生活垃圾微生物接种堆肥水溶性有机物紫外光谱特性研究



生活垃圾微生物接种堆肥水溶性有机物紫外光谱特性研究

魏自民，李晨辰，赵越，李洋，赵昕宇，魏雨泉，赵韬智，张旭

（东北农业大学生命科学学院，哈尔滨150030）

摘要：为研究接种高效微生物菌群对堆肥过程的作用，采用紫外-可见光谱技术和数学分析方法，利用生活垃圾，通过好氧堆肥试验，对堆肥过程中水溶性有机物紫外特征参数SUVA254、SUVA280、E2/E4、E2/E6、E4/E6、E300/E400、E250/E365、E235/E203、E253/E220、A226-400、S275-295、S350-400进行研究。结果表明，除E300/E400、S350-400外，其他指标的相关性显著，多个指标联合从堆肥样品DOM的芳构化程度、聚合度及分子质量、腐殖化程度以及苯环上的脂肪链的官能团多个方面有效说明堆肥腐熟情况。接种菌剂的堆体与不接菌剂的对照相比，DOM腐殖化程度、分子缩合度等明显增高。由于微生物菌剂的代谢作用，DOM的组成复杂化趋势相对明显，接种高效微生物菌群，能明显促进堆肥中物质分解转化，缩短堆肥腐熟期，提高堆肥效率。

关键词：高效微生物菌群；生活垃圾；DOM；紫外扫描光谱

网络出版时间2015-1-27 16:01:06

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150127.1601.013.html

魏自民,李晨辰,赵越,等.生活垃圾微生物接种堆肥水溶性有机物紫外光谱特性研究[J].东北农业大学学报, 2015, 46(2): 83-88. Wei Zimin, Li Chenchen, Zhao Yue, et al. Research on characteristics of UV-Vis absorbance of DOM in municipal solider waste with inoculation agent[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(2): 83-88. (in Chinese with English abstract)

城市生活垃圾处理问题已引起广泛关注。生活垃圾处理方法包括填埋、焚烧、堆肥等[1]。垃圾通过堆肥形成可生物降解物质，加快水溶性有机物（DOM）生物转化，形成稳定、无臭、无毒害且含有丰富腐殖酸类物质，施于土壤能提高肥力，促进农作物生长[2-3]。堆肥是经济实用、安全的手段，可广泛应用。评价堆肥腐熟度指标很多，包括简单的经验观察（气味、颜色等），生物、化学[4-5]和物理方法（包括pH、温度、电导率、阳离子交换量等）[6-8]。研究表明，现代光谱技术（包括红外光谱法、紫外光谱法、核磁共振法、荧光光谱法等）[9-10]是非破坏性的腐殖化表征手段，能从物质的芳构化程度、分子聚合度、分子质量、以及物质转化等不同角度评估DOM的腐殖化程度，灵敏度高、选择性强。紫外-可见光谱具有仪器易于普及，操作简单、分析快捷方便等优点，得到广泛应用。传统堆肥法一般都是采用增加营养和改善环境条件的方法，利用堆肥原料中的土著微生物降解有机污染物，但由于堆肥初期土著微生物量少，需要一定时间才能繁殖起来，各种微生物分解速率差别很大，因此传统的堆肥方法存在发酵时间长、产生臭味且肥效低等问题。接种高效微生物菌群进行堆肥，提高堆肥中高效微生物的总数，对提高堆肥效率、加速堆肥反应过程具有重要意义。基于此，本研究采用人堆肥初期工条件下接种复合微生物菌剂，通过对堆肥过程中DOM紫外-可见光谱特性进行分析，为生活垃圾堆肥的过程控制、提高堆肥质量提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材料

菌种：高效微生物菌群（自制），主要包括纤维素分解菌、木质素分解菌、解磷菌等。堆料中高效微生物菌群的接种量为0.5%。

生活垃圾：取自上海松江区固废处理厂。

1.2堆肥试验及样品采集

堆肥试验场地依托上海松江固废综合处理厂，采用好氧堆肥工艺，将生活垃圾分别堆置为长3 m，宽2 m，高1.5 m条形堆，进行为期45 d的堆肥试验，试验设计两个处理，不接种菌剂的对照组（CK）与接种高效微生物菌群的生活垃圾（HMSW）。采样时间为1、7、16、29、35和45 d，按四分法进行采样，样品总重为1 kg，风干粉碎后备用。

1.3样品DOM的提取及测定

取干样10 g，按固液比为（10/1，W/V）加入去离子水，在室温条件下于150 r·min-1，震荡提取24 h，4℃，10 000 r·min-1下离心20 min，上清液过0.45 μm滤膜，滤液即为DOM。用TOC仪（Multin/C2100TOC/TN）测定DOM浓度（以水溶性有机碳DOC记），将所有样品的DOC浓度调节统一（DOC=20 mg·L-1）。

1.4 DOM光谱扫描

将不同时期堆肥DOM样品进行紫外可见吸收光谱扫描，采用尤尼科4802 UV/Vis紫外分光光度计测定，扫描波长范围为200~700 nm，扫描波长间隔2 nm。测定254及280 nm的特征紫外吸光度，并与DOC浓度作比值计算，结果记为SUVA254、SUVA280；将280、472和664 nm下吸光度记为E2、E4和E6，计算E4/E6、E2/E4及E2/E6比值[11]；250与365 nm吸光度值比值记为E250/E365，将300与400 nm吸光度比值记为E300/E400；对226~400 nm范围内的紫外吸光度进行面积积分，记为A226-400；计算275~295 nm及350~400 nm波长范围

内的曲线斜率记为S275-295、S350-400。

1.5统计分析

采用SPSS 19.0、Origin 8.0软件对试验数据进行统计分析。

2　结果与分析

2.1紫外光谱分析

紫外吸收光谱随有机化合物分子复杂度不同而异，如图1所示（A为CK，B为HMSW），堆肥过程中DOM紫外吸收强度，均随波长增加而逐渐降低，而随堆肥时间延长，紫外吸收强度逐渐增加。两种处理DOM紫外吸收均在280 nm处有一肩峰，研究表明280 nm附近的紫外吸收与物质中的腐殖质有关[12]。因此，随着堆肥的进行，DOM物质的芳香性、不饱和度以及腐殖化程度不断增强。堆肥后期HMSW的吸收强度较CK有较大幅度增加，表明接种微生物后有利于堆肥中DOM物质转化，堆肥后期微生物新陈代谢加快，降解速率显著增加，DOM芳香化及腐殖化进程明显加快。至堆肥结束HMSW吸收强度达到3.16，CK仅为

1.69。

2.2光谱参数分析

2.2.1 SUVA254、SUVA280

SUVA254及SUVA280可用于表征有机质的芳构化程度，其值越大，芳构化程度越高[13]。如图2所示，随着堆肥的进行，SUVA254、SUVA280值均呈增加趋势，表明堆肥过程中DOM的芳构化程度不断增加。堆肥初期CK与HMSW的SUVA254均为0.2左右，至堆肥结束HMSW该值为1.10是CK的2倍。堆肥前期CK与HMSW差异较小，堆肥至16 d差异明显增加，这是由于微生物在堆肥前、内部活动较弱，随着堆肥温度上升，微生物适应堆肥坏境，从而快速分解，提高分解速率，加速物质转化。

图1　堆肥不同时期紫外吸收光谱（A）CK；（B）HMSW Fig. 1　Change of UV-Vis absorbance of DOM during composting (A) CK; (B) HMSW

图2　堆肥过程中紫外特征参数变化Fig. 2　Change of UV-Vis characteristic parameters of DOM during composting (SUVA254, SUVA280, E4/E6, E2/E4, E2/E6, E250/E365)

2.2.2 E4/E6

在有机质的紫外光谱研究中除特定波段或波长吸收值的研究外，另一个常用参数是两个特定波长吸光度的比值，E4/E6常用于有机质腐殖化程度的表征[14]。由图2可知，值在堆肥过程中呈递减趋势，表明堆肥后物质缩合程度变大。堆肥起始CK 与HMSW E4/E6接近，分别为1.32、1.39，但堆肥后期HMSW下降显著，堆肥结束仅为0.65，下降率达到53%，是CK的2倍。

2.2.3 E2/E4、E2/E6、E250/E365

E2/E4表示在腐殖化过程木质素的相对含量[15]；E2/E6反应非腐殖化物质与腐殖化物质之间的比值，E250/E365也常用于堆肥腐殖化的表征。如图2所示，E2/E4、E2/E6呈现出先升高后降低的变化趋势。与CK相比，HMSW的E2/E4、E2/E6值的变化幅度较大，CK与HMSW的E250/E365值基本相似。各指标显示，两种处理均在16 d后差异逐渐增大，由于堆肥初期脂类、蛋白质等简单物质被快速降解，到堆肥后期温度升高，纤维素分解菌、木质素分解菌代谢频繁，纤维素、木质素下降明显[16]。

2.2.4 E253/E203、E253/E220

Korshin等认为[17]，E253/E203、E253/E220可反映芳香环的取代程度及取代基种类。当芳环上的取代基脂肪链含量增多时，该值会变小，而当芳香环上的取代基中羰基、羧基、羟基、酯类含量增多时，该值会增大。如图3所示，E253/E203、E253/E220呈上升趋势，表明堆肥过程中苯环上的脂肪链不断被微生物氧化分解，降解成羧基、羰基等官能团。两种处理E253/E220差异相对显著，堆肥结束HMSW值为0.69而CK为0.62。接种微生物后堆肥的腐殖化程度明显高于对照组，堆肥后期微生物氧化分解速率加剧。

2.2.5 E300/E400

E300/E400值下降显示腐殖化程度和有机质的分子质量和聚合度均有所增加[18]。如图4所示，E300/E400值HMSW与CK之间差异不显著。整体呈递增趋势，这与以往研究中E300/E400呈递减趋势，各组分腐殖化程度及分子质量均有所提高的结论不一致，因此E300/E400不适宜作为堆肥评价指标。

2.2.6 A226-400

为从整体上研究堆肥DOM的苯环类化合物的变化，本研究对226~400 nm范围内的吸光度进行积分（A226-400）。如图4，随着堆肥的进行，A226-400不断增大，表明堆肥有机质中苯环类化合物不断增多。堆肥结束后，对照组和处理组分别为87.4和170.5，相差较大。因此接种微生物后，微生物繁殖迅速，降解速率较大，同时也加快有机物质的分解进程。

2.2.7 S275-295及S350-400

本研究选取远紫外波长275~295 nm、350~400

nm范围内的吸收曲线的斜率S275-295、S350-400表征堆肥阶段不同DOM组分中芳香碳含量的变化，据研究报道[19]，S275-295、S350-400与DOM的芳香性呈负相关。如图4所示，堆肥过程中S275-295、S350-400呈下降趋势，表明随堆肥进行，DOM芳香碳含量及分子质量均不断增加。HMSW与CK S275-295值在堆肥16 d后差异逐渐增大（CK为-0.002，HMSW为-0.031），至堆肥结束S275-295基本相似。

图3　堆肥过程中E253/E203、E253/E220的变化Fig. 3　Change of E253/E203, E253/E220of DOM during composting

图4　堆肥过程中E300/E400、A226-400、S275-295、S350-400的变化Fig. 4　 Change of E300/E400, A226-400, S275-295, S350-400of DOM during composting

2.3相关性分析

结合以上结果，将堆肥过程DOM紫外光谱的特征参数进行相关性分析，除E300/E400、S350-400与其他参数相关性不显著外，其他各特征参数之间均呈极显著相关。不同特征参数分别从DOM的芳香性、分子质量大小、分子缩合度及腐殖化程度反映堆肥的腐熟程度。在本研究条件下，各指标的相关性显著，多个指标联合可快速有效说明堆肥腐熟情况。

2.4发芽指数（GI）验证

种子发芽指数是一种常用的评价堆肥腐熟度的指标，可靠性较好，可以直接反应堆肥的腐熟状况，大量研究表明[20]，当GI达到50%时可认为基本腐熟，当达到80%~85%，可认为对植物没有毒性达到完全腐熟。在以上研究的基础上，结合相关性显著的紫外光谱特征参数和GI分析比较两种处理堆肥，结果如图5，HMSW堆肥在16 d已达到基本腐熟（55.23%），29 d时完全腐熟，堆肥结束后HMSW堆肥GI为92.32%，CK堆肥在45 d时达到腐熟标准（81.31%）。因此接种高效微生物菌群，能明显促进堆肥中物质分解转化，缩短堆肥腐熟期，提高堆肥效率。

表1　堆肥过程中各紫外特征参数之间相关性分析Table 1　Relationship between the maturity indices during different composts

图5　堆肥过程中GI的变化Fig. 5　Change of GI during composting

3　结论

a.研究结果表明，堆肥DOM紫外参数

SUVA254、SUVA280、E4/E6、E2/E6、E4/E6、E250/E365、E253/E203、E253/E220、A226-400、S275-295之间相关性显著，证实紫外光谱指标可从不同角度评价堆肥DOM腐殖化程度。

b.通过比对HMSW堆肥和CK堆肥，由于微生物菌剂的代谢作用，DOM的组成复杂化趋势相对明显，接种高效微生物菌群，能明显促进堆肥中物质分解转化，缩短堆肥腐熟期，提高堆肥效率。

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Research on characteristics of UV-Vis absorbance of DOM in munici-

pal solider waste with inoculation agent

/WEI Zimin, LI Chenchen, ZHAO Yue, LIYang, ZHAO Xinyu, WEI Yuquan, ZHAO Taozhi, ZHANG Xu(School of Life Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:The effects of high effective complex microbial community（HECMC）in a composting process of municipal solider waste compost were examined. In this study changes in the properties of dissolved organic matter (DOM) were studies during composting of municipal solider waste using UV-Vis absorbance. Typical parameters were measured during 45 days of composting including: SUVA254, SUVA280, E2/E4, E2/E6, E4/E6, E300/E400, E250/E365, E235/E203, E253/E220, A226-400, S275-295, S350-400. There were many indexes can evaluate the maturity of compost, but it was short comprehensive to use single evaluation index, the results showed that every index was correlated with each other. During composting progress the aromatization, humification, degree and molecular weight of the humus substances increased, while the fatty chains linked with the benzene ring structure were cleavage into carbonyl, carboxyl and other functional groups. This HECMC were effective to compose organic matter and speed up composting change into humus. Therefore, adding HECMC greatly influence the rate of organic degradation and was useful to improve composting conditions.

Key words:high effective complex microbial community; municipal solider waste compost; DOM; UV-vis absorption spectra

作者简介：魏自民（1969-），男，教授，博士，研究方向为环境微生物学。E-mail: weizm691120@163. com

基金项目：国家自然科学基金项目（51178090）；黑龙江省自然科学基金（C200917）

收稿日期：2014-04-02

文章编号：1005-9369（2015）02-0083-06

文献标志码：A

中图分类号：X799