腐殖酸和高聚合度有机物的组成和变化来分析堆肥过程DOM的演化特征及其机制.表1为不同堆肥阶段DOM中小分子有机酸的含量,该表显示,乙酸在整个堆肥过程中均能检测到,为堆肥中最常见的小分子有机酸,但是堆肥DOM中乙酸浓度较低,在堆肥过程中其分布在2.24 ~13.04mg·L-1之间;琥珀酸在堆肥初期和高温期均未检测到,直到堆肥结束时才检测到,其浓度(66.1mg·L-1)较高;苹果酸为堆肥DOM中浓度最3534环 境 科 学35卷高的小分子有机酸,其在堆肥初期和高温期的浓度超过2000mg·L-1,但是,该酸在一次发酵结束和二次发酵过程均未检测到,暗示苹果酸主要为有机物降解中间产物;堆肥DOM中草酸的浓度分布在1.68~2.39mg·L-1,但是该酸堆肥初始和一次发酵结束均未检测到;酒石酸在一次发酵过程中的浓度分布在39.24~51.58mg·L-1之间,二次发酵产物中未检测到.表1 鸡粪堆肥过程小分子有机酸含量变化1)/mg·L-1Table1 Changes in the content of organic acids during chicken manure composting/mg·L-1时间/d乙酸琥珀酸苹果酸草酸酒石酸总酸012.90nd2097.55nd39.242149.69 512.52nd2155.612.3643.092213.58 1012.79nd2136.941.6851.582202.99 322.24nd nd nd46.7048.94 4213.0466.10nd2.39nd81.53 1)nd表示未检测到 总体看来,各种有机酸主要出现在一次发酵过程中,尤其是一次发酵的高温期,其浓度含量最高(>2200mg·L-1),而在二次发酵过程中,有机酸的含量较低(<100mg·L-1),许多小分子有机酸未检测到,李英军等对鸡粪堆肥样品浸提液中小分子有机酸含量的分析也得到了类似的结果[11].由于小分子有机酸来自堆肥有机物的降解,其含量可以直接反映堆肥过程有机物的降解剧烈程度,故上述结果表明,鸡粪堆肥过程有机物的降解主要发生在堆肥初期和高温期,而在堆肥后期和二次发酵过程中,有机物降解较少.2.2 堆肥过程有机物腐殖化研究堆肥腐殖化的产物是腐殖酸类物质,腐殖酸中由于含有大量的苯环结构,在吸收一定的光能后能够产生荧光,所产生的荧光光谱特征与腐殖酸分子结构直接有关,因此,本研究采用三维荧光光谱研究堆肥过程有机物的腐殖化过程[12].不同堆肥阶段DOM的三维荧光光谱如图1所示,该图显示,鸡粪DOM的三维荧光光谱图主要有4个荧光峰,其峰位值分别位于270nm/350nm、245nm/375nm、225nm/365nm及325nm/420nm 附近,根据前人的报道可知,前3个荧光峰为类蛋白荧光峰,而第4个荧光峰为类腐殖质荧光峰[15,16].在这4个荧光峰中,前3个类蛋白荧光峰强度较高,而第4个类腐殖质荧光峰强度较弱,并且文献[15 ~17]所报道的类腐殖质峰中的另外一个峰———类富里酸峰,在本研究中未观察到,可能被附近的类蛋白峰掩盖了.He等[4]对生活垃圾堆肥过程DOM三维荧光光谱的研究也显示,堆肥DOM组成复杂,不同荧光基团产生的荧光峰可能相互重叠.为研究堆肥过程类蛋白和类腐殖质物质含量变化,本研究将堆肥DOM的三维荧光光谱根据文献报道分为5个区域[4],其中区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ为类蛋白物质,而区域Ⅲ和Ⅴ为类腐殖质物质[17].图2为5个区域对应的体积在堆肥过程中的变化图,其中显示,堆肥过程区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ在初期(0~5d)呈上升趋势,随后其浓度下降,总体呈下降趋势,显示堆肥过程类蛋白物质在发酵初期不断增多,随后不断降低.初期的增多可能与微生物活动旺盛、大量不可溶的蛋白类物质被溶出和释放有关,而后期的降低与这一时期类蛋白物质大部分被降解有关.与类蛋白物质不同,类腐殖质荧光区Ⅲ和Ⅴ在堆肥初期呈下降趋势,而在后期和二次发酵过程该值明显上升,显示堆肥初期简单的类腐殖质物质也不断被降解和转化,在堆肥后期腐殖质不断被合成,含量增加,即堆肥过程腐殖化作用主要发生在堆肥后期和二次发酵过程中.2.3 堆肥过程有机物聚合化研究前人研究显示,在有机物的紫外⁃可见吸收光谱中,波长260~280nm、460~480nm和600~700 nm范围内的吸收值A1、A2和A3依次与苯环化合物含量、开始腐殖化有机物的含量及高度聚合有机物的含量有关[18].图3(a)显示,堆肥初期(0~5d)A1的积分面积呈下降趋势,而在随后的5~32d又呈上升趋势,尤其是在堆肥的5~10d上升最为剧烈,显示在堆肥升温期苯环化合物不断减少,在堆肥的高温期和降温期苯环化合物不断增多,表明堆肥升温期是有机物的降解期,而高温期和降温期由于苯环化合物在合成腐殖质物质,其浓度不断升高,二次发酵过程中A1的下降可能与这一时期主要出于厌氧过程,苯环化合物被降解有关.堆肥过程A2和A3的变化与A1类似,其上升最为剧烈的为堆肥5~10 d,显示这一时期是有机物腐殖化和缩合化最为剧烈的时期.453411期卜贵军等:鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究(a)、(b)、(c)、(d)、(e)依次为0、5、10、32、42d 堆肥样品图1 鸡粪堆肥过程水溶性有机物三维荧光光谱图变化Fig.1 Changes in the three dimensional fluorescence spectra ofdissolved organic matter during chicken manurecomposting 图2 鸡粪堆肥过程不同荧光组分的变化特征Fig.2 Change characteristics of different florescence fractionsduring chicken manure composting 根据前人的报道[12,18],腐殖化指数被定义为面积A 2与A 1的比值(A 2/A 1)、A 3与A 1的比值(A 3/A 1)以及A 3、A 2之和与A 1的比值(A 3+2/A 1).A 2/A 1反映了木质素在开始转化时的比例,A 3/A 1表示了腐殖化物质和非腐殖化物质的比例,而A 3+2/A 1可表征腐殖化与非腐殖化物质的相关性,该值增加速率越快,腐殖化水平越大.图3(b)显示,A 2/A 1、A 3/A 1及A 3+2/A 1在堆肥的0~10d 呈不断上升趋势,这依次说明堆肥中木质素在开始转化时的含量越来越高、腐殖化物质与非腐殖化物质的比率越来越高、以及腐殖化增大水平越来越大(即有机物缩合度不断提高).在随后的降温期,A 2/A 1和A 3/A 1呈下降趋势,显示可转化的木质素的含量和腐殖质物质的相对含量不断减少,即部分缩合度不高的芳构化物质被降解了,但是,在二次发酵过程中,A 2/A 1、A 3/A 1及A 3+2/A 1值又开始上升,显示二次发酵提高了堆肥的腐殖化率和有机物分子的聚合度.综合以上结果可以知道,堆肥过程有机物的腐殖化和高度聚合化主要发生在高温期和二次发酵过程.2.4 堆肥过程水溶性重金属变化分析在堆肥中的各形态的重金属中,水溶态重金属的活性最高,其最容易被植物利用,毒性最强.因此,本研究分析了堆肥过程水溶态重金属的含量及其变化,结果如表2所示.在所分析的7种重金属中,Fe 的浓度最高,其在堆肥过程中的浓度分布在1.069~7.106mg ·L -1之间;Al、As、Cr、Cu 和Mn 的浓度分布在0.1~1.008mg ·L -1之间,显著低于Fe 的含量;堆肥浸提液中浓度最低的重金属为Pb,其值在0.003~0.02mg ·L -1范围内,不足其他重金属的十分之一.Al 在堆肥过程中的变化波动较大,经堆肥后其浓度由0.027mg ·L -1上升至0.744mg·L -1,显示堆5534环 境 科 学35卷 图3 鸡粪堆肥过程特征紫外吸收参数变化表3显示,除了Al外,堆肥浸提液中的DOM的浓度(DOC)随重金属含量增加呈增加态势,但是堆肥DOC与重金属浓度未呈现显著相关性,这一结果表明,堆肥浸提液中并不是所有的有机物都能影响重金属的分布;相关分析也表明,堆肥DOM中的小分子有机酸含量与重金属未呈现出显著相关(数据未列出),因此可以知道这一部分有机物在堆肥过程对重金属分布影响不大;除了小分子有机酸外,腐殖质和蛋白类物质也是堆肥DOM的重要组成组分,因此,本研究对堆肥浸提液中的重金属与腐殖质及蛋白类物质进行了相关性分析,结果显示,堆肥浸提液中As和Cu的含量与区域体积v5(类腐殖质物著相关,但是其相关性指数高于类蛋白和类富里酸物质,显示浸提液中大部分Pb和Mn也与类腐殖质物质结合在一起,生物有效性也低.Cr和Fe含量与类腐殖质在堆肥过程呈现相同的变化趋势,但是二者相关性较差,这可能分别来自于下列原因:Cr可以阴离子的形式存在,导致其与重金属结合很难;而Fe在堆肥过程中,可以通过还原作用由溶解度较低的三价铁转化为溶解度较高的二价铁[24].Al与区域体积v5(腐殖质物质)呈现负相关,而与区域v1和v2(类蛋白物质)正相关,显示浸提液中Al主要结合在易微生物利用的类蛋白物质上,生物可利用性高.653411期卜贵军等:鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究表3 堆肥样品中水溶性重金属与有机物含量相关性分析1)Table 3 Correlation analysis between dissolved heavy metals and organic matter in the compost sampleDOC12345Al -0.8240.6910.715-0.123-0.033-0.925∗0.0870.1960.1740.8440.9580.024As 0.805-0.940∗-0.7950.623-0.3290.943∗0.10.0170.1080.2620.5890.016Cr 0.312-0.462-0.647-0.271-0.1070.5580.610.4330.2380.6590.8640.328Cu 0.662-0.828-0.8430.223-0.2580.884∗0.2240.0830.0730.7180.6750.046图4 堆肥样品中水溶性重金属和有机物的主成分分析Fig.4 Principal factor analysis among dissolved heavy metalsand organic matter in the compost sample目前对于重金属生物有效性研究最新的技术为薄膜扩散梯度技术(diffusive gradients in thin⁃films technique,DGT)[26],它是目前为止模拟生物吸收较好的一种新型原位采集并测量重金属生物有效性的技术[27].DGT 技术所测量的重金属有效态是由结品中Al、As、Cr、Cu、Fe、Mn 及Pb 的生物有效性.参考文献院[1] Fuentes M,González⁃Gaitano G,García⁃Mina J M.Theusefulness of UV⁃visible and fluorescence spectroscopies to study the chemical nature of humic substances from soils and composts[J].Organic Geochemistry,2006,37(12):1949⁃1959.[2] Yu G H,Tang Z,Xu Y C,et al .Multiple fluorescence labelingand two dimensional FTIR⁃13C NMR heterospectral correlationspectroscopy to characterize extracellular polymeric substances in biofilms produced during composting[J].Environmental Science&Technology,2011,45(21):9224⁃9231.[3] Wei Z M,Xi B D,Zhao Y,et al .Effect of inoculating microbesin municipal solid waste composting on characteristics of humic acid[J].Chemosphere,2007,68(2):368⁃374.7534环 境 科 学35卷[4] He X S,Xi B D,Wei Z M,et al.Spectroscopic characterizationof water extractable organic matter during composting of municipalsolid waste[J].Chemosphere,2011,82(4):541⁃548. [5] 李丹,何小松,席北斗,等.生活垃圾堆肥渗滤液污染物组成与演化规律研究[J].环境科学,2013,34(7):422⁃428. [6] 赵越,何小松,席北斗,等.鸡粪堆肥有机质转化的荧光定量化表征[J].光谱学与光谱分析,2010,30(6):1555⁃1560.[7] He X S,Xi B D,Pan H W,et al.Characterizing the heavymetal⁃complexing potential of fluorescent water⁃extractableorganic matter from composted municipal solid wastes usingfluorescence excitation⁃emission matrix spectra coupled withparallel factor analysis[J].Environmental Science and PollutionResearch,2014,21(13):7973⁃7984.[8] 何小松,席北斗,魏自民,等.堆肥过程中水溶性有机物常规荧光与固体表面荧光光谱比较[J].农业工程学报,2010,26(10):272⁃276.[9] 李鸣晓,何小松,刘骏,等.鸡粪堆肥水溶性有机物特征紫外吸收光谱研究[J].光谱学与光谱分析,2010,30(11):3081⁃3085.[10] 王玉军,窦森,李业东,等.鸡粪堆肥处理对重金属形态的影响[J].环境科学,2009,30(3):913⁃917. [11] 李英军,何小松.鸡粪堆肥水溶性有机物转化特性研究[J].环境工程学报,2010,4(9):2135⁃2140.[12] 杨楠,于会彬,宋永会,等.应用多元统计研究城市河流沉积物孔隙水中DOM紫外光谱特征[J].环境科学学报,2014,2014,34(7):1751⁃1757.[13] Zbytniewski R,Buszewski B.Characterization of natural organicmatter(NOM)derived from sewage sludge compost.Part2:multivariate techniques in the study of compost maturation[J].Bioresource Technology,2005,96(4):479⁃484. [14] He X S,Xi B D,Jiang Y H,et al.Elemental and spectroscopicmethods with chemometric analysis for characterizing compositionand transformation of dissolved organic matter during chickenmanure composting[J].Environmental Technology,2012,33(17):2033⁃2039.[15] Marhuenda⁃Egea F C,Martínez⁃Sabater E,JordáJ,et al.Dissolved organic matter fractions formed during composting ofwinery and distillery residues:Evaluation of the process byfluorescence excitation⁃emission matrix[J].Chemosphere,2007,68(2):301⁃309.[16] Shao Z H,He P J,Zhang D Q,et al.Characterization of water⁃extractable organic matter during the biostabilization of municipalsolid waste[J].Journal of Hazardous Materials,2009,164(2⁃3):1191⁃1197.[17] Chen W,Westerhoff P,Leenheer J A,et al.Fluorescenceexcitation⁃emission matrix regional integration to quantify spectrafor dissolved organic matter[J].Environmental Science andTechnology,2003,37(24):5701⁃5710.[18] Albrecht R,Le Petit J,Terrom G,et parison betweenUV spectroscopy and nirs to assess humification process duringsewage sludge and green wastes co⁃composting[J].BioresourceTechnology,2011,102(6):4495⁃4500.[19] Knoth de Zarruk K,Scholer G,Dudal Y.Fluorescencefingerprints and Cu2+⁃complexing ability of individual molecularsize fractions in soil⁃and waste⁃borne DOM[J].Chemosphere,2007,69(4):540⁃548.[20] Zhou L X,Yang H,Shen Q R,et al.Fractionation andcharacterization of dissolved organic matter derived from sewagesludge and composted sludge[J].Environmental Technology,2000,21(7):765⁃771.[21] Jensen D L,Ledin A,Christensen T H.Speciation of heavymetals in landfill⁃leachate polluted groundwater[J].WaterResearch,1999,33(11):2642⁃2650.[22] Calace N,Liberatori A,Petronio B M,et al.Characteristics ofdifferent molecular weight fractions of organic matter in landfillleachate and their role in soil sorption of heavy metals[J].Environmental Pollution,2001,113(3):331⁃339. [23] Kalbitz K,Geyer W,Geyer S.Spectroscopic properties ofdissolved humic substances—a reflection of land use history in afen area[J].Biogeochemistry,1999,47(2):219⁃238. [24] He X S,Xi B D,Cui D Y,et al.Influence of chemical andstructural evolution of dissolved organic matter on electron transfercapacity during composting[J].Journal of Hazardous Materials,2014,268(15):256⁃263.[25] 何小松,余红,席北斗,等.填埋垃圾浸提液与地下水中污染物组成差异及成因[J].环境科学,2014,35(4):187⁃194.[26] Davison W,Zhang H.In situspeciation measurements of tracecomponents in natural waters using thin⁃film gels[J].Nature,1994,367(6463):546⁃548.[27] Webb J A,Keough M J.Measurement of environmental tracemetal levels with transplanted mussels and diffusive gradients inthin films(DGT):a comparison of techniques[J].MarinePollution Bulletin,2002,44(3):222⁃229.[28] 隋殿鹏,孙挺,范洪涛,等.薄膜扩散梯度技术———一种原位富集采样技术[J].化学通报,2007,(12):954⁃960.8534。
《2024年生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文
![《2024年生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文](https://img.taocdn.com/s3/m/9dc3ba10f6ec4afe04a1b0717fd5360cba1a8d32.png)
《生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》篇一一、引言随着工业化和城市化的快速发展,重金属污染和土壤盐渍化问题日益严重,对生态环境和农业生产造成了巨大威胁。
生物有机肥作为一种环保、高效的肥料,其在改善土壤环境、提高植物修复效率方面具有重要作用。
本文将重点探讨生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制。
二、生物有机肥与土壤微生物的关系生物有机肥是由微生物、动植物残体等组成的复合肥料,其中含有大量的有机质和微生物。
这些微生物在土壤中繁殖、活动,与土壤中的其他生物形成复杂的生态系统。
生物有机肥的施用可以改善土壤结构,提高土壤肥力,为植物提供良好的生长环境。
同时,生物有机肥中的微生物还可以与土壤中的其他微生物形成共生关系,共同参与土壤中的各种生物化学过程。
三、生物有机肥对重金属污染土壤的修复作用生物有机肥中的微生物具有吸附、转化和降解重金属的能力,可以降低土壤中重金属的浓度,减轻重金属对植物的毒害作用。
此外,生物有机肥中的有机质可以与重金属离子结合,形成稳定的络合物,降低重金属的生物有效性。
这些作用都有助于提高植物对重金属的耐受性和积累能力,从而增强植物对重金属污染土壤的修复效果。
四、生物有机肥对盐渍化土壤的改良作用生物有机肥中的微生物可以分泌多种酶和有机酸等物质,这些物质可以分解土壤中的盐分,降低土壤盐渍化程度。
此外,生物有机肥中的有机质可以改善土壤结构,提高土壤保水能力,从而减轻盐分对植物的危害。
这些作用都有助于提高植物在盐渍化土壤中的生长能力和抗逆性。
五、微生物机制生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制主要包括以下几个方面:1. 微生物吸附和转化重金属:生物有机肥中的微生物具有吸附和转化重金属的能力,可以降低土壤中重金属的浓度,减轻重金属对植物的毒害作用。
2. 微生物降解盐分:生物有机肥中的微生物可以分泌多种酶和有机酸等物质,分解土壤中的盐分,降低土壤盐渍化程度。
《2024年生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文
![《2024年生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文](https://img.taocdn.com/s3/m/40a3c9712bf90242a8956bec0975f46526d3a75b.png)
《生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》篇一一、引言在环境污染问题中,重金属污染及盐渍化土壤治理成为了迫切需要解决的问题。
通过生物技术进行植物修复成为了备受关注的绿色方法。
在诸多促进修复效果的方法中,生物有机肥的利用尤其重要。
本篇论文将详细阐述生物有机肥如何提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制。
二、生物有机肥的特性生物有机肥是由多种微生物及其发酵产物、动植物残体等有机物质组成的复合肥料。
它含有丰富的微生物菌群,如固氮菌、解磷菌等,能够通过促进土壤中微生物的生长与活动,改善土壤结构,提高土壤肥力。
此外,生物有机肥还能提供植物生长所需的营养元素,如氮、磷、钾等。
三、微生物在重金属污染盐渍化土壤中的作用在重金属污染和盐渍化土壤中,微生物起着至关重要的作用。
一方面,某些微生物能够通过吸附、沉淀、转化等方式降低土壤中重金属的活性;另一方面,微生物能够通过分泌有机酸等物质,改善盐渍化土壤的盐分环境,为植物生长提供适宜的土壤条件。
四、生物有机肥提高植物修复效率的微生物机制1. 微生物促进植物生长:生物有机肥中的微生物能够分泌植物生长激素等物质,促进植物的生长与发育,提高植物对重金属的吸收与转运能力。
2. 改善土壤环境:生物有机肥中的微生物能够分解有机物质,改善土壤结构,增加土壤通气性、保水性及肥力,为植物提供良好的生长环境。
3. 降低重金属活性:部分微生物能够通过吸附、沉淀等方式降低土壤中重金属的活性,减少其对植物的毒害作用。
4. 增强土壤酶活性:生物有机肥能够提高土壤中酶的活性,如过氧化氢酶、脱氢酶等,这些酶能够促进土壤中有机物质的分解与转化,为植物提供更多的营养元素。
5. 形成生物膜减少盐分侵蚀:部分微生物能够在植物根部形成生物膜,防止盐分对根系的侵蚀,从而减轻盐渍化对植物生长的影响。
五、结论通过上述分析可知,生物有机肥在提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率方面具有显著的微生物机制。
畜禽粪便堆肥中重金属污染调控技术的研究现状
![畜禽粪便堆肥中重金属污染调控技术的研究现状](https://img.taocdn.com/s3/m/3042c5ef524de518964b7da3.png)
新疆农机化
2 0 1 3 年第5 期
大对 重金 属污 染 的治理 迫在 眉 睫[ 7 1 8 】 。
基醌 、 内酯 、 脂和醇羟基的吸持作用而降低重金属的 有效性[ 1 8 1 。同时猪粪在堆肥过程还可降低可交换态
和 碳酸 盐 交 换 态 C u 、 Z n以及 铁 锰 氧 化 物结 合 态 C u
2 重 金 属 治 理研 究 现 状
2 . 1 堆 肥 法
占其总量的比例 , 进而降低 了重金属 的生物有效性 ,
减 少 了土地 利用 重金 属 污染 的风 险 。而 且猪 粪在 好 氧高 温堆 肥 处 理 中重 金属 结 合 形 态也 发 生 了转化 。
堆肥是在微生物作用下把有机物降解 、 转化成
腐 殖 质 的生物 化学 处理 过程 , 它是 实现 无 害化 、 安全 化 的有 效 手段 [ 9 1 。用 堆肥 法 来 治理 重 金 属 主要 是 利
5 对 策 建 议
( 1 )加 强 畜牧 业 机 械 化人 才 队伍 建 设 , 提 高 人
员素质专业 的理论培训和实际操作 , 不适
应 畜 牧 业机 械 化 发 展 的要 求 ; 需进 一 步加 强 畜 牧 机
大幅度提高全区畜牧业机械化程度 ,解决传统畜牧
业 生产 率低 ,机 具适 应性 能不 高 的问题 ,基本 实 现
械化适用人才 的培养 , 建立健全农牧 民科技教育培 训体系 , 提高农 牧民接受和应用畜牧业机械化实用
技 术 的能 力 和水平 。
“ 牧 区繁养 、 农区育肥” 及“ 种、 养、 育” 一体 的机械化 。 ( 4 ) 建议 由政府部 门出面协调 , 组织农 区畜牧 业生产走合作化模式 , 分片集中生产 , 集 中资金 , 统
畜禽粪便堆肥中抗生素和重金属残留及控制研究进展
![畜禽粪便堆肥中抗生素和重金属残留及控制研究进展](https://img.taocdn.com/s3/m/c7131559842458fb770bf78a6529647d2728348e.png)
畜禽粪便堆肥中抗生素和重金属残留及控制研究进展严莲英;刘桂华;秦松;胡岗;范成五【摘要】The animal manure from large-scale livestock and poultry raising generally contains many kinds of residual veteri-nary antibiotics and trace heavy metals, which has led to several negative influences on the utilization of animal manure in agricul-tural production.In view of this situation, this paper summarizes the origin and residue of antibiotics and trace heavy metal ele-ments in animal manure , as well as their compound pollution characteristics in China , sums up the harmless treatment technology of these two kinds of materials in the composting process of livestock and poultry manure , and puts forward prospects and sugges-tions.%规模化养殖畜禽类粪便中会含有多种抗生素类药物残留和重金属元素,对其在农业中的利用产生了负面影响,针对这种状况,总结了我国抗生素和微量重金属元素在畜禽粪便中的来源、残留及其复合污染特征,概述了这两类物质在畜禽粪便堆肥处理过程中的无害化处理技术,并对此提出了一些展望和建议。
堆肥产生的腐殖质对重金属有效性影响的研究进展
![堆肥产生的腐殖质对重金属有效性影响的研究进展](https://img.taocdn.com/s3/m/0cbda717182e453610661ed9ad51f01dc281579e.png)
增加,超出规定值,不仅会对自然环境产生严重影响,更甚至会
直接危害到人类的身体健康。 当人体误食含铅、汞等有害重金
属的食品时,这些重金属会通过生物放大作用在人体中不断地
富集、浓集增大,从而使人体重金属中毒。 会对我们的人类人
体大脑系统产生直接损害,因为重金属的特别属性,它可以慢
溶状态变为固体状态。 这可以增加重金属和腐殖质相结合的
迁移率。 及不同分子量的腐殖质对重金属的有效性会产生不
同的影响 [12] 。 葛骁等 [13] 人通过实验研究发现重金属的有效性
和迁移特征受到了堆肥过程中腐殖质含量的变化影响,产生不
同的效果。 罗高节等 [14] 人认为,生物炭和腐殖质的复合会对土
生稳固的结合体,从而改良土壤中重金属的生物利用度。 据有
关研究结果显示,在堆肥过程中,可溶性重金属含量被减少且
腐殖质类物质的稳定性也有部分的提升,从而改善了堆肥中
铝、砷、铬、等的生体可利用率 [7] 。
1.3 腐殖质的性质
有机物经过微生物分解会转化成为一种胶状物质,该胶体
物质名为腐殖质( Humic Substance,HS) ,其颜色为黑色或深棕
色。 腐殖质的重要组成元素有 C、H、O、N、P、等其他元素,胡敏
素、胡敏酸和富里酸( 也称富丽酸) 为腐殖质的主要种类。 腐殖
质这种胶体物质具有一定的粘结力,可以疏松而使其具备良好
黏性。 已有堆肥实验证明,木质素中的微生物把有机化学物质
直接转化为简单无机物的过程中核心就是真菌,其中木质素所
分泌的漆酶、催化木质素中酚型结构氧化降解的酶和木质素降
滤法来消除各种病原菌。 虽然每种方法都能将污泥中的重金
鸡粪堆肥对污染土壤中多环芳烃(蒽)解吸的影响
![鸡粪堆肥对污染土壤中多环芳烃(蒽)解吸的影响](https://img.taocdn.com/s3/m/bd30af5426d3240c844769eae009581b6bd9bd26.png)
鸡粪堆肥对污染土壤中多环芳烃(蒽)解吸的影响
鸡粪堆肥被广泛应用于土壤改良和农业生产中,它含有大量的
有机质和微生物,能够改善土壤的理化性质,促进健康植物的生长。
同时,鸡粪堆肥也具有吸附污染物质的能力,能够减少土壤中有害
物质的生物有效性,从而降低它们的毒性。
在多环芳烃(PAHs)污染的土壤中,蒽是一种常见的PAHs,具
有强烈的生物毒性和臭味,对土壤和环境都具有潜在的危害。
研究
表明,鸡粪堆肥中的有机质和微生物可以促进土壤微生物的生长和
代谢,从而增强了蒽分子的生物降解作用。
此外,鸡粪堆肥中的生
物质含有大量的活性有机物,具有良好的吸附性,对蒽这类复合有
机污染物具有很强的解吸作用。
因此,鸡粪堆肥的应用可以显著地改善污染土壤中蒽分子的生
物降解和解吸作用,从而有效地减少其对周围环境和生态系统的危害,并提高土壤的生态安全性。
但是需要注意的是,鸡粪堆肥的使
用必须在严格的管理下进行,以确保不会产生其他环境问题和健康
风险。
鸡粪-堆肥中重金属残留、抗生素耐药基因及细菌群落变化研究
![鸡粪-堆肥中重金属残留、抗生素耐药基因及细菌群落变化研究](https://img.taocdn.com/s3/m/d95c16c659f5f61fb7360b4c2e3f5727a5e924e9.png)
Dynamics of heavy metal residues,antibiotic resistance genes,and bacterial communities during chicken ma⁃nure compostingDENG Wen-wen 1,CHEN Shu-juan 2,HE Xue-ping 2,JIN Lei 1,YANG Sheng-zhi 1,YU Xiu-mei 1,LIU Shu-liang 2,ZOU Li-kou 1*(1.College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;2.College of Food Science,Sichuan Agricultural Uni⁃versity,Ya′an 625014,China )Abstract :The changes in the content of nutrients and heavy metals,abundance of antibiotic resistance genes (ARGs ),and the succession law of bacterial communities were investigated during chicken manure composting to explain the correlations between bacterial communi⁃ties and nutrients,heavy metals,and ARGs.Fresh chicken manure (FM )and its compost samples (FC and SC )were collected,and their nutrient and heavy metal content,and the abundance of ARGs were determined.The succession law of bacterial community was analyzed by 16S rRNA high-throughput sequencing.After composting,the content of organic matter decreased,but the content of total nitrogen andphosphorus increased at different levels,whereas,the total potassium content and pH significantly increased (P <0.05).The heavy metal content fluctuated in different sample pared with those in FM,the concentration of arsenic and cadmium increased in SC,邓雯文,陈姝娟,何雪萍,等.鸡粪-堆肥中重金属残留、抗生素耐药基因及细菌群落变化研究[J].农业环境科学学报,2019,38(2):439-450.DENG Wen-wen,CHEN Shu-juan,HE Xue-ping,et al.Dynamics of heavy metal residues,antibiotic resistance genes,and bacterial communities during chicken manure composting[J].Journal of Agro-Environment Science ,2019,38(2):439-450.鸡粪-堆肥中重金属残留、抗生素耐药基因及细菌群落变化研究邓雯文1,陈姝娟2,何雪萍2,晋蕾1,杨盛智1,余秀梅1,刘书亮2,邹立扣1*(1.四川农业大学资源学院,成都611130;2.四川农业大学食品学院,四川雅安625014)收稿日期:2018-05-30录用日期:2018-07-25作者简介:邓雯文(1994—),女,四川自贡人,硕士研究生,主要从事微生物资源利用研究。
堆肥对土壤重金属赋存形态及生物有效性的影响的开题报告
![堆肥对土壤重金属赋存形态及生物有效性的影响的开题报告](https://img.taocdn.com/s3/m/1c91434f00f69e3143323968011ca300a6c3f684.png)
堆肥对土壤重金属赋存形态及生物有效性的影响的
开题报告
一、选题背景及意义
随着工业化的进程以及人类活动的增加,土壤中重金属的污染问题日益严重,对土地的长期利用及生态环境的保护带来了严峻的挑战。
成功的改善和修复污染土壤的方法应该是可持续的,经济的,安全的和环保的,同时能够提高土壤的肥力与生产力。
堆肥的广泛应用就是一种非常理想的方式来解决降低重金属赋存形态及生物有效性问题的。
二、研究目的
本文旨在探究堆肥对土壤中重金属赋存形态及生物有效性的影响,为堆肥在重金属污染土壤改良中的应用提供科学依据。
三、研究内容
1. 重金属及其对土壤环境的影响。
2. 堆肥的成分特点及对土壤环境的影响。
3. 堆肥加入到重金属污染土壤中的情况,对土壤中重金属赋存形态及生物有效性的影响。
四、研究方法
采用文献研究法。
通过查阅大量文献,系统整理总结相应信息,提高研究实践意义。
五、研究意义
本研究将为有效改良重金属污染土壤提供一种新思路和方法,有利于经济、安全、环保地解决重金属污染土壤问题,促进土地的可持续利用和生态环境的保护。
畜禽粪便对土壤重金属的影响研究
![畜禽粪便对土壤重金属的影响研究](https://img.taocdn.com/s3/m/51477606ec630b1c59eef8c75fbfc77da2699789.png)
畜禽粪便对土壤重金属的影响研究
向磊;吴景贵
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】2012(000)006
【摘要】随着工农业的迅速发展,重金属污染日益加深,人们在社会生活与自然环境方面都遭受了危害.本文分别从畜禽粪便对植物吸收重金属的影响、畜禽粪便对土壤重金属含量及有效性的影响、畜禽粪便对土壤重金属淋溶的影响等方面进行了阐述.在此基础上,对有关研究需进一步关注的问题进行了展望.
【总页数】1页(P27)
【作者】向磊;吴景贵
【作者单位】吉林农业大学资源与环境学院;吉林农业大学资源与环境学院
【正文语种】中文
【相关文献】
1.3种畜禽粪便有机肥施用对黄瓜地土壤重金属含量的影响
2.畜禽粪便中重金属来源及对土壤污染分析
3.华东地区不同种类畜禽粪便对农田土壤重金属输入的影响
4.吉林省畜禽粪便自然堆放条件下粪便/土壤体系中Cu、Zn的分布规律
5.畜禽粪便有机肥中重金属在不同农田土壤中生物有效性动态变化
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
畜禽粪便高效堆肥技术及资源化利用的开题报告
![畜禽粪便高效堆肥技术及资源化利用的开题报告](https://img.taocdn.com/s3/m/8b8db75254270722192e453610661ed9ad51559c.png)
畜禽粪便高效堆肥技术及资源化利用的开题报告一、研究背景及意义1.1研究背景随着农业科技的进步和农业生产模式的转变,畜禽养殖规模越来越大,畜禽粪便日益成为一个庞大的生态问题。
然而,畜禽粪便中含有大量的营养物质和微生物,可以通过高效堆肥技术进行资源化利用,实现资源的再循环利用,解决环境问题的同时为农业生产提供了有机肥料。
因此,畜禽粪便高效堆肥技术及其资源化利用已经成为目前农业发展中的研究热点。
1.2研究意义畜禽粪便高效堆肥技术及其资源化利用对于农业生产和环境保护都有重要的意义。
具体来说,其研究意义主要包括以下几个方面:(1)资源化利用畜禽粪便可以缓解农业生产中的有机肥料短缺问题,提高了农业生产的可持续性。
(2)高效堆肥技术可以有效地分解畜禽粪便中的有机物质,减少氨气排放和甲烷排放等有害气体的释放,对于保护环境和减少温室气体的排放具有重要作用。
(3)对于提高农田土壤质量、改善土地生态环境,以及保障粮食安全等方面,也会有积极的影响。
二、研究内容和方法2.1研究内容本文主要研究畜禽粪便高效堆肥技术及其资源化利用的相关问题。
具体研究内容包括:(1)畜禽粪便的性质和特点研究。
(2)畜禽粪便高效堆肥技术的研究,包括堆肥堆的选择、材料的配置、堆肥过程中的管理措施等方面。
(3)畜禽粪便资源化利用方案研究,包括有机肥的生产和应用。
2.2研究方法为了实现本文的研究目标,本研究采用的主要研究方法包括文献调研法、实验法、数据分析法等。
文献调研法主要用于从相关的文献、报告和研究成果中收集和整理畜禽粪便高效堆肥技术及其资源化利用的相关信息和数据。
实验法主要通过实际的堆肥实验,验证畜禽粪便高效堆肥技术的可行性,并对其效果进行评估和分析。
数据分析法主要用于对实验结果进行统计、分析,比较不同的处理方案的效果,为提高畜禽粪便高效堆肥技术的效率和资源化利用效果提供决策支持。
三、预期成果和创新点3.1预期成果本文的预期成果主要包括以下几个方面:(1)畜禽粪便的性质和特点被深入了解。
施用鸡粪肥对土壤Cd、Pb、As生物有效性及蔬菜生长的影响
![施用鸡粪肥对土壤Cd、Pb、As生物有效性及蔬菜生长的影响](https://img.taocdn.com/s3/m/4a8a9c0e876fb84ae45c3b3567ec102de3bddf49.png)
施用鸡粪肥对土壤Cd、Pb、As生物有效性及蔬菜生长的影响文典;李富荣;张宋;王富华;王淼;张淑雅;赵洁;何舞【期刊名称】《广东农业科学》【年(卷),期】2014(041)008【摘要】通过田间小区试验,研究了种植木耳菜、茄子和不种菜处理条件下,鸡粪肥不同施用量对土壤重金属Cd、Pb、As全量、有效态含量,蔬菜对重金属的吸收及蔬菜生长的影响.结果表明,鸡粪肥中Cd、As含量较高,能增加或保持土壤重金属全量,含量较低的Pb也能在种植蔬菜时在土壤中累积,无外源添加时,土壤As全量会随种植过程显著降低.施肥量为12 000 kg/hm2时,种植蔬菜处理土壤Cd有效性增加最为明显,施肥量为8 000、12 000、16 000 kg/hm2时,3种种植处理土壤As有效性均会降低.木耳菜中Cd、Pb随着施肥量增加呈先减少后增加趋势,As呈先增加后减少趋势.木耳菜产量随施肥量增加呈先升高后降低趋势,在12 000kg/hm2时达到最高,施肥量对茄子产量和生物量影响不显著.【总页数】5页(P82-86)【作者】文典;李富荣;张宋;王富华;王淼;张淑雅;赵洁;何舞【作者单位】广东省农科院农产品公共监测中心/农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室,广东广州510640;广东省农科院农产品公共监测中心/农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室,广东广州510640;惠州市四季绿农产品有限公司,广东惠州516211;广东省农科院农产品公共监测中心/农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室,广东广州510640;惠州市四季绿农产品有限公司,广东惠州516211;惠州市四季绿农产品有限公司,广东惠州516211;广东省农科院农产品公共监测中心/农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室,广东广州510640;华中农业大学资源与环境学院,湖北武汉430070;广东省农科院农产品公共监测中心/农业部农产品质量安全检测与评价重点实验室,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】S963.91【相关文献】1.粪肥施用方式对设施栽培蔬菜生长和土壤肥力的影响 [J], 赵永富;李玉娥;董红敏;季萍;石岩;徐红兵;吴立人;冯伟明2.肥料施用对土壤重金属Cd和Pb有效性及稳定性特征的影响 [J], 田甜; 王洞洞; 赵丽丽; 陈春乐3.生物炭施用对小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中Pb、As和Cd生物有效性的影响研究 [J], 黄黎粤;丁竹红;胡忻;陈逸珺4.长期施用生物炭对土壤中Cd吸附及生物有效性的影响 [J], 张莹;吴萍;孙庆业;孙倩;汪玉;王慎强;王玉军5.蚕沙与海泡石联合施用对水稻根际土壤Cd生物有效性及籽粒Cd富集的影响[J], 刘顺翱;胡钧铭;吴昊;林大松;张俊辉;李婷婷;韦翔华;蒋鑫;刘斌因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
畜禽粪污资源化利用技术对土壤重金属污染的影响研究
![畜禽粪污资源化利用技术对土壤重金属污染的影响研究](https://img.taocdn.com/s3/m/2c93f7361fb91a37f111f18583d049649a660e7d.png)
畜禽粪污资源化利用技术对土壤重金属污染的影响研究摘要:土壤重金属污染是当前环境领域的一个严重问题,而畜禽粪污资源化利用技术被广泛应用于农业生产中。
本研究对畜禽粪污资源化利用技术对土壤重金属污染的影响进行了探讨。
通过对相关文献的综述,分析了不同利用技术对重金属的迁移、转化和积累的影响,以及其对土壤环境的影响。
结果表明,畜禽粪污资源化利用技术可以减少土壤重金属的积累和迁移,从而降低土壤重金属污染风险,并提高土壤质量和农作物产量。
然而,随着使用时间的增加,研究也发现一些潜在的问题,如土壤富集效应和积累效应的出现。
因此,畜禽粪污资源化利用技术需要综合考虑其对土壤重金属污染的影响,以便更好地利用粪污资源同时保护土壤生态系统。
引言:随着农业发展的不断推进和粪污排放量的增加,土壤重金属污染日益严重。
土壤重金属污染对环境和人类健康带来了巨大威胁。
而畜禽粪污资源化利用技术作为一种有效的处理手段,可以将排放的粪便转化为有机肥料或能源,并减少对环境的负面影响。
然而,粪污中的重金属含量成为了限制其利用的关键因素。
因此,研究畜禽粪污资源化利用技术对土壤重金属污染的影响,对于提高粪污的利用效率、减少环境污染具有重要意义。
一、畜禽粪污资源化利用技术对土壤重金属的迁移影响1.1 堆肥技术堆肥技术是一种常见的畜禽粪污资源化利用技术。
通过堆肥过程,粪便中的重金属含量有可能得到降解。
然而,一些研究发现,堆肥过程中重金属仍然存在于堆肥产物中。
这是因为堆肥过程并不能完全去除粪便中的重金属,它们往往通过附着在有机质表面或与有机质形成络合物的形式存在于堆肥产物中。
因此,在应用堆肥技术时,应选择低重金属含量的原料,控制好堆肥过程中的温度、湿度和通气条件,以减少重金属的迁移和积累。
1.2 生物炭技术生物炭作为一种碳负荷材料,可以同时改良土壤性质和固定重金属。
研究表明,生物炭可以与重金属发生吸附和离子交换作用,减少其在土壤中的活性和迁移。
此外,生物炭还可以增加土壤孔隙度和比表面积,提高土壤保水和保肥能力,降低重金属的残留和迁移风险。
《2024年生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文
![《2024年生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》范文](https://img.taocdn.com/s3/m/8bef22e4f021dd36a32d7375a417866fb94ac076.png)
《生物有机肥提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率的微生物机制》篇一一、引言随着工业化和农业集约化进程的加速,重金属污染及盐渍化问题已成为严重影响农业生产及生态环境的重要问题。
传统的物理和化学方法在治理这些污染时往往存在成本高、易造成二次污染等弊端。
近年来,生物修复技术因其成本低、环境友好等优点受到了广泛关注。
其中,生物有机肥在提高重金属污染盐渍化土壤植物修复效率方面发挥着重要作用。
本文旨在探讨生物有机肥提高植物修复效率的微生物机制。
二、生物有机肥的作用生物有机肥是一种以有机物质为主要成分,含有大量微生物及其代谢产物的肥料。
它不仅可以为植物提供养分,还能改善土壤环境,促进土壤中微生物的活动,从而提高植物对重金属的吸收和修复效率。
三、微生物机制1. 微生物的分解与转化作用生物有机肥中的微生物能够分解土壤中的有机物质,将其转化为植物可吸收的营养成分。
同时,这些微生物还能通过分泌酶等物质,将重金属离子转化为低毒或无毒的形态,降低重金属的生物有效性,从而减少植物对重金属的吸收。
2. 微生物的络合与吸附作用土壤中的微生物可以通过分泌胞外聚合物等物质与重金属离子形成稳定的络合物或吸附在微生物细胞表面,有效减少重金属在土壤中的迁移性。
这种作用不仅可以降低重金属对植物的毒性,还可以提高植物对重金属的吸收效率。
3. 微生物诱导的根系生长与发育生物有机肥中的微生物可以通过产生激素等物质,促进植物根系的生长与发育,增加根系的表面积和吸收能力。
这不仅有利于植物从土壤中吸收更多的养分和水分,还为植物提供更多的接触和吸收重金属的机会。
4. 微生物群落的调控作用生物有机肥可以调节土壤中的微生物群落结构,增加有益微生物的数量和种类。
这些有益微生物可以与植物形成共生关系,提高植物对重金属的耐受性和吸收能力。
同时,这些微生物还可以通过竞争排斥有害微生物,降低土壤中病原菌的数量和活性。
四、结论生物有机肥通过多种微生物机制共同作用,提高了重金属污染盐渍化土壤植物修复效率。
不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响
![不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响](https://img.taocdn.com/s3/m/f870d4156d85ec3a87c24028915f804d2b16870b.png)
中国环境科学 2020,40(8):3486~3494 China Environmental Science 不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响栾润宇1,2,徐应明2,高珊1,2,孙约兵2*(1.农业农村部环境保护科研监测所,农业农村部产地环境污染防控重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室,天津 300191;2.东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨 150030)摘要:以鸡粪和稻草秸秆为原料,研究了一次堆肥发酵(包括液体菌剂发酵,L;固体菌剂发酵,S;高温酵素发酵,E),以及连续二次堆肥发酵(高温酵素发酵+液体菌剂发酵,EL;高温酵素发酵+固体菌剂发酵,ES)下有机肥中重金属含量和形态分布规律、理化性质以及有机质变化特征.结果表明,与堆肥前相比,堆肥后鸡粪有机肥pH值显著增加(P<0.05),而EC值和含水率均显著减少(P<0.05).小白菜种子发芽率由堆肥前的高达58.1%下降到堆肥后小于20%.堆肥后重金属由可溶态向难降解残渣态转化,有机肥中Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和As钝化率分别达到27.2%~69.3%、17.1%~50.7%、24.0%~68.7%、16.9%~46.3%、33.1%~54.3%和0.4%~29.5%.腐殖物质和胡敏酸含量显著增加(P<0.05),胡敏酸/富里酸(HA/FA)比值均上升.堆肥中多糖类和脂肪族化合物含量均有所增加,但香族类化合物有所降低.从重金属钝化率、有机肥腐熟度等有机肥无害化指标来看,连续二次发酵效果优于一次发酵,其中EL效果最佳.关键词:鸡粪;堆肥;重金属;无害化;腐殖质中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:1000-6923(2020)08-3486-09Heavy metal and organic matters in the chicken manure under different types of composting. LUAN Run-yu1,2, XU Ying-ming2, GAO Shan1,2, SUN Yue-bing2* (1.Key Laboratory of Original Agro-Environmental Pollution Prevention and Control, MARA/Tianjin key Laboratory of Agro-environment and Agro-product Safety, Agro-Environmental Protection Institute, MARA, Tianjin 300191, China;2.College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China). China Environmental Science, 2020,40(8):3486~3494Abstract:Using chicken manure and straw as raw materials, with one time composting fermentation (including liquid fermentation, L; solid bacterial fermentation, S; high temperature enzyme fermentation, E), and continuous-composting-fermentation (high temperature enzyme fermentation + liquid bacteria Fermentation, EL; high temperature enzyme fermentation + solid bacterial fermentation, ES) to study heavy metal content and morphology distribution, physical and chemical properties and organic matter changes. The results showed that the pH value of chicken manure organic fertilizer increased significantly after composting (P<0.05), while the EC value and water content decreased significantly (P<0.05). The germination rate of Chinese cabbage seeds decreased from 58.1% before composting to less than 20% after composting. After composting, heavy metals were transformed from soluble state to refractory residue state, and the immobilization rates of Cu, Zn, Cr, Cd, Pb and As in chicken organic fertilizer reached 27.2%~69.3%, 17.1%~50.7%, 24.0%~68.7%, 16.9%~46.3%, 33.1%~54.3% and 0.4%~29.5%, respectively, when compared with CK. The content of humic substances and humic acid was significantly increased (P<0.05), and the ratio of humic acid/fulvic acid (HA/FA) was enhanced. The amount of polysaccharides and aliphatic compounds after composting was increased, while the aroma compound was reduced. In view of the harmlessness index of organic fertilizer such as heavy metal immobilization and organic fertilizer maturity, the effect of continuous-fermentation was better than that of once-fermentation, and the EL treatments was the best.Key words:chicken manure;compost;heavy metal;harmless;humus鸡肉已成为我国仅次于猪肉的第二大消费肉类[1],并以平均每年5%~6%的速度持续增长.据统计,2016年家禽出栏总量达到124亿只,禽蛋产量3128万t.为促进动物生长发育、增强抗病能力,通常在集约化养殖过程中向饲料中添加了含有Cu、Zn、As等重金属元素的添加剂.研究发现[2-3],鸡粪重金属含有大量重金属元素并以粪便形式排出体外,导致畜禽粪便和有机肥中重金属含量较高[4],施入农田后造成土壤重金属累积和农产品超标[5-9],对人体健康构成潜在危害.堆肥是实现畜禽固体废弃物无害化和资源化的重要途径.堆肥后,迁移性较强的重金属占比减少,收稿日期:2019-11-26基金项目:国家重点研发计划计划(2017YFD0801402);天津市自然科学基金资助项目(17JCZDJC34200)* 责任作者, 研究员,*******************.cn8期栾润宇等:不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响 3487并向残渣态等较为稳定的形态转化,可以使重金属形态发生钝化从而降低重金属毒性[10-11].郑国砥等[12]研究了猪粪在好氧堆肥下重金属形态变化,发现可交换态和碳酸盐交换态Pb、Ni、Cu、Cr、Zn和As的分配系数均有所降低.猪粪堆肥84d后,有机肥中DTPA提取态Cu和Zn含量分别由堆肥前的115.1和60.0mg/kg降低到31.4和22.0mg/kg[13].王玉军等[14]研究发现,鸡粪堆肥后重金属Hg、Pb、As和Zn的残渣态比例均有不同程度提高.这是由于重金属在堆肥时发生腐殖化作用所致,腐殖质是堆肥中有机物在微生物作用后生成的复杂大分子物质,其稳定性较高.研究显示腐殖质在与重金属的结合上起到了主要作用[15],其中部分官能团具有吸附重金属离子的功能,因此重金属配合物的水溶性决定了被络合重金属的迁移性,分子量较大腐殖质能吸附固定重金属使其形态稳定[16],降低其迁移性.因此堆肥具有改变重金属形态,降低重金属有效性的功能.但目前仅限于传统堆肥中研究,本实验在其研究的基础上,分别采用传统好氧堆肥(液体菌剂和固体菌剂)、高温酵素堆肥以及高温酵素-传统好氧连续堆肥,研究鸡粪有机肥腐熟指标(pH值、E h、含水率和发芽指数)、重金属(含量、形态分布和钝化率)和有机质(腐殖类物质(HS),胡敏酸(HA)、HA/FA和官能团)特征,旨在为鸡粪无害化处理和资源化利用提供参考依据.1材料与方法1.1供试材料实验在天津市武清区某养殖基地进行,鸡粪由该养殖场提供.稻草秸秆选自联丰农产品深加工稻草秸秆,粉碎至秸秆粉备用.酵素、VT-1000液体菌剂(复合微生物菌剂)、固体芽孢杆菌菌剂分别由鑫宏润(天津)农业生物技术服务有限公司、北京沃土天地生物技术有限公司和北京农林科学院生物技术中心提供.1.2实验设计将稻草秸秆与鸡粪以碳氮比为25:1左右进行混合,分成每份7.5kg.发酵方式分为一次发酵:3% VT-1000液体菌剂和芽孢杆菌固体菌剂静态好氧堆肥发酵(泡沫箱中静态堆肥,发酵时间为10d),以及3%酵素发酵(在发酵箱中以60r/min翻转混合物料,保持85℃恒温,发酵3h);连续二次发酵:先在发酵箱高温酵素发酵3h,转移到泡沫箱中,分别加入3%的VT-1000液体菌剂和芽孢杆菌菌剂,进行静态好氧堆肥,发酵时间为10d.静态发酵每隔1d翻堆一次.不同发酵方式分别标记为:S(芽孢杆菌固体菌剂,一次发酵)、L(VT-1000液体菌剂,一次发酵)、E(酵素,一次发酵)、ES(酵素+芽孢杆菌固体菌剂,二次发酵)和EL(酵素+VT-1000液体菌剂,二次发酵).发酵前的混合物料计为CK.各组堆肥结束后分别取部分鲜样进行保存,用于检测pH值、EC、种子发芽率和根长抑制率,其余样品风干处理,用于测定C/N,重金属总量和各形态含量、胡敏酸和富里酸含量及红外光谱分析,每个处理重复3次.1.3分析方法各理化性质的测定:用超纯水浸提鲜样,固液质量比为1:10,pH值采用用赛多利斯科学仪器PB-10型pH计测定,EC值用梅特勒-托利多仪器FiveEasy Plus型电导率仪测定.含水率检测方法为将干燥洁净的培养皿称重并记作M0,选取10g左右的样品放在培养皿中称重记为MI,放入80℃烘箱烘干12h冷却后称重,记为M2,含水率%=(M1-M2)/(M1-M0).种子发芽率的检测选用小白菜种子,取固液质量比为1:20的溶液5mL于底有滤纸的培养皿中,取10粒小白菜种子在(20±1)℃恒温培养箱中培养96h测定发芽率,并设置5mL清水作为对照.种子了芽率GI(%)= (浸提液种子发芽率×平均根长)/(对照组种子发芽率×平均根长)[17].重金属全量及各形态的测定:全量采用HNO3-HClO4(体积比4:1)消解,取0.2g样品放于消煮管中,加入10mL的混合溶液静置过夜,次日用控温消煮炉进行加热消解[18].各形态采取改进的BCR三步提取法测定[19].可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸的提取测定:参照Kumada方法,改进了提取温度和分组方法[20],用重铬酸钾容量法[21]测定可提取腐殖质,富里酸酸组分的碳量.胡敏酸含量=可提取腐殖物质-富里酸.堆肥有机碳红外光谱采用傅里叶红外光谱仪进行定性分析,红外光谱分析委托北京安泰化学测试,在Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱仪上进行,测试波数400~4000cm-1,以高纯KBr压片为标准试剂扣除背景.1.4数据分析堆肥的数据处理采用Origin8.0作图软件进行3488 中 国 环 境 科 学 40卷分析,采用DPS 软件进行相关性分析.分配率及钝化效果分别由下式计算:不同形态重金属质量分数分配率=该重金属总质量分数(1)−堆前分配率堆后分配率有效态钝化率=堆前分配率 (2) 红外光谱官能团半定量分析方法,采用OMNIC 软件吸光度峰面积分析,计算不同官能团相对百分比含量. 2 结果与分析2.1 不同处理堆肥理化性质特征在堆肥结束后鸡粪有机肥理化性质变化如图1所示.由图可见,经过堆肥处理后pH 值均较堆肥前显著增加(P <0.05),增加了0.7~2.4.不同发酵方式下,堆肥pH 值大小表现为EL>L>ES >S>E,且显著高于高温酵素.与一次发酵相比,连续二次发酵后pH 值均有所增加,其中EL 处理显著增加(P <0.05).与之相反,堆肥后,有机肥中EC 值均显著降低(P <0.05),较对照处理降低了18.5%~35.1%,且EL 组EC 值达到有机肥标准.堆肥后鸡粪有机肥含水率较堆肥前显著减少(P <0.05)、连续二次发酵显著低于一次发酵(P <0.05),最大可降低31.8%.在种子发芽率方面,未发酵前鸡粪抑制了小白菜种子发芽,抑制率高达58.1%,发酵后各组处理发芽抑制率均小于20%,各组抑制率由高到低依次为CK> L>E>S>ES>EL,其中连续二次发酵下(ES 、EL)促进了种子发芽.CK S L E ESEL45 6 7 89 p H 值处理CK S L E ES EL0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5E C (m S /c m )处理CK S L E ESEL含水率(%)处理102030405060发芽抑制率(%)处理图1 发酵过程中理化性质的变化Fig.1 Changes in physical and chemical properties during fermentation2.2 不同发酵方式下重金属含量与形态分布表1列出不同处理下鸡粪有机肥重金属含量.由于“浓缩效应”,不同发酵方式下鸡粪有机肥中重金属含量均不同程度增加,与对照相比,堆肥后Cu 、Zn 、Cr 、Cd 、Pb 和As 增幅分别为13.8%~32.5%、13.4%~27.0%、9.1%~21.7%、12.5%~26.9%、16.3%~29.3%和18.6%~27.2%.二次发酵下有机肥重金属含量均高于相应的一次发酵处理,其中EL 处理下,重金属含量达到最高.由图2a 可见,堆肥中Cu 的形态较为稳定,主要以还原态为主.在经过堆肥后,残渣态占比均不同程度升高,而迁移性较强的可交换态均有所降低,对可交换态的钝化效果为连续二次发酵>好氧堆肥>酵素堆肥,其中EL 处理下,Cu 可交换态从堆肥前的8期 栾润宇等:不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响 348917.9%降低到5.5%.表1 不同处理下重金属含量(mg/kg)Table 1 Heavy metal content under different treatments (mg/kg)重金属 CKSLEESEL Cu 31.66 38.35 37.48 36.02 38.98 41.93 Zn 333.12 377.75 390.18381.83 387.01423.02Cr 82.30 95.11 99.98 89.81 95.52 100.12Cd 0.43 0.48 0.52 0.51 0.51 0.54 Pb 6.35 7.39 7.72 7.51 8.22 7.94 As 1.38 1.66 1.645 1.64 1.70 1.76图2b 可见,堆肥后氧化态Zn 比例均有大幅度降低,还原态、残渣态占比则大幅升高, Zn 残渣态占比表现为传统堆肥>酵素堆肥、连续二次发酵>一次发酵,其中EL 处理Zn 可交换态占比降低幅度最大,达12.0%.图2c 为堆肥前后Cr 各形态分布特征.堆肥结束后残渣态均有升高,复合处理组高于单一处理组,最高组EL 从堆肥前75.74%提升至堆肥后88.19%.可交换态占比均降低,降低幅度为复合堆肥>酵素堆肥>传统好氧堆肥,EL 处理下Cr 可交换态比例仅为0.7%.图2d 为堆肥前后Cd 各形态变化.处理后Cd 残渣态和还原态比例不同幅度提高,表现为EL>ES>L>S>E.Cd 可交换态比例不同程度均有降低.鸡粪中Pb 残渣态高达47.8%,可交换态比例最低,仅为2.4%(图2e).连续二次堆肥效果好于单一堆肥,堆肥后残渣态大幅提高,比例大小EL>S>L>ES> E,其中EL 处理下Pb 残渣态比例增加到75.3%.与之相反,Pb 可交换态、氧化态和还原态比例均降低.图2f 为堆肥前后As 各形态变化.与堆肥前鸡粪相比,堆肥结束后As 可交换态、还原态和氧化态比例分别减少了0.1%~11.5%、0.6%~1.6%、4.7%~15.4%,而残渣态比例增加了10.7%~27.8%.连续二次发酵后As 钝化效果均优于一次发酵,其中EL 处理下As 可交换态比例最低,而ES 处理下残渣态比例最高.不同堆肥发酵方式下鸡粪有机肥重金属的钝化率见表2.Cu 、Zn 、Cr 、Cd 、Pb 和As 钝化率分别为27.2%~69.3%、17.1%~50.7%、24.0%~68.7%、16.9%~46.3%、33.1%~54.3%和0.4%~29.5%.鸡粪不同重金属钝化效果整体上表现为Cu>Cr>Pb>Zn> Cd>As;不同发酵方式下,连续二次发酵重金属钝化效果好于一次发酵,即ES>E 和S;EL>S 和L.EL 组下重金属Cu 、Cr 、Pb 、Zn 、Cd 和As 钝化率最高,而在高温酵素发酵(E)处理下Cu 、Zn 和Cd 钝化率最低,在VT -1000液体菌剂(S)下Cr 、Pb 和As 钝化率最低.CK S L E ESEL10 20 30 40 50 60 70 80 90100 处理a. Cu百分比(%)CK S L E ES EL102030405060708090100处理 百分比(%)CK S L E ESEL102090100 处理c. Cr百分比(%)CKSL E ES EL102030405060708090100处理百分比(%)3490中 国 环 境 科 学 40卷CK S L E ESEL10 20 30 40 50 60 70 80 90处理e. Pb百分比(%)CK S LE ES EL102030405060708090100处理百分比(%)图2 不同处理下重金属形态分配率Fig.2 The ratio of heavy metal fraction under different treatments表2 不同处理下重金属钝化率(%)Table 2 Stabilization ration of heavy metals under differenttreatments(%)处理 Cu Zn Cr Cd Pb As S 55.04 40.83 24.03 21.43 33.05 0.38 L 65.40 45.63 33.37 19.40 35.10 21.20 E 27.24 17.06 56.91 16.86 49.58 16.90 ES 58.20 50.50 68.01 43.42 52.21 27.96 EL 69.27 50.69 68.67 46.28 54.30 29.532.3 堆肥前后鸡粪有机肥腐殖质等变化情况由图3可以看出,与初始鸡粪相比,堆肥结束后鸡粪有机肥中腐殖质(HS)和胡敏酸(HA)含量显著增加(P <0.05),对比CK 分别增加了6.5%~ 40.7%和2.2%~91.1%.不同堆肥方式下,腐殖质和胡敏酸含量均呈现出连续二次发酵(ES 和EL)显著高于一次堆肥(S 、L 和E).其中,一次发酵方式下腐殖质和胡敏酸含量表现E>L>S,连续二次发酵中EL> ES.EL 发酵方式下腐殖质和胡敏酸含量较其它处理增加了3.3%~32.1%和1.7%~56.1%.HA/FA 通常用来评估堆肥腐熟度的重要指标,数值越大,表示腐熟堆肥腐殖化程度越高[22].HA/FA 比值与腐殖质和胡敏酸含量变化趋势较为一致,不同堆肥发酵方式下HA/FA 比值均不同程度上增加,表现为ES>EL>E>L>S,显示出连续二次发酵下堆肥腐殖质化程度高.图4显示了不同处理下红外光谱的特征,不同来源的腐殖质相似的化学结构与官能团组成,研究发现具体红外光谱各吸收波段特征峰归属如下[23]:3500~3200cm -1(羟基的氢键伸缩振动和氨基酸中的N -H 伸缩振动); 2915~2935cm -1(脂肪族C -H 伸缩振动,-CH 2-不对称); 2840~2855cm-1(脂肪族C -H 伸缩振动,-CH 2-对称); 1650~ 1620cm -1(酰胺中C=O 、N -H 键的振动);1570~ 1515cm -1(氨基化合物的N -H 变形,C=N 伸缩); 1421~1431cm -1(羧酸分子中的-OH 面内弯曲振动、羧酸盐的C=O 伸缩振动和脂肪族=CH2的摇摆振动);1080~1030cm -1(多糖或多糖类似物的C -O 键以及硅酸盐杂质的Si -O 键伸缩振动).由表3可见,鸡粪堆肥的红外光谱特征基本相似,但不同发酵方式下在410,2940,1560, 1415以及1040cm -1的特征吸收峰强度存在差异,显示出有机肥中腐殖质的结构单元和官能团数量不同.通过对各官能团半定量积分分析发现,与初始鸡粪相比,发酵后在3410,2940cm -1处相关官能团比例分别提高了 2.2%~10.1%和 3.0%~10.1%; 1415cm -1处吸收峰对应的官能团占比仅在S 、L 、ES 处理有所促进;1040cm -1处吸收峰对应的官能团比例分别在S 、L 、ES 和EL 处理下增加,而在1560cm -1的官能团比例受到抑制.CK S LE ES EL204060腐殖物质含量(m g /k g )1215182124胡敏酸含量(m g /k g )0.00.20.40.60.81.0H A /F A处理图3 不同处理下腐殖物质、胡敏酸以及HA/FA 变化情况Fig.3 Change of HS, HA and HA/FA under differenttreatments8期栾润宇等:不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响 3491500 1000 1500 2000 2500 3000 35004000波数(cm-1)图4 不同处理下红外光谱特征Fig.4 Infrared spectral characteristics under differenttreatments表3不同处理下各官能团半定量分析(%)Table 3 Semi-quantitative analysis of functional groups underdifferent treatments(%)波数(cm-1)处理3414 2925 1562 1415 1040 CK 54.29 1.47 17.84 4.88 21.53 S 60.37 1.72 7.60 6.10 24.21 L 60.71 1.65 6.99 6.29 24.36E 56.50 1.50 17.27 4.86 19.86ES 61.65 1.51 7.43 5.63 23.79 EL 64.41 1.55 5.98 3.35 24.712.4讨论堆肥是在微生物的作用下使其腐殖化的过程,堆肥过程中各变化都与微生物的活动密切相关[24-25].由于传统堆肥过程周期较长, 堆肥质量不稳定,因此往堆体添加高效微生物菌剂已成为增加微生物数量、调节菌群结构成为了一个快速有效的方法.本实验在理化性质方面,经过不同堆肥处理后,各组pH值均提高,且与堆肥前差异性显著,这是因为各处理均发生脱氨基作用产生了大量的NH3释放到堆体中,使堆体pH值升高.而酵素处理堆肥后pH值提升值较低,这可能是与所添加酵素中与脱氨酶较少有关,此外添加液体菌剂pH值显著高于固体菌剂,这可能是因为液体菌剂的流动性使其中微生物在堆肥中分布的更均匀.虽然堆肥后所有组pH值均不同程度增加,但均达到微碱性环境(pH值为7.0~9.0),符合有机肥安全生产以及施用的标准[26].电导率反映出了溶液的离子性,较高的电导率不利于堆肥腐熟,好的发酵工艺处理使电导率逐渐降低,可以发现在堆肥后各组EC相比于堆肥前显著降低(P<0.05),未超过抑制作物生长的电导率限制值4.0mS/cm[27].说明其使各离子向稳定态转化,活性降低[28],其中EL的EC值较低,说明其毒性低于其他组.水分是堆肥过程中微生物生长繁殖、有机物分解所必须的条件.堆肥后含水率大幅降低说明发酵过程中释放出的热量不断带出大量水分,堆体代谢旺盛,物料降解效果好.可以看到堆肥后各处里含水率显著降低(P<0.05),但相对于有机肥国家标准含水率20%偏高,可能是由于堆肥时间较短导致.此外复合处理组含水率显著低于单一处理组,可能是因为酵素堆肥后,虽然温度较高杀死了部分微生物,但补充的菌剂仍可继续进行好氧堆肥反应.发芽指数(GI)用于判定堆肥的植物毒性,因未腐熟的堆肥会对植物的生长发育产生不良影响,目前认为GI达到80%~85%时,堆肥就可以认为是没有植物毒性或者说堆肥已达腐熟状态.因此可认为各组在堆肥后已均没有植物毒性,但进行复合处理后发芽指数高于单一处理,说明了复合处理在酵素堆肥后仍可继续进行.有机肥在堆制过程中,由于有机物降解、水分散失、挥发性物质损失等,使得堆体变小,干物质降低,重金属总量都普遍增加,体现出高温酵素堆肥后,与传统堆肥同样表现出一定程度的“相对浓缩效应”.理论上,同一批堆肥中不同重金属总量的增加倍数应该相同,但实际操作中重金属浓度变化的倍数却不一致,如郑国砥等[12]、何增明等[29]研究堆肥后各重金属浓度变化范围也不尽相同.而从各形态来看,液体钝化剂钝化效果好于固体钝化剂效果,芽孢杆菌在堆肥过程中具有保湿性强,有机质分解力强和除臭抑菌等效果,但液体菌剂菌种含量较多,经扩繁后,单一菌种发挥功能有限,且固体菌剂流动性差,因此难以作用于整个堆肥中.此外,好氧堆肥钝化效果好于高温酵素堆肥效果,除Cr和Pb外,传统好氧堆肥可交换态降低率高于高温酵素堆肥,可能是因为堆肥时间的因素,传统好氧堆肥时间往往在10d以上,高温酵素处理时间较短,但研究显示添加菌剂还具有促进有机碳的分解、有机氮的形成和提高腐熟效率更为有利[30],适宜菌剂用量还具有减少氮素损失的作用[31],使腐熟提早完成.而对比单一连续处理发现,连续处理的堆肥可交换态3492 中国环境科学 40卷钝化率普遍低于单一处理,虽然高温酵素处理杀死了发部分微生物,但同时野可起到杀灭病虫害的作用,同时添加的菌剂补充了新的微生物,使发酵可以继续进行.重金属各形态反映了其有效性强弱,其中可交换态生物有效性最强,而钝化率则更直观的反映出各组可交换态钝化效果强弱,因此可直观的看出复合处理对重金属可交换态钝化效果>传统堆肥>单一酵素堆肥.而复合处理组重金属浓度普遍高于单一处理组,说明其有机物料分解的更彻底,部分物料反应后生成NH3和CO2排出致使浓度偏高.腐殖质是堆肥过程中形成的大分子有机化合物,可以通过络合吸附等方式钝化重金属,目前普遍认为其形成与木质素有关[32],根据其在碱中溶解特性可分为胡敏酸(HA),富里酸(FA),胡敏素(Hu),其中主要成分为HA和FA[33],其中低分子量的富里酸水溶性较高,会提高重金属的迁移性和有效性[34],大分子量的HA能吸附固定重金属,降低其迁移性和有效性[16].堆肥后腐殖质含量升高,这是由于物料不断分解,生成腐殖质,与张雪英等[15]研究一致,堆肥后HA/FA升高,这与Hsu等[35]研究一致.由于小分子富里酸水溶性较大[36],因此HA/FA比值的增大,对降低堆肥原料中重金属的迁移性和有效性有重要意义,可发现酵素组在HS和HA堆肥后高于略高于传统好氧堆肥,复合处理高于单一处理,而复合处理组HA/FA高于3组单一处理组,说明了在经过酵素处理后再进行堆肥可以进一步提高HA/FA从而提高重金属钝化效果.由红外光谱法提供了堆肥前后有机质的官能团信息和有机质骨架信息,为堆肥中有机成分的转化提供了有力证据,可发现鸡粪的堆肥样品在3400cm-1处的吸收峰有所增加,表明多糖类的小分子物质增加,其中传统堆堆上升幅度大,说明,所以多糖类的小分子物质增加明显.鸡粪在2930cm-1处的吸收强度略微增加,表明在堆肥过程中脂肪族含量有所增加,此外鸡粪在1560cm-1处的吸收强度明显下降,表明堆肥过程中芳香族类化合物含量降低,堆肥产物的芳香性减弱,与于子旋等[37]研究一致,减弱效果为复合处理>传统堆肥>高温酵素堆肥.由于堆肥原料的结构复杂,不同基团的吸收峰互相重叠干扰,仅根据红外光谱很难准确解释堆肥期间物质的化学结构变化,需要利用更有效、更先进的技术研究堆肥过程中物质的结构变化,如固态核磁技术等.3结论3.1与堆肥前相比,不同堆肥方式下鸡粪有机肥pH值明显增加(P<0.05);EC值显著降低(P<0.05),其中EL处理达到有机肥标准,含水率也显著下降(P<0.05).堆肥前种子发芽抑制率达到50%以上,堆肥后均低于20%,其中ES和EL下促进了种子发芽.3.2堆肥后各组处理重金属浓度均有所增加,但可交换态占比均不同幅度降低,残渣态含量上升,有机肥中重金属Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和As可交换态钝化率最大分别可达69.3%、50.7%、68.7%、46.3%、54.3%和29.5%.3.3在不同处理堆肥后,HS、HA含量均增加且不同堆肥方式间差异性显著(P<0.05),HF/HA比值增加;有机肥中多糖类小分子物质增加,脂肪族含量有所增加,而芳香族类化合物含量降低,连续二次发酵下腐殖化程度更高.参考文献:[1] 丁存振,肖海峰.中国肉类产量变量特征及因素贡献分解研究 [J].世界农业, 2017(6):142-149.Ding C, Xiao H. Study on the characteristics of Chinese meat yield variables and factor contribution decomposition [J]. World Agriculture, 2017,(6):142-149.[2] 蹇慧,李应国,刘力,等.重庆市部分地区养猪生产中重金属污染情况研究 [J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2007,32(3):69-73.Jian H, Li Y, Liu L, et al. Preliminary research on heavy metal pollution in pig production in some areas of Chongqing [J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science), 2007,32(3): 69-73.[3] 迪娜·吐尔生江,贾宏涛,王农,等.黄淮海地区商品鸡饲料中重金属含量特征研究 [J]. 农业环境科学学报, 2018,37(11):2603-2612.Dina T, Jia H, Wang N, et al. Characteristics of heavy metals in chicken feeding stuff of the H uang-huai-hai Region [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018,37(11):2603-2612.[4] 王飞,赵立欣,沈玉君,等.华北地区畜禽粪便有机肥中重金属含量及溯源分析 [J]. 农业工程学报, 2013,29(19):202-208.Wang F, Zhao L, Shen Y, et al. Analysis of heavy metal contents and source tracing in organic fertilizer from livestock manure in North China [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013,29(19):202-208.[5] 严莲英,刘桂华,秦松,等.畜禽粪便堆肥中抗生素和重金属残留及控制研究进展 [J]. 江西农业学报, 2016,28(9):90-94.Yan L, Liu G, Qin S, et al. Research progress in residue and control of antibiotics and heavy metals in animal manure [J]. Acta Agriculturae8期栾润宇等:不同发酵方式对鸡粪重金属及有机质影响 3493Jiangxi, 2016,28(9):90-94.[6] 姚丽贤,操君喜,李国良,等.连续施用养殖场鸡、鸽粪对土壤养分和重金属含量的影响 [J]. 环境科学, 2007,28(4):4819-4825.Yao L, Cao J, Li G, et al. Effect of continuous application of chicken and pigeon manure from poultry farms on concentrations of soil nutrients and heavy metals [J]. Environmental Science, 2007,28(4): 4819-4825.[7] 姜萍,金盛杨,郝秀珍,等.重金属在猪饲料-粪便-土壤-蔬菜中的分布特征研究 [J]. 农业环境科学学报, 2010,29(5):942-947.Jiang P, Jin S, H ao X, et al. Distribution characteristics of heavy metals in feeds, pig manures, soils and vegetables [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010,29(5): 942-947.[8] 李杰,祝凌,仝利红,等.蔬菜温室长期种植下土壤重金属累积风险评价 [J]. 农业环境科学学报, 2018,37(10):2159-2165.Li J, Zhu L, Tong L, et al. Risk assessment of heavy metals accumulation in soils under long-term greenhouse vegetable cultivation conditions [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018,37(10):2159-2165.[9] Rosen V, Chen Y. Effects of compost application on soil vulnerabilityto heavy metal pollution [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018,25(35):35221-35231.[10] Wang Y, Xu Y, Li D, et al. Vermicompost and biochar as bio-conditioners to immobilize heavy metal and improve soil fertility on cadmium contaminated soil under acid rain stress [J]. Science of the Total Environment, 2017,621:1057.[11] Zhu W, Yao W, Shen X, et al. Heavy metal and δ13C value variationsand characterization of dissolved organic matter (DOM) during vermicomposting of pig manure amended with 13C-labeled rice straw [J]. Environmental Science & Pollution Research, 2018,25:20169-20178.[12] 郑国砥,陈同斌,高定,等.好氧高温堆肥处理对猪粪中重金属形态的影响 [J]. 中国环境科学, 2005,25(1):0-0.Zheng G, Chen T, Gao D, et al. Influence of high temperature aerobic composting treatment on the form of heavy metals in pig manure [J].China Environmental Science, 2005,25(1):6-9.[13] Meng J, Wang L, Zhong L B, et al. Contrasting effects of compostingand pyrolysis on bioavailability and speciation of Cu and Zn in pig manure [J]. Chemosphere, 2017,180:93-99.[14] 王玉军,窦森,李业东,等.鸡粪堆肥处理对重金属形态的影响 [J].环境科学, 2009,30(3):913-917.Wang Y, Dou S, Li Y, et al. Speciation change of heavy metals during composting process of chicken manure [J]. Environmental Science, 2009,30(3):913-917.[15] 张雪英,周顺桂,周立祥,等.堆肥处理对污泥腐殖物质形态及其重金属分配的影响 [J]. 生态学杂志, 2004,23(1):30-33.Zhang X, Zhou S, Zhou L, et al. Component changes of humic substances and heavy metal distribution before and after sewage sludge composting [J]. Chinese Journal of Ecology, 2004, 23(1):30-33.[16] Brown S, Chaney R, Hallfrisch J, et al. In situ soil treatments to reducethe phyto- and bioavailability of lead, zinc, and cadmium [J]. Journal of Environment Quality, 2004,33(2):522.[17] 沈玉君,李国学,任丽梅,等.不同通风速率对堆肥腐熟度和含氮气体排放的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2010,29(9):1814-1819.Shen Y, Li G, Ren L, et al. The impact of composting with different aeration rates on maturity variation and emission of gas concluding N [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010,29(9):1814-1819. [18] 董占荣,陈一定,林咸永,等.杭州市郊规模化养殖场猪粪的重金属含量及其形态 [J]. 浙江农业学报, 2008,20(1):35-39.Dong Z, Chen Y, Lin X, et al. Investigation on the contents and fractionation of heavy metals in swine manures from intensive livestock farms in the suburb of H angzhou [J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2008,20(1):35-39.[19] 刘甜田,何滨,王亚韩,等.改进BCR法在活性污泥样品重金属形态分析中的应用 [J]. 分析试验室, 2007,26(z1):17-20.Liu T, He B, Wang Y, et al. Application of improved BCR method in heavy metal speciation analysis of activated sludge samples [J].Chinese Journal of Analysis Laboratory, 2007,26(z1):17-20. [20] 窦森,于水强,张晋京.不同CO2浓度对玉米秸秆分解期间土壤腐殖质形成的影响 [J]. 土壤学报, 2007,44(3):458-466.Dou S, Yu S, Zhang J. Effects of carbon dioxide concentration on humus formation in corn stalk decomposition [J]. Acta Pedologica Sinica, 2007,44(3):458-466.[21] 杨坤,李军营,杨宇虹,等.不同钝化剂对猪粪堆肥中重金属形态转化的影响 [J]. 中国土壤与肥料, 2011,(6):43-48.Yang K, Li J, Yang Y, et al. Effect of passivator on form transformation of heavy metal in composting of pig manure [J]. Soils and Fertilizers Sciences in China, 2011,(6):43-48.[22] 熊雄,李艳霞,韩杰,等.堆肥腐殖质的形成和变化及其对重金属有效性的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2008,27(6):2137-2142.Xiong X, Li Y, Han J, et al. Formation and transformation of humus in composting and its impacts on bioavailability of toxic metals [J].Journal of Agro-Environment Science, 2008,27(6):2137-2142. [23] 孟安华,吴景贵.不同处理牛粪对植菜土壤腐殖质结构特征的影响[J]. 水土保持学报, 2015,29(4):223-228.Meng A, Wu J. Effects of different cow dung treatments on humus structure of vegetable planting soil [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015,29(4):223-228.[24] 丁文川,李宏,郝以琼,等.污泥好氧堆肥主要微生物类群及其生态研究 [J]. 重庆大学学报, 2002,25(6):113-116.Ding W, Li H, Hao Y, et al. Research on main microorganism groups and their ecological law in aeration sludge composting process [J].Journal of Chongqing University(Natural Science Edition), 2002,25(6): 113-116.[25] 袁月祥,廖银章,刘晓风,等.有机垃圾发酵过程中的微生物研究 [J].微生物学杂志, 2002,22(1):22-23.Yuan Y, Liao Y, Liu X, et al. Study on microbes in the fermentation of organic refuse [J]. Journal of Microbiology, 2002,22(1):22-23.[26] 鲍艳宇,周启星,颜丽,等.畜禽粪便堆肥过程中各种氮化合物的动态变化及腐熟度评价指标 [J]. 应用生态学报, 2008,19(2):374-380.Bao Y, Zhou Q, Yan L, et al. Dynamic changes of nitrogen forms in live stock manure during composting and relevant evaluation indices of compost maturity [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008,19(2):374-380.[27] 鲍仕旦.土壤农化分析 [M]. 北京:中国农业出版社, 2000.Bao Shidan. Soil agricultural analysis. [M]. BeiJing: Agricultural Press。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第35卷第11期2014年11月环 境 科 学ENVIRONMENTAL SCIENCEVol.35,No.11Nov.,2014鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究卜贵军1,2,于静3,邸慧慧4,罗世家1,2,周大寨1,肖强1,2∗(1.湖北民族学院生物资源保护与利用湖北省重点实验室,恩施 445000;2.湖北民族学院林学园艺学院,恩施 445000;3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;4.湖北省烟草公司恩施州公司,恩施 445000)摘要:采用离子色谱、三维荧光光谱、紫外⁃可见吸收光谱和多元统计分析,研究了鸡粪堆肥水溶性有机物(DOM)和重金属组成与演化特性,探究了有机物演化对重金属生物有效性的影响及其机理.结果显示,堆肥升温期和高温期有机物降解最为剧烈,产生了大量苹果酸、酒石酸、乙酸和草酸,其浓度分别在2097.55~2155.61、39.24~51.58、12.52~12.90及1.68~2.31mg ·L -1之间;堆肥降温期和二次发酵过程,蛋白类物质降解,腐殖质类物质合成,DOM 的腐殖化率和缩合度增大,稳定性增强.堆肥过程中水溶态重金属中Fe 的浓度(1.069~7.106mg ·L -1)最高,Al、As、Cr、Cu 和Mn 的浓度(0.1~1.008mg ·L -1)其次,Pb 的浓度(0.003~0.02mg ·L -1)最低,随着堆肥的进行水溶态重金属含量呈下降趋势(Al 除外),相关性分析显示,水溶态重金属主要结合在腐殖质类物质上,生物可利用性低.分析结果表明,堆肥可通过降低水溶态重金属的含量和将水溶态重金属络合在腐殖质类物质上降低产品中重金属的生物有效性.关键词:鸡粪;堆肥;有机物;重金属;生物有效性中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:0250⁃3301(2014)11⁃4352⁃07 DOI :10.13227/j.hjkx.2014.11.043收稿日期:2014⁃03⁃31;修订日期:2014⁃05⁃04基金项目:国家自然科学基金项目(31260057);湖北省科技厅自然科学基金项目(B2013077);生物资源保护与利用湖北省重点实验室第四批开放基金项目(PKLHB1322)作者简介:卜贵军(1981~),男,讲师,主要研究方向为物质微观结构,E⁃mail:379977049@∗通讯联系人,E⁃mail:hbmysws@Influence of Organic Matter Evolution During Composting on the Bioavailability of Heavy MetalsBU Gui⁃jun1,2,YU Jing 3,DI Hui⁃hui 4,LUO Shi⁃jia 1,2,ZHOU Da⁃zhai 1,XIAO Qiang 1,2(1.Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province,Hubei Minzu University,Enshi 445000,China;2.College of Forest and Horticulture,Hubei Minzu University,Enshi 445000,China;3.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention and Geological Environment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;4.Enshi TobaccoCompany of Hubei Province,Enshi 445000,China)Abstract :Ion chromatography,fluorescence spectroscopy,UV⁃visible absorption spectroscopy and multivariate statistical analysis were applied to study the composition and evolution characteristics of dissolved organic matter (DOM)and heavy metal extracted from chicken manure during composting,and the influence of organic matter evolution on the bioavailability of these heavy metals was further investigated.The result showed that,a large number of organic acids were generated during the active stage,and their concentrationswere in the range of 2097.55⁃2155.61mg ·L -1,39.24⁃51.58mg·L -1,12.52⁃12.90mg ·L -1and 1.68⁃2.31mg ·L -1,respectively.During the curing stage,protein⁃like matter was degraded,whereas humic⁃like substances were formed,which increased the humification degree,condensation degree and stability of DOM.The content (1.069⁃7.106mg ·L -1)of dissolved iron ranked first during composting,that of dissolved Al,As,Cr,Cu and Mn (0.1⁃1.008mg ·L -1)ranked second,and the concentration of dissolved lead was the lowest.Concentrations of all heavy metals decreased during composting except aluminum.Furthermore,the result from correlation analysis showed that these dissolved heavy metals were bound with DOM,and their bioavailability was low.It could be concluded that,the bioavailability of the heavy metals in chicken manures became lower through the decrease of dissolved heavy metals and the binding between dissolved heavy metals and humic⁃like substances.Key words :chicken manure;composting;organic matter;heavy metals;bioavailability 堆肥是畜禽粪便常用的一种处理方式,在堆肥过程中,一部分有机物在微生物作用下降解成二氧化碳、水及氨等物质,导致堆体减容减重;另一部分有机物在微生物的作用下转化为富里酸、胡敏酸及胡敏素类等腐殖质物质,增强了堆肥的稳定度[1~3].堆肥过程中,大部分有机物只有在溶于水后才能被微生物利用,因此,水溶性有机物(DOM)是研究堆肥物质转化的重要介质,它比固相有机质更能灵敏反映堆肥过程物质演化特征[4~6].此外,堆肥DOM 中含有的有机酸和腐殖酸类物质,能够吸附和络合重金属,引起后者存在形态和生物有效网络出版时间:2014-10-21 13:50网络出版地址:/kcms/doi/10.13227/j.hjkx.2014.11.043.html11期卜贵军等:鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究性的改变[7].因此,近年来,相关学者采用各种技术如荧光光谱、红外光谱及离子色谱等[7~9],对堆肥DOM组成和结构进行分析,探究堆肥物质演化规律及其环境效应.畜禽粪便中含有一定量的重金属,堆肥过程有机物降解造成的“浓缩效应”进一步提高了其含量,使重金属成为堆肥农用的一个重要限制因子[5].按照Tissier的五步提取法,堆肥重金属可分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态,在这5种形态的重金属中,可交换态中水溶态重金属的活性最高,对植物的生物有效性最大,其他各种形态的重金属,包括与有机物结合的部分,通常情况下不参与对植物的供给,生物有效性较低[10].因此,研究畜禽粪便堆肥过程水溶态重金属的含量及其变化特征,对于堆肥产品农用风险评价具有重要意义,而这一方面目前国内外鲜有报道.基于此,采集不同堆肥阶段的鸡粪样品,利用离子色谱、三维荧光光谱、紫外⁃可见吸收光谱和质谱,分别对这些样品浸提液中的小分子有机酸、腐殖质和重金属的含量和变化进行分析,研究堆肥有机物演化对重金属生物有效性的影响特征及其机制,以期为堆肥产品农用风险评价提供科学依据.1 材料与方法1.1 堆肥过程与样品采集于养殖场采集鸡粪,剔除其中的羽毛、石块和塑料等杂物后,往里面添加剁至3~5cm的杂草和树叶,调堆体混合物C/N=26.5,含水率56%后,在一个自制的静态堆肥反应器中强制通风进行堆肥,堆肥过程温度上升迅速,第5d温度超过60℃,随后一直维持在60℃以上,第10d进行翻堆,随后温度开始缓慢下降,第32d降至室温.加水翻堆进行二次发酵,第42d二次发酵结束,于堆肥的0、5、10、32及42d采集堆肥样品,放置冰箱冷藏备用.1.2 水溶性有机物提取制备以堆肥干重固液比1(g)∶10(mL)将鸡粪样品与双蒸水混合,浸提振荡12h后,4℃下高速离心15 min,上清液过0.45μm滤膜,收集滤液,滤液中DOM含量(以溶解性有机碳DOC计)采用德国耶拿公司生产的multi N/C2100型TOC仪测定.1.3 离子色谱测定及数据处理采用美国戴安公司生产的ICS⁃2000离子色谱仪、ED40电化学检测器和Chromeleon6.5色谱工作站测定堆肥DOM中的小分子有机酸(乙酸、琥珀酸、苹果酸、草酸、酒石酸),离子色谱其他测试条件以及样品中腐殖质的去除参考文献[11]进行.测定完后将所有有机酸加和,得到总酸含量.1.4 荧光光谱测定及数据处理将所有滤液稀释50倍后,采用日本日立公司生产的F⁃7000荧光分光光度计,测定激发波长(E x) 200~400nm,发射波长(E m)280~500nm范围内的三维荧光光谱图,并以双蒸水的三维荧光图为空白进行扣除,随后数据导出,参考He等的报道[4],在Matlab7.0b上,计算三维荧光光谱中区域200~250 nm/280~330nm、200~250nm/330~380nm、200 ~250nm/380~500nm、>250nm/280~380nm、>250nm/380~500nm范围内的体积积分,其值分别标记为v1、v2、v3、v4及v5.1.5 紫外⁃可见光谱测定及数据处理将所有滤液以双蒸水稀释50倍后,采用日本岛津公司生产的UV1700紫外⁃可见分光光度计,测定190~670nm范围内的紫外吸收值.参考前人报道[12],计算260~280、460~480及600~670nm波长范围内的积分面积A1、A2及A3.1.6 重金属测定及数据分析采用美国热电公司生产的ICP⁃OES重金属测定仪,测定堆肥滤液中Al、As、Cr、Cu、Fe、Mn和Pb的浓度.并在SPSS16.0上,对重金属和堆肥有机物进行相关性分析和主成分分析[5],研究堆肥过程水溶性有机物演化对重金属分布的影响.2 结果与讨论2.1 堆肥过程有机物降解研究根据前人的报道可知[13,14],堆肥过程有机质的演化可分为降解、腐殖化及进一步聚合和压缩这3个过程.降解的中间产物为小分子有机酸,腐殖化的产物为腐殖酸,而高度聚合化的结果是堆肥有机物分子聚合度的提高.因此,本研究从堆肥过程小分子有机酸、腐殖酸和高聚合度有机物的组成和变化来分析堆肥过程DOM的演化特征及其机制.表1为不同堆肥阶段DOM中小分子有机酸的含量,该表显示,乙酸在整个堆肥过程中均能检测到,为堆肥中最常见的小分子有机酸,但是堆肥DOM中乙酸浓度较低,在堆肥过程中其分布在2.24 ~13.04mg·L-1之间;琥珀酸在堆肥初期和高温期均未检测到,直到堆肥结束时才检测到,其浓度(66.1mg·L-1)较高;苹果酸为堆肥DOM中浓度最3534环 境 科 学35卷高的小分子有机酸,其在堆肥初期和高温期的浓度超过2000mg·L-1,但是,该酸在一次发酵结束和二次发酵过程均未检测到,暗示苹果酸主要为有机物降解中间产物;堆肥DOM中草酸的浓度分布在1.68~2.39mg·L-1,但是该酸堆肥初始和一次发酵结束均未检测到;酒石酸在一次发酵过程中的浓度分布在39.24~51.58mg·L-1之间,二次发酵产物中未检测到.表1 鸡粪堆肥过程小分子有机酸含量变化1)/mg·L-1Table1 Changes in the content of organic acids during chicken manure composting/mg·L-1时间/d乙酸琥珀酸苹果酸草酸酒石酸总酸012.90nd2097.55nd39.242149.69 512.52nd2155.612.3643.092213.58 1012.79nd2136.941.6851.582202.99 322.24nd nd nd46.7048.94 4213.0466.10nd2.39nd81.53 1)nd表示未检测到 总体看来,各种有机酸主要出现在一次发酵过程中,尤其是一次发酵的高温期,其浓度含量最高(>2200mg·L-1),而在二次发酵过程中,有机酸的含量较低(<100mg·L-1),许多小分子有机酸未检测到,李英军等对鸡粪堆肥样品浸提液中小分子有机酸含量的分析也得到了类似的结果[11].由于小分子有机酸来自堆肥有机物的降解,其含量可以直接反映堆肥过程有机物的降解剧烈程度,故上述结果表明,鸡粪堆肥过程有机物的降解主要发生在堆肥初期和高温期,而在堆肥后期和二次发酵过程中,有机物降解较少.2.2 堆肥过程有机物腐殖化研究堆肥腐殖化的产物是腐殖酸类物质,腐殖酸中由于含有大量的苯环结构,在吸收一定的光能后能够产生荧光,所产生的荧光光谱特征与腐殖酸分子结构直接有关,因此,本研究采用三维荧光光谱研究堆肥过程有机物的腐殖化过程[12].不同堆肥阶段DOM的三维荧光光谱如图1所示,该图显示,鸡粪DOM的三维荧光光谱图主要有4个荧光峰,其峰位值分别位于270nm/350nm、245nm/375nm、225nm/365nm及325nm/420nm 附近,根据前人的报道可知,前3个荧光峰为类蛋白荧光峰,而第4个荧光峰为类腐殖质荧光峰[15,16].在这4个荧光峰中,前3个类蛋白荧光峰强度较高,而第4个类腐殖质荧光峰强度较弱,并且文献[15 ~17]所报道的类腐殖质峰中的另外一个峰———类富里酸峰,在本研究中未观察到,可能被附近的类蛋白峰掩盖了.He等[4]对生活垃圾堆肥过程DOM三维荧光光谱的研究也显示,堆肥DOM组成复杂,不同荧光基团产生的荧光峰可能相互重叠.为研究堆肥过程类蛋白和类腐殖质物质含量变化,本研究将堆肥DOM的三维荧光光谱根据文献报道分为5个区域[4],其中区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ为类蛋白物质,而区域Ⅲ和Ⅴ为类腐殖质物质[17].图2为5个区域对应的体积在堆肥过程中的变化图,其中显示,堆肥过程区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ在初期(0~5d)呈上升趋势,随后其浓度下降,总体呈下降趋势,显示堆肥过程类蛋白物质在发酵初期不断增多,随后不断降低.初期的增多可能与微生物活动旺盛、大量不可溶的蛋白类物质被溶出和释放有关,而后期的降低与这一时期类蛋白物质大部分被降解有关.与类蛋白物质不同,类腐殖质荧光区Ⅲ和Ⅴ在堆肥初期呈下降趋势,而在后期和二次发酵过程该值明显上升,显示堆肥初期简单的类腐殖质物质也不断被降解和转化,在堆肥后期腐殖质不断被合成,含量增加,即堆肥过程腐殖化作用主要发生在堆肥后期和二次发酵过程中.2.3 堆肥过程有机物聚合化研究前人研究显示,在有机物的紫外⁃可见吸收光谱中,波长260~280nm、460~480nm和600~700 nm范围内的吸收值A1、A2和A3依次与苯环化合物含量、开始腐殖化有机物的含量及高度聚合有机物的含量有关[18].图3(a)显示,堆肥初期(0~5d)A1的积分面积呈下降趋势,而在随后的5~32d又呈上升趋势,尤其是在堆肥的5~10d上升最为剧烈,显示在堆肥升温期苯环化合物不断减少,在堆肥的高温期和降温期苯环化合物不断增多,表明堆肥升温期是有机物的降解期,而高温期和降温期由于苯环化合物在合成腐殖质物质,其浓度不断升高,二次发酵过程中A1的下降可能与这一时期主要出于厌氧过程,苯环化合物被降解有关.堆肥过程A2和A3的变化与A1类似,其上升最为剧烈的为堆肥5~10 d,显示这一时期是有机物腐殖化和缩合化最为剧烈的时期.453411期卜贵军等:鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究(a)、(b)、(c)、(d)、(e)依次为0、5、10、32、42d 堆肥样品图1 鸡粪堆肥过程水溶性有机物三维荧光光谱图变化Fig.1 Changes in the three dimensional fluorescence spectra ofdissolved organic matter during chicken manurecomposting 图2 鸡粪堆肥过程不同荧光组分的变化特征Fig.2 Change characteristics of different florescence fractionsduring chicken manure composting 根据前人的报道[12,18],腐殖化指数被定义为面积A 2与A 1的比值(A 2/A 1)、A 3与A 1的比值(A 3/A 1)以及A 3、A 2之和与A 1的比值(A 3+2/A 1).A 2/A 1反映了木质素在开始转化时的比例,A 3/A 1表示了腐殖化物质和非腐殖化物质的比例,而A 3+2/A 1可表征腐殖化与非腐殖化物质的相关性,该值增加速率越快,腐殖化水平越大.图3(b)显示,A 2/A 1、A 3/A 1及A 3+2/A 1在堆肥的0~10d 呈不断上升趋势,这依次说明堆肥中木质素在开始转化时的含量越来越高、腐殖化物质与非腐殖化物质的比率越来越高、以及腐殖化增大水平越来越大(即有机物缩合度不断提高).在随后的降温期,A 2/A 1和A 3/A 1呈下降趋势,显示可转化的木质素的含量和腐殖质物质的相对含量不断减少,即部分缩合度不高的芳构化物质被降解了,但是,在二次发酵过程中,A 2/A 1、A 3/A 1及A 3+2/A 1值又开始上升,显示二次发酵提高了堆肥的腐殖化率和有机物分子的聚合度.综合以上结果可以知道,堆肥过程有机物的腐殖化和高度聚合化主要发生在高温期和二次发酵过程.2.4 堆肥过程水溶性重金属变化分析在堆肥中的各形态的重金属中,水溶态重金属的活性最高,其最容易被植物利用,毒性最强.因此,本研究分析了堆肥过程水溶态重金属的含量及其变化,结果如表2所示.在所分析的7种重金属中,Fe 的浓度最高,其在堆肥过程中的浓度分布在1.069~7.106mg ·L -1之间;Al、As、Cr、Cu 和Mn 的浓度分布在0.1~1.008mg ·L -1之间,显著低于Fe 的含量;堆肥浸提液中浓度最低的重金属为Pb,其值在0.003~0.02mg ·L -1范围内,不足其他重金属的十分之一.Al 在堆肥过程中的变化波动较大,经堆肥后其浓度由0.027mg ·L -1上升至0.744mg·L -1,显示堆5534环 境 科 学35卷 图3 鸡粪堆肥过程特征紫外吸收参数变化表3显示,除了Al外,堆肥浸提液中的DOM的浓度(DOC)随重金属含量增加呈增加态势,但是堆肥DOC与重金属浓度未呈现显著相关性,这一结果表明,堆肥浸提液中并不是所有的有机物都能影响重金属的分布;相关分析也表明,堆肥DOM中的小分子有机酸含量与重金属未呈现出显著相关(数据未列出),因此可以知道这一部分有机物在堆肥过程对重金属分布影响不大;除了小分子有机酸外,腐殖质和蛋白类物质也是堆肥DOM的重要组成组分,因此,本研究对堆肥浸提液中的重金属与腐殖质及蛋白类物质进行了相关性分析,结果显示,堆肥浸提液中As和Cu的含量与区域体积v5(类腐殖质物著相关,但是其相关性指数高于类蛋白和类富里酸物质,显示浸提液中大部分Pb和Mn也与类腐殖质物质结合在一起,生物有效性也低.Cr和Fe含量与类腐殖质在堆肥过程呈现相同的变化趋势,但是二者相关性较差,这可能分别来自于下列原因:Cr可以阴离子的形式存在,导致其与重金属结合很难;而Fe在堆肥过程中,可以通过还原作用由溶解度较低的三价铁转化为溶解度较高的二价铁[24].Al与区域体积v5(腐殖质物质)呈现负相关,而与区域v1和v2(类蛋白物质)正相关,显示浸提液中Al主要结合在易微生物利用的类蛋白物质上,生物可利用性高.653411期卜贵军等:鸡粪堆肥有机物演化对重金属生物有效性影响研究表3 堆肥样品中水溶性重金属与有机物含量相关性分析1)Table 3 Correlation analysis between dissolved heavy metals and organic matter in the compost sampleDOC12345Al -0.8240.6910.715-0.123-0.033-0.925∗0.0870.1960.1740.8440.9580.024As 0.805-0.940∗-0.7950.623-0.3290.943∗0.10.0170.1080.2620.5890.016Cr 0.312-0.462-0.647-0.271-0.1070.5580.610.4330.2380.6590.8640.328Cu 0.662-0.828-0.8430.223-0.2580.884∗0.2240.0830.0730.7180.6750.046图4 堆肥样品中水溶性重金属和有机物的主成分分析Fig.4 Principal factor analysis among dissolved heavy metalsand organic matter in the compost sample目前对于重金属生物有效性研究最新的技术为薄膜扩散梯度技术(diffusive gradients in thin⁃films technique,DGT)[26],它是目前为止模拟生物吸收较好的一种新型原位采集并测量重金属生物有效性的技术[27].DGT 技术所测量的重金属有效态是由结品中Al、As、Cr、Cu、Fe、Mn 及Pb 的生物有效性.参考文献院[1] Fuentes M,González⁃Gaitano G,García⁃Mina J M.Theusefulness of UV⁃visible and fluorescence spectroscopies to study the chemical nature of humic substances from soils and composts[J].Organic Geochemistry,2006,37(12):1949⁃1959.[2] Yu G H,Tang Z,Xu Y C,et al .Multiple fluorescence labelingand two dimensional FTIR⁃13C NMR heterospectral correlationspectroscopy to characterize extracellular polymeric substances in biofilms produced during composting[J].Environmental Science&Technology,2011,45(21):9224⁃9231.[3] Wei Z M,Xi B D,Zhao Y,et al .Effect of inoculating microbesin municipal solid waste composting on characteristics of humic acid[J].Chemosphere,2007,68(2):368⁃374.7534环 境 科 学35卷[4] He X S,Xi B D,Wei Z M,et al.Spectroscopic characterizationof water extractable organic matter during composting of municipalsolid waste[J].Chemosphere,2011,82(4):541⁃548. [5] 李丹,何小松,席北斗,等.生活垃圾堆肥渗滤液污染物组成与演化规律研究[J].环境科学,2013,34(7):422⁃428. [6] 赵越,何小松,席北斗,等.鸡粪堆肥有机质转化的荧光定量化表征[J].光谱学与光谱分析,2010,30(6):1555⁃1560.[7] He X S,Xi B D,Pan H W,et al.Characterizing the heavymetal⁃complexing potential of fluorescent water⁃extractableorganic matter from composted municipal solid wastes usingfluorescence excitation⁃emission matrix spectra coupled withparallel factor analysis[J].Environmental Science and PollutionResearch,2014,21(13):7973⁃7984.[8] 何小松,席北斗,魏自民,等.堆肥过程中水溶性有机物常规荧光与固体表面荧光光谱比较[J].农业工程学报,2010,26(10):272⁃276.[9] 李鸣晓,何小松,刘骏,等.鸡粪堆肥水溶性有机物特征紫外吸收光谱研究[J].光谱学与光谱分析,2010,30(11):3081⁃3085.[10] 王玉军,窦森,李业东,等.鸡粪堆肥处理对重金属形态的影响[J].环境科学,2009,30(3):913⁃917. [11] 李英军,何小松.鸡粪堆肥水溶性有机物转化特性研究[J].环境工程学报,2010,4(9):2135⁃2140.[12] 杨楠,于会彬,宋永会,等.应用多元统计研究城市河流沉积物孔隙水中DOM紫外光谱特征[J].环境科学学报,2014,2014,34(7):1751⁃1757.[13] Zbytniewski R,Buszewski B.Characterization of natural organicmatter(NOM)derived from sewage sludge compost.Part2:multivariate techniques in the study of compost maturation[J].Bioresource Technology,2005,96(4):479⁃484. [14] He X S,Xi B D,Jiang Y H,et al.Elemental and spectroscopicmethods with chemometric analysis for characterizing compositionand transformation of dissolved organic matter during chickenmanure composting[J].Environmental Technology,2012,33(17):2033⁃2039.[15] Marhuenda⁃Egea F C,Martínez⁃Sabater E,JordáJ,et al.Dissolved organic matter fractions formed during composting ofwinery and distillery residues:Evaluation of the process byfluorescence excitation⁃emission matrix[J].Chemosphere,2007,68(2):301⁃309.[16] Shao Z H,He P J,Zhang D Q,et al.Characterization of water⁃extractable organic matter during the biostabilization of municipalsolid waste[J].Journal of Hazardous Materials,2009,164(2⁃3):1191⁃1197.[17] Chen W,Westerhoff P,Leenheer J A,et al.Fluorescenceexcitation⁃emission matrix regional integration to quantify spectrafor dissolved organic matter[J].Environmental Science andTechnology,2003,37(24):5701⁃5710.[18] Albrecht R,Le Petit J,Terrom G,et parison betweenUV spectroscopy and nirs to assess humification process duringsewage sludge and green wastes co⁃composting[J].BioresourceTechnology,2011,102(6):4495⁃4500.[19] Knoth de Zarruk K,Scholer G,Dudal Y.Fluorescencefingerprints and Cu2+⁃complexing ability of individual molecularsize fractions in soil⁃and waste⁃borne DOM[J].Chemosphere,2007,69(4):540⁃548.[20] Zhou L X,Yang H,Shen Q R,et al.Fractionation andcharacterization of dissolved organic matter derived from sewagesludge and composted sludge[J].Environmental Technology,2000,21(7):765⁃771.[21] Jensen D L,Ledin A,Christensen T H.Speciation of heavymetals in landfill⁃leachate polluted groundwater[J].WaterResearch,1999,33(11):2642⁃2650.[22] Calace N,Liberatori A,Petronio B M,et al.Characteristics ofdifferent molecular weight fractions of organic matter in landfillleachate and their role in soil sorption of heavy metals[J].Environmental Pollution,2001,113(3):331⁃339. [23] Kalbitz K,Geyer W,Geyer S.Spectroscopic properties ofdissolved humic substances—a reflection of land use history in afen area[J].Biogeochemistry,1999,47(2):219⁃238. [24] He X S,Xi B D,Cui D Y,et al.Influence of chemical andstructural evolution of dissolved organic matter on electron transfercapacity during composting[J].Journal of Hazardous Materials,2014,268(15):256⁃263.[25] 何小松,余红,席北斗,等.填埋垃圾浸提液与地下水中污染物组成差异及成因[J].环境科学,2014,35(4):187⁃194.[26] Davison W,Zhang H.In situspeciation measurements of tracecomponents in natural waters using thin⁃film gels[J].Nature,1994,367(6463):546⁃548.[27] Webb J A,Keough M J.Measurement of environmental tracemetal levels with transplanted mussels and diffusive gradients inthin films(DGT):a comparison of techniques[J].MarinePollution Bulletin,2002,44(3):222⁃229.[28] 隋殿鹏,孙挺,范洪涛,等.薄膜扩散梯度技术———一种原位富集采样技术[J].化学通报,2007,(12):954⁃960.8534。