有機廢棄物好氧發(fā)酵過程中腐殖質的形成機制及影響因素

王璐瑤張璐璐

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程質量檢測有限責任公司，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實驗室，陜西 西安 710075；5.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

土壤中的有機質含量高達80%以上，腐殖質(HSs，Humic Substances)是土壤中有機質的主要成分，對土壤理化性質影響顯著。根據(jù)國際腐殖質學會(IHSS，International Humic Substances Society)的定義，HSs是在自然界經過一系列物理作用和化學反應后，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已被廣泛用作農業(yè)中的土壤修復劑、去除有機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域。目前，有機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廢棄物。中國畜禽糞便年產量約38億t，隨著集約化農牧業(yè)的快速發(fā)展，預計到2030年，全球畜禽糞便年產量將達到2.3億t氮當量[1，2]。然而，如果糞便處理不當，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菌作用在高溫條件下對有機廢棄物中的有機物進行處理和利用，在好氧發(fā)酵過程中，原始有機物料可以被微生物轉化為更穩(wěn)定的物質，這些物質主要是腐殖質(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物，也是評價好氧堆肥過程最重要的標準之一，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)酵的首要目標是將有機質高效轉化為HSs，研究腐殖質的形成機制，探明不同功能需求相對應的腐殖質功能群，有助于預測有機肥在農田中的施用效果。本文綜述了近年來腐殖質的研究進展，包括腐殖質的形成機制、制備影響因素及功能，以期為有機廢物處理技術及現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展提供理論指導。

1 腐殖質的形成機制

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。前驅體隨后形成HSs?，F(xiàn)有關于腐殖質形成機制的研究有很多，主要可分為以下5種[3]。

1.1 木質素理論

Waksman于1936年提出，木質素的外形及結構在土壤中發(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，特別是FAs。根據(jù)Kulikowska的研究[4]，木質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，然后通過化學氧化和聚合作用形成超分子HAs。已有研究表明，預測HAs的單體單元是描述其結構特征的一種好方法。

1.3 糖-氨縮合理論

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

1.4 細胞自溶理論

該理論指出，游離基對動植物和微生物細胞死亡后自溶產物進行隨機縮合或聚合，進而形成HSs。

1.5 微生物合成理論

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

2 影響腐殖質形成的因素

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。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。由于原料的元素組成和性質不同，HAs具有不同的特性。Vasilevich等[5]揭示了植物殘體組成的差異調控著HSs的結構和功能特性。此外，以植物為原料的有機肥中HSs高于以糞便為原料的有機肥。餐廚垃圾含水率高，綠化垃圾含氮量低，導致降解效率低，延長堆肥時間，影響腐殖化進程。

2.2 碳氮比和含水率

碳氮比是影響好氧發(fā)酵過程和最終產品質量的關鍵因素之一。高初始C/N比有利于有機物的氧化，促進堆肥熟化進程，而低初始C/N比有利于部分氧化有機物的積累，導致最終熟化不完全和氮損失。因此，適量添加劑可用于調節(jié)初始C/N比促進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來補充耗竭的氮源，從而促進堆肥的進行。

2.3 堆體含氧量和原料粒徑

基質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)，經過翻堆和曝氣處理的堆體產生了比未經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)，機械翻堆的產物中HAs/FAs比值高于強制通風堆肥，且機械轉動可增強木質素的降解和腐殖化。此外，氧氣含量也會影響微生物活性和堆肥品質，氧氣含量過高會導致原料有機物過度分解，降低HSs含量。相反，氧氣不足會導致堆體內部厭氧發(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，且顆粒內部可能包覆一層難以穿透的腐殖化的層，導致分解不充分。但若原料粒度過小則會形成致密的團塊，降低孔隙率。

2.4 堆肥添加劑

大多數(shù)原料因其性質不適宜而無法單獨堆肥成功。堆肥添加劑可以提高微生物活性，加速堆肥進程，調節(jié)堆肥性質，促進腐殖化。堆肥添加劑種類繁多，可分為膨松劑、調節(jié)劑和微生物菌劑。當原料粒徑較小，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)，生物質炭的添加改善了堆肥的最終質量，尤其是對FAs。當添加紙盒作為膨松劑時，其所含木質纖維素可增強堆肥的持水性，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，影響有機物的降解速率。在嗜熱階段，微生物降解多糖、蛋白質和脂肪效率提升，溫度也隨之升高。而且，越早出現(xiàn)嗜熱階段，有機質越早被降解和穩(wěn)定。嗜熱階段對木質素降解至關重要；在高溫條件下，木質素的降解導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

在堆肥過程中有機酸的降解和氨氣的釋放可導致堆肥pH值的升高，而堆肥pH的降低則是由于有機酸和CO2的釋放以及微生物活動引起的NH3揮發(fā)，初始基質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的粒徑分布起著關鍵作用，當pH值在3.0～7.5范圍內時，會導致超分子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，可以根據(jù)環(huán)境pH而電離和質子化，因此其在較寬的pH范圍內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化，通常參與殘余物質的生物降解。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，增強了有機物的分解。Lopez Gonzalez等[11]利用酶學分析發(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；在與木質纖維素降解相關的活性方面，真菌而不是纖維素分解菌普遍存在。

3 腐植質的功能

好氧發(fā)酵的最終產物可作為有機肥和土壤改良劑。其中，HSs發(fā)揮著重要的作用，HSs含有不同的官能團，包括酚類、羧酸類、醌類、烯醇類和醚類。這些官能團的存在與其各種農藝效應有關，對于土壤而言，HSs可以用來形成團聚體，增加土壤孔隙度，增強養(yǎng)分保存和持水能力；對于農作物來說，HSs既可以作為營養(yǎng)物質又可以作為儲水庫。此外，HSs作為天然農藥是有用的，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產品的毒性。此外，HSs可以改變土壤的物理、化學和生物條件，從而提高土壤肥力。HSs由于具有酸性官能團，可與金屬陽離子(Ca2+、Mg2+及Al3+是植物體內重要的營養(yǎng)元素)螯合，進而影響營養(yǎng)元素的溶解度。這些官能團也可快速與黏土顆粒表面的多價陽離子發(fā)生反應，形成腐殖質-金屬-黏土復合物。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)腐殖質產品的推薦施用量較低，其有機質含量不足以增加土壤碳儲量，但腐殖產物可能通過增加根系生長來改善土壤健康。

4 結語

有機廢棄物通過好氧發(fā)酵處理并進行資源化利用是一種具有廣闊應用前景且經濟的方式，也是一種進行功能化合物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，被認為是化肥的替代品，不僅可以改善土壤的物理和生物學性質，還可以降低化肥過量使用帶來的環(huán)境富營養(yǎng)化風險。但是現(xiàn)有以堆肥為代表的好氧發(fā)酵由于處理效率低、產品質量可控性差等問題限制了它的推廣應用。為了改善堆肥腐殖化過程和提高腐殖質品質，必須進一步探索好氧堆肥過程中腐殖質的形成機制，包括更具前景的添加劑的種類和組合的選擇，關于HSs結構模型的預測以及好氧發(fā)酵設備的成本控制等。