垃圾滲濾液中氮循環細菌與氮元素變化分析

張秋鈺 邵梓涵 魯明會 李淑英

摘 要：以枯枝落葉、廢棄蔬菜和果皮為原料，采用自然堆放腐敗方法，進行為期35d堆肥化處理，收集3類易腐垃圾滲漏液，采用最大可能數法（MPN：Most-Probable-Number）測定氨化細菌、硝化細菌和亞硝化細菌，同時測定滲漏液中的NH4+-N、NO3--N、NO2--N含量，進行氮循環主要菌群與氮元素變化的分析。結果表明：3類垃圾腐敗滲漏液中，NH4+-N含量28d后增加明顯，NO2--N含量后期有降低趨勢，但含量依然較高，NO3--N含量堆放初期含量較高，后期略有降低趨勢;垃圾滲漏液中氨化細菌MPN增加，亞硝化細菌MPN先升高后降低，3類垃圾滲漏液中硝化細菌MPN有較大的差異性，揭示了垃圾滲漏液中氮素循環與關鍵菌群之間相互作用，同時受反硝化作用的影響較大。

關鍵詞：滲濾液;氮循環細菌;氮元素

中圖分類號 X172 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）04-0022-04

Abstract： In this study， litter， waste vegetables and fruit peels produced by residents′ daily life were used as our experimental materials. The natural stacking method was used of composting treatment for 35 days. Three types of perishable waste leakage liquid were collected， ammonifying bacteria，nitrifying bacteria and nitrobacteria were determined by the Maximum Possible number Method （MPN）， and the [NH+4]-N and The contents of [NO-3]-N and [NO-2]-N were analyzed for the changes of main flora and nitrogen elements in the nitrogen cycle. The experimental results show that the content of [NH+4]-N in the leakage solution of the three types of garbage corruption increases obviously after treatment 28 days，and the content of [NO-2]-N decreases in the later stage， but the content is still higher than the average level. The content of [NO-3]-N is higher in the early stage of stacking and slightly decreases in the later stage than the early stage;The MPN of ammoniating bacteria increased，and the MPN of nitrobacteria increased first and then decreased. There were great differences in the MPN of nitrifying bacteria in the three types of waste leakage， revealing the interaction between nitrogen cycle and key bacterial groups in waste leakage， which was greatly affected by the process of denitrification.

Key words：Leachate; Nitrogen cycling bacteria; Nitrogen

垃圾滲濾液中氮的去除已成為研究熱點，何品晶[1]等通過文獻和實地調查發現，生活垃圾主要是易腐有機垃圾，包括廚余垃圾、農作物秸稈及枯枝敗葉等，一般占垃圾總量的40%～50%，有機物含量高、含水率高，同時摻雜了農藥、化肥等有害垃圾，其危害性一般大于城市生活垃圾。目前，生活垃圾處理方法主要包括物理化學法和生物脫氮法等。生物脫氮是指在微生物聯合作用下，將有機氮、無機氮轉化為氣態氮的過程，其循環包括生物固氮、氨化、硝化、亞硝化、反硝化等作用，是微生物特有的過程。參與的細菌包括：氨化細菌（Ammonifier）、氨氧化細菌（Ammonium-oxidizingbacteria）、亞硝酸氧化細菌（Nitrite-oxidizingbacteria）以及反硝化細菌（Denitrifier）[2]。氨化細菌將復雜的有機氮化合物轉化成氨;亞硝化細菌將NH3-N氧化為NO2-N，這個階段稱為亞硝化作用或氨氧化作用，硝化細菌將NO2-N氧化為NO3-N;反硝化細菌是將硝態氮、亞硝態氮還原成氣態氮，易腐垃圾滲濾液中氮元素的去除率與其對應的細菌有一定的相關性[3]。

本研究選擇3類易腐材料（落葉、果皮、蔬菜）作為試驗對象，經過一段時間發酵腐敗后，收集滲濾液測定[NH+4]-N、[NO-3]-N、[NO-2]-N含量和氨化細菌、硝酸細菌菌、亞硝酸細菌的MPN，探究氮元素循環與各類細菌間的關系，為生活垃圾的生物處理提供一定的參考。

1 材料與培養基

1.1 材料 枯枝落葉（美人蕉葉片、櫻花葉、楊樹葉、女貞葉、三葉草、竹葉、水鬼蕉葉片、藍瓜葉等）;果皮（西瓜皮、西瓜、哈密瓜皮、柚子皮、蘋果、梨、桃子、香蕉皮等）;廢棄蔬菜（芹菜葉、白菜葉、土豆皮、大蔥、菠菜、黃瓜、西紅柿等）。

1.2 培養基

1.2.1 蛋白胨瓊脂培養基（培養氨化細菌） 蛋白陳5g，K2HPO4 0.5g，KH2PO4 0.5g，MgSO·7H2O 0.5g，蒸餾水1000mL，pH 7.2。

1.2.2 改良的斯蒂芬遜（Stephenson）培養基A（培養亞硝酸細菌） （NH4）2SO4 2.0g，K2HPO4 0.75g，NaH2PO4 0.25g，MnSO4·4H2O 0.01g，MgSO4·7H2O 0.03g，CaCO3 5.0g，蒸餾水 1000mL，pH 7.2。

1.2.3 改良的斯蒂芬遜（Stephenson）培養基B（培養硝酸細菌） NaNO2 1.0g，K2HPO4 0.75g，NaH2PO4 0.25g，MnSO4·4H2O 0.01g，MgSO4·7H2O 0.03g，Na2CO3 1.0g，CaCO3 1.0g，蒸餾水1000mL，pH7.2。將配制好的培養基分裝于試管，5mL/支，121℃滅菌30min待用。

1.3 試劑及配制方法

1.3.1 納氏試劑 [碘化汞-碘化鉀-氫氧化鈉（HgI-KI-NaOH）溶液]，配制方法參考[4]。

1.3.2 格里斯試劑（Griess Reagent）I和Ⅱ 格里斯試劑I及格里斯試劑Ⅱ配制方法參考[5]。

1.3.3 二苯胺試劑 二苯胺試劑配制方法參考[5]。

2 試驗方法

2.1 滲漏液的收集 選取枯枝落葉、果皮、蔬菜等3類易腐垃圾，置于帶龍頭塑料桶（規格20L）中，自然條件下發酵腐敗，腐敗過程中添加無菌水，發酵10d后用無菌錐形瓶（帶橡膠塞）開始收集滲漏液測定氨化細菌、硝化細菌和亞硝化細菌的MPN和[NH+4]-N、[NO-3]-N、[NO-2]-N含量，后期隔7d收集1次，共收集滲漏液5次。

2.2 測定項目

2.2.1 氨化細菌、硝化細菌和亞硝化細菌 氨化細菌、硝化細菌和亞硝化細菌采用最大可能數法（mostprobable number，MPN）[6]，取1mL垃圾滲漏液加入9mL無菌水為10-1菌懸液，再10倍梯度稀釋至10-3，選擇10-1～10-3菌懸液接種，接種3支試管/稀釋梯度，9支試管/樣品，氨化細菌培養7d后進行比色計數;硝化細菌和亞硝化細菌培養14d后進行MPN計數。

2.2.2 [NH+4]-N、[NO-3]-N、[NO-2]-N含量 [NH+4]-N采用納氏試劑分光光度法[7]測定，標準曲線：y=0.0636x-0.0021，R2=0.9951;[NO-3]-N采用紫外分光光度法[8]測定，標準曲線：y=0.076x+0.0151，R2=0.9901;[NO-2]-N采用N-（1萘基）-乙二胺二鹽酸分光光度法[8]測定，標準曲線：y=0.9226x+0.0011，R2=0.9933。

3 結果與分析

3.1 廢棄蔬菜、枯枝落葉、瓜果滲漏液[NH+4]-N、[NO-3]-N、[NO-2]-N含量變化 NH3-N是影響江河湖庫地表水質的主要污染物之一，與水體的富營養化程度呈正相關[9]。由圖1可知，3類易腐垃圾堆放過程中（35d），滲濾液NH4+-N的含量在堆放7～21d[NH+4]-N變化不明顯，后期增加明顯，至28d時廢棄蔬菜、枯枝落葉、果皮的NH3-N分別增至268.73mg/L、270mg/L、270.77mg/L，與腐敗初期相比增幅明顯（>10倍）。研究[10]發現，廚余垃圾固體厭氧消化處理中，隨著系統的逐漸恢復，氨氮濃度也呈持續上升的趨勢水體出現缺氧時，運行至190d時，氨氮濃度高達3000mg/L;張翔[11]認為垃圾滲漏液中[NH+4]-N含量較高。本試驗結果也發現此現象，從圖2可以看出，[NO-2]-N與[NH+4]-N的變化趨勢相似，3類易腐垃圾腐敗過程中滲漏液的亞硝態氮也呈現增加后期降低趨勢，7d時[NO-2]-N含量分別為0.076mg/L、0.03mg/L、0.012mg/L，最高時達到1.999mg/L、2.31mg/L、2.42mg/L，但[NO-2]-N含量后期降低不明顯，亞硝化細菌可以把[NH+4]-N轉變為[NO-2]-N。研究[12]認為，用傳統厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）系統缺氧池中發現亞硝態氮積累的現象，亞硝態氮積累率高達88.4%;魏國富[13]認為，水體中氨氮含量和亞硝態氮的含量較高，當水體中的氨濃度達到高峰3～4d以后，相應的亞硝酸鹽的含量也會出現峰值。由圖3可知，3類易腐垃圾滲漏液[NO-3]-N含量在堆放35d內呈逐漸減少的趨勢，但降低趨勢不明顯，堆放至35d時[NO-3]-N含量相對最低，但滲漏液中[NO-3]-N含量一直處于高水平狀態。胡貝貝[14]等認為，硝態氮是亞硝態氮積累的來源，[NO-3]-N的存在會抑制[NO-2]-N的還原，從而導致[NO-2]-N積累，同時某些細菌（如：Thauera和Saccharibacteria genera incerrae sedis）能將[NO-3]-N還原為[NO-2]-N，從而導致[NO-2]-N的積累[15]，[NO-2]-N積累與[NO-3]-N濃度有直接關系，反硝化細菌的反硝化作用可以將[NO-2]-N、[NO-3]-N轉變為N2O或N，氨化作用、硝化作用、反硝化作用受多種因素影響[16-18]，主要包括DO、pH、溫度及，硝態氮和有機物含量，3類易腐敗垃圾滲漏液中的N含量高與NH3-N、[NO-2]-N的累積，[NO-3]-N在堆放過程中維持高濃度與3類垃圾滲漏液中反硝化作用弱有直接關系。研究[19]認為，硝化作用過程受NH4+的影響，能夠限制反硝化過程，實驗結果揭示了3類垃圾滲漏液中反硝化作用較弱，具體作用機理有待深入研究。

3.2 枯枝落葉、果皮、廢棄蔬菜滲漏液中氨化細菌、亞硝化細菌和硝化細菌數量變化 氨化細菌是去除環境中有機氮的主要微生物，由圖4可知，3類易腐垃圾滲漏液中氨化細菌MPN隨著堆放時間延長呈逐漸增加的趨勢，其中枯枝落葉滲漏液中氨化細菌MPN增加趨勢明顯，廢棄蔬菜次之，氨化細菌去除有機氮的量通過其生成的[NH+4]-N來衡量。研究[20]認為，土壤氨化細菌數量和氨化作用強度有很好的相關性。從圖1和圖4可以看出，3類易腐垃圾腐敗過程中滲漏液中[NH+4]-N含量后期增加明顯，氨化細菌數量逐漸增加，與滲漏液中[NH+4]-N含量變化趨勢一致，3類垃圾滲漏液中氨化細菌MPN與[NH+4]-N含量具有很好的正相關性。由圖5可知，3類易腐垃圾腐敗滲漏液中亞硝化細菌的MPN都呈現出先降低、升高，再降低的趨勢，[NO-2]-N含量及亞硝化細菌MPN呈不同程度的正相關關系。由圖6可知，廢棄蔬菜滲濾液硝化細菌MPN變化趨勢無明顯規律性，其中，果皮、枯枝落葉滲漏液中硝化細菌中后期增加明顯，廢棄蔬菜滲漏液中硝化細菌MPN堆放過程中先增加胡降低。許修宏[19]等研究發現，牛糞堆肥硝化細菌的數量在堆肥初期處于穩定狀態，經過升溫期進入高溫期開始下降，慢慢進入腐熟期逐漸增多，硝化細菌與亞硝化細菌共同完成從氨態氮化為亞硝態氮、硝態氮的硝化作用，2個階段是連續進行的，亞硝化細菌的數量能反映硝化細菌數量的多寡[21]。本試驗結果表明，3類垃圾滲漏液中的亞硝化細菌和硝化細菌堆放后期有增加的趨勢，推測與滲漏液中起反硝化作用的反硝化細菌數量較少有著直接關系。

4 結論

（1）3類垃圾滲漏液中，[NH+4]-N含量在堆放后期增加明顯，[NO-2]-N含量呈先增加后降低的趨勢，堆放35d時依然維持在一個相對高水平，[NO-3]-N含量呈降低趨勢，減少幅度較小。[NH+4]-N、[NO-2]-N、[NO-3]-N累積與垃圾滲漏液中的反硝化作用較弱有著直接關系。

（2）3類垃圾滲漏液中，氨化細菌MPN隨著堆放時間延長呈現逐漸增加的趨勢，增加的幅度因垃圾種類不同而有一定差異性。滲漏液中，亞硝化細菌MPN堆放21d或28d時有增加，35d時有減少。硝化細菌MPN受垃圾種類影響較大，枯枝落葉14d后滲漏液中的硝化細菌一直維持高水平狀態，廢棄蔬菜滲漏液中硝化細菌也呈現逐漸增加的趨勢，果皮滲漏液中的硝化細菌呈先增加后減少的趨勢。

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（責編：張宏民）

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