生物活化条件对风化煤腐植酸含量的影响

马静,高杰,王改玲

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)



生物活化条件对风化煤腐植酸含量的影响

马静,高杰,王改玲*

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

摘要：[目的]以山西灵石风化煤煤样为研究对象，研究生物活化条件对风化煤腐植酸含量的影响。[方法]通过培养试验和容量分析方法研究了菌剂用量、培养时间、培养温度和碳源对风化煤腐植酸降解的影响。[结果]结果表明，培养时间由3天延长到6天、9天，无菌剂添加处理，不同活性组分腐植酸含量无明显变化；随菌剂用量的增加，不同活性组分腐植酸含量均呈增加，且水溶性腐植酸增加最多，其次是游离腐植酸，焦磷酸钠提取的腐植酸增加最少；不同培养时间，培养6天时各组分腐植酸含量达到最高；相同菌剂用量下，培养温度影响了风化煤腐植酸的降解，其中30℃培养下不同活性组分腐植酸含量高于25 ℃和35 ℃；增加麸皮和秸秆粉配比中秸秆粉的比例明显地提高了水溶性腐植酸的含量。[结论]在特定条件下生物活化能够提高风化煤腐植酸的降解率，为风化煤腐植酸肥料的生产提供依据。

关键词：风化煤； 生物活化； 腐植酸组分含量

风化煤是经过风化氧化已失去作动力燃料和炼焦煤价值的一种废煤，但是风化煤中含有丰富的腐植酸，因而具有吸附、络合和交换等性能，是一种良好的天然吸附剂[1～4]。我国风化煤储量丰富，据不完全统计，约为1 000亿吨，山西、新疆、内蒙古、黑龙江、云南、河南部分地区储量较大[5]，目前大部分风化煤没有被有效的开发利用[6]。风化煤堆放在自然界中，长时间不利用造成环境的污染和资源的浪费[7]。

腐植酸肥料是利用含有腐植酸的自然资源为原料，制出含有较多的腐植酸及营养元素和微量元素的肥料，能够改良土壤、刺激植物生长，减小对环境的污染[8，9]。如果将没有活化的风化煤直接用于腐植酸肥料，由于腐植酸活性低，植物不容易吸收利用，肥力差,活化后的腐植酸含有更多的能直接被作物吸收利用的水溶性腐植酸。邢尚军等[10]的研究表明，施用活化后的褐煤腐植酸制成的肥料，杨树的茎重及树高显著增加，氮肥利用率也显著提高。风化煤的活化主要有物理活化、化学活化和生物活化3种。物理活化时间短，但是活化程度低；化学活化方法活化度高，但是成本高，并且对环境有污染；生物活化具有工艺简单、成本低、产物生物活性高且对环境无污染等优点[11]。本文研究生物活化对风化煤不同活性组分腐植酸含量的影响，以期为风化煤腐植酸在肥料行业的运用提供依据。

1　试验材料与方法

1.1供试材料

风化煤产自山西省晋中市灵石县。焦磷酸钠提取的腐植酸含量：22.44%；游离腐植酸含量：18.36%；水溶性腐植酸含量：7.47%。

菌剂：购自潍坊岛本微生物技术研究所；麸皮：碳含量44.7%、氮含量2.2%；玉米秸秆粉：碳含量46.7%、氮含量2.3%；红糖：石家庄市中兴糖业有限公司生产。

1.2试验方法

从时间、菌剂用量、培养温度和秸秆粉用量4个方面进行试验研究。基础培养方法：称取250 g风化煤样于培养钵，分别加入风化煤质量4%的麸皮、0.2%的红糖，加水调节至培养物料水分含量为50%，混合均匀。培养钵的长宽高均为15 cm。

1.2.1培养时间和菌剂用量对风化煤腐植酸含量影响试验

在基础培养方法中分别加入风化煤质量的0%，2.5%，5.0%，10%的菌剂，混合均匀后在30 ℃进行培养，培养3 d、6 d、9 d取样测定焦磷酸钠提取的腐植酸、游离腐植酸和水溶性腐植酸含量。试验共4个处理，3次重复。

1.2.2培养温度对风化煤腐植酸含量的影响试验

在基础培养方法中加入5%的菌剂，按上述方法，分别在25 ℃、30 ℃、35 ℃，培养6 d，取样测定不同活性组分腐植酸含量。试验3个处理，3次重复。

1.2.3麸皮和秸秆粉配比对腐植酸含量的影响试验

称取250 g风化煤样于培养钵中，在加入5%菌剂的基础上，分别加入4%的麸皮、3%麸皮和1%秸秆粉、2%麸皮和2%秸秆粉、1%麸皮和3%的秸秆粉、4%秸秆粉，加水调节至培养物料水分含量为50%，30 ℃培养6 d。3次重复。

1.3风化煤不同活性组分腐植酸含量的测定

将活化培养后的风化煤干燥后，分别用焦磷酸钠碱液、1%氢氧化钠、沸水抽提，容量法测定焦磷酸钠提取腐植酸，游离腐植酸和水溶性腐植酸含量(GB/T 11957—2001)。

2　结果与分析

2.1培养时间和菌剂用量对风化煤腐植酸含量影响

图1是不同菌剂用量和不同培养时间测得的各种活性组分腐植酸含量。由图1可以看出，培养相同时间的风化煤，随着菌剂用量的增加，不同活性组分腐植酸含量均增加。第6天、第9天，2.5%、5%、10%菌剂添加的处理焦磷酸钠提取的腐植酸含量显著增加；第6天，2.5%、5%、10%菌剂添加的处理游离腐植酸含量变化最显著；第3天，2.5%、5%、10%菌剂添加的处理水溶性腐植酸含量变化不明显，在第6天和第9天变化显著。从图中可以看出，水溶性腐植酸增加最多，其次是游离腐植酸，焦磷酸钠提取的腐植酸增加最少。

从图1中可以看出，不同培养时间，培养时间由3 d延长到6 d、9 d，无菌剂添加处理，不同活性组分腐植酸含量无明显变化，这与2013年林海涛等[12]的研究结论一致。在添加相同菌剂的处理中培养6天时各组分腐植酸含量达到最高；第6天到第9天各种腐植酸的含量几乎没有变化甚至有下降的趋势。这可能是因为在第6天以后，繁殖出的菌降解出的腐植酸已经接近或者超过其自身生长所消耗的腐植酸量[13]。

2.2培养温度对风化煤腐植酸含量的影响

图2是不同培养温度下测得的各种活性组分腐植酸含量。从图2可以看出，相同菌剂用量下，培养温度影响了风化煤腐植酸的降解，其中30 ℃培养下不同活性组分腐植酸含量高于25 ℃和35 ℃；培养温度为30 ℃时，焦磷酸钠提取的腐植酸含量达到了37.78%，游离腐植酸含量达到了29.66%，水溶性腐植酸产率达到了5.6%。可能是因为菌在30 ℃的时候繁殖较快，并且比其他温度的时候活跃，导致在30 ℃的时候腐植酸含量要比其它温度下的高。从图2中还可以看出水溶性腐植酸含量变化最大，差异显著，游离腐植酸的含量和焦磷酸钠提取的腐植酸含量30 ℃与其它温度差异不显著。

图1　不同时间和不同菌剂用量对风化煤腐植酸含量的影响Fig.1　Effects of different time and different fungus content on the weathered coal humic acids content

2.3麸皮和秸秆粉配比对风化煤腐植酸含量的影响

图3是不同配比的麸皮和秸秆粉培养下测得的各种活性组分腐植酸含量。从图3可以看出，随着秸秆粉比例由0增加到4%，水溶性腐植酸含量由1.57%增加到5.70%，增加了263%。游离腐植酸和焦磷酸钠提取态腐植酸含量亦有所增加。在没有红糖的处理中，水溶性腐植酸普遍偏低，比没有经过任何处理的风化煤中含有的水溶性腐植酸含量(7.47%)低。可能是因为，没有添加红糖，繁殖出的菌所降解出的腐植酸不能为自生生长提供足够的能源，只能靠煤中原有的腐植酸来维持自身生长繁殖。

图2　不同培养温度对风化煤腐植酸含量的影响Fig.2　Effects of different temperature on the weathered coal humic acids content

图3　秸秆粉的用量对风化煤腐植酸含量的影响Fig.3　Effects of different straw powder content on the weathered coal humic acids content

3　讨论

腐植酸可以疏松土壤、改善土壤的团粒结构，提高土壤的保水保肥能力。腐植酸有游离腐植酸和结合腐植酸两种存在形态，结合态的腐植酸生物活性低，无法被直接利用，游离腐植酸可以直接被植物吸收利用[14]。风化煤经过活化后，可以提高风化煤中腐植酸的含量，水溶性腐植酸增加最多。其次是游离腐植酸。林海涛等[12]人的研究表明，随着活化剂的增加水溶性腐植酸含量也不断增加，与本试验研究结果一致。王春颖等[15]的研究表明，在降解温度30 ℃、接种量18%、降解时间9天，pH值为7的条件下，风化煤的最大降解率达到了29.28%。与本试验的最佳温度一致，降解时间有差异，可能是因为所用菌剂种类和用量的不同导致最佳时间有所不同。

风化煤的活化有物理活化、化学活化、生物活化3种。虽然生物活化产物是成本最低、最环保有效的，但是生物活化也有时间较长等缺点。在以后的研究中可以考虑将生物活化与物理或化学方法结合，找出更好的煤活化方法, 为风化煤腐植酸在肥料行业的运用提供依据。

4　结论

(1) 培养时间由3 d延长到6 d、9 d，无菌剂添加处理，不同活性组分腐植酸含量无明显变化；随菌剂用量的增加，不同活性组分腐植酸含量均呈增加趋势，且水溶性腐植酸增加最多，其次是游离腐植酸，焦磷酸钠碱液提取的腐植酸增加最少；

(2) 培养6 d时各组分腐植酸含量最高；

(3) 相同菌剂用量下，培养温度影响了风化煤腐植酸的降解，其中30 ℃培养下不同活性组分腐植酸含量高于25 ℃和35 ℃；

(4) 增加麸皮和秸秆粉配比中秸秆粉的比例明显地提高了水溶性腐植酸的含量。

参考文献

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(编辑：马荣博)

收稿日期：2016-01-21 修回日期：2016-03-23

作者简介：马静(1993-),女(汉)，山西运城人，硕士研究生，研究方向：土壤与环境 *通讯作者：王改玲，教授，博士，硕士生导师。Tel：13233054308；E-mail: gailingwang@qq.com

基金项目：山西省科技攻关项目(20140311008-5);山西省青年基金(2013021032-2)

中图分类号：S144.1

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)09-0664-04

Effects of biological activation conditions on weathered coal humic acids content

Ma Jing, Gao Jie, Wang Gailing*

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:[Objective]Taking coal samples of weathered coal in Shanxi Lingshi as the research object, the effects of biological activation conditions on weathered coal humic acids content were studied. [Methods] The impact of fungus dosage, culture time, culture temperature and carbon source on humic acids degradation of weathered coal were studied through the culture experiment and capacity analysis method. [Results]The results showed that if the culture time was extended to 6 days, 9 days from 3 days, without processing of the added fungus, there’s no significant change in humic acids content with different active ingredients; with the increasing amount the fungus dosage, the humic acids content with different active ingredients increased accordingly, there’s maximum increase of water-soluble humic acids, followed by was the increase of free humic acids, and there’s the minimum increase of humic acids extracted from sodium pyrophosphate; if the culture time was varied, the humic acids content of each component reached maximum after 6 days of culture time; if there’s the same amount of fungus dosage, the culture temperature influenced the humic acids degradation of weathered coal, where under the culture temperature of 30 ℃, the humic acids content with different active ingredients was higher than at temperatures of 25 ℃ and 35 ℃; And the water-soluble humic acids content was significantly increased after increasing the proportion of straw powder in the bran and straw powder ratio.[Conclusion]Under certain conditions，biological activation can increase the degradation rate of weathered coal humic acids, which provides the basis for the production of weathered coal humic acids fertilizer.

Key words:Weathered coal; Biological activation; Content of humic acids