不同预处理玉米秸秆对猪粪厌氧发酵重金属镉钝化效果

李 轶，宫兴隆，郭敬阳，曲壮壮，张 镇，易维明

（1. 沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866；2. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255049）

0 引 言

随着规模化养殖业的快速发展，畜禽粪便的产量也逐年增加。2017 年全国畜禽粪便产量为35 亿t，经预测2020 年全国畜禽粪便排放量将达到48 亿t[1]。大量排放未经处理的畜禽粪便为环境带来了极其严重的危害。而且在畜禽养殖的过程中，由于饲料中重金属添加剂的使用，导致畜禽粪便中重金属元素含量较高[2-3]。施用于土壤后会引起土壤和农作物重金属污染，最终通过食物链危及人体健康[4-5]。镉（Cd）作为人体非必需的重金属元素，它对身体的危害是严重的，微量的Cd 通过食物链进入体内，即可通过生物放大和积累，对人的肾脏、免疫、神经、心血管和骨骼等系统造成损伤，严重时会产生致癌效应[6-7]。。另外，中国是农业比较发达的国家，每年大约有4.5 亿t 玉米秸秆产生[8]。大量的玉米秸秆随意丢弃和焚烧，既造成资源浪费，也污染环境。

沼气厌氧发酵是中国政府大力倡导的处理畜禽粪污的方式，猪粪在畜禽粪污中占比较大。目前全国户用沼气池总数达到4 193.3 万户，以畜禽粪污为主要原料的沼气工程110 517 处，因此沼肥产量巨大[9]。为保证施用沼肥的安全性，开展畜禽粪污沼气发酵过程沼肥中重金属形态、结构及增加重金属稳定机制的研究极为迫切。在沼气发酵处理畜禽粪便的过程中，添加秸秆能在一定程度上减少重金属的危害。白帆等[10]研究表明在猪粪厌氧发酵过程中添加玉米秸秆能减少Cu 和Zn 在沼渣中的可交换态含量和生物有效性百分含量；张辉等[11]的研究也表明，添加玉米秸秆有助于提高猪粪中重金属有效态的钝化效果。在猪粪厌氧发酵中添加玉米秸秆不仅可以改善玉米秸秆由于废弃、焚烧引起的环境污染，还可以满足沼气发酵对合理C/N 的要求。然而，由于秸秆中木质素、纤维素和半纤维素等大分子物质不易被微生物降解，添加玉米秸秆作为厌氧发酵的原料存在着发酵时间长、降解率低、易结壳影响发酵进行等问题[12]。因此有必要对玉米秸秆进行预处理，而且研究成果也表明，经过NaOH、H2SO4等预处理后，可以有效促进玉米秸秆中木质素、纤维素的分解，提高物料中腐殖质的生成，对重金属的钝化有较好的效果[13]。

目前，关于添加预处理玉米秸秆在畜禽粪便厌氧处理对重金属的影响及对厌氧发酵前后有机物的结构变化的影响研究报道的较少。傅立叶红外光谱法（FTIR）由于具有测量所需样品量小，灵敏度高，测量速度快等特点，可以用于检测分析畜禽粪便中有机质的官能团及结构变化特征[14]。因此本文通过BCR 连续提取法探究不同预处理玉米秸秆对猪粪厌氧发酵过程中重金属Cd 的形态变化及钝化效果的影响，同时采用FTIR 技术，研究不同预处理玉米秸秆对猪粪厌氧发酵后物料中有机物的结构变化的影响，以期揭示重金属钝化与有机物腐殖化程度的关系，为猪粪减害化处理、资源化利用提供新的途径和方法，为减少畜牧养殖重金属污染提供科学依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

新鲜猪粪取自于辽宁省沈阳东陵郊区养猪场，接种物取自于沈阳农业大学实验基地正常运行的户用沼气池，猪粪和接种物取回后放置于实验室驯化。玉米秸秆取自于沈阳农业大学实验田，自然风干，粉碎备用。表1为猪粪和秸秆的主要化学成分表。

表1 猪粪和秸秆主要成分表 Table 1 Main ingredient list of pig manure and corn stalk

1.2 不同预处理条件下玉米秸秆的制备

酸处理秸秆：2%的稀H2SO4以固液比1∶10（g·mL-1）在室温条件下浸泡72 h。碱处理秸秆：2%的NaOH 以固液比1∶10（质量（g）体积（mL）比）在室温条件下浸泡72 h。空白样品处理秸秆：去离子水浸泡72 h。处理完毕后，用去离子水反复冲洗秸秆至滤液为中性，60 ℃烘干样品，密封保存。

1.3 试验方案

本试验以新鲜猪粪为发酵原料，采用厌氧发酵方法，一次进料，发酵周期为90d。试验设置3 个处理组，每个处理重复4 次，试验结果取平均值。4 个试验处理分别为，T1：单独以猪粪为发酵原料（CK）；T2：以猪粪为发酵原料，添加经过物理粉碎方法处理的玉米秸秆；T3：以猪粪为发酵原料，添加稀H2SO4处理的玉米秸秆； T4：以猪粪为发酵原料，添加NaOH 处理的玉米秸秆。根据文献，厌氧发酵的条件为温度35 ℃，接种物量30%，TS为10%，pH 值为7.0 发酵效果较好[15]。猪粪发酵时添加不同处理的玉米秸秆，添加量按玉米秸秆与猪粪C/N 为25∶1（秸秆与猪粪干物质质量比为1∶2）进行配比，这样的C/N 比满足厌氧发酵过程中微生物对营养物质的最佳需求[16]。

1.4 主要测定项目与方法

沼渣的采取：厌氧发酵后经过滤取出沼渣，用去离子水洗涤2～3 次，离心后的沉淀物在40 ℃条件下烘干，研磨并通过100 目尼龙筛。

重金属形态形态提取及含量测定：采用1987 年欧共体标准司提出的BCR 连续提取法，将重金属形态按生物可利用性的大小顺序分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态[17]；再采用电感耦合等离子光谱法（ICP）测定干燥基沼渣中重金属各形态含量。

FTIR 分析：将发酵后的沼渣按照1∶400 与光谱纯的干KBr 混合，用研钵精细研磨并压成薄片，用FTIR 光谱仪在4 000～1 000 cm-1区间进行扫描，记录其光谱。根据测定结果计算以下指标[18-19]

1.5 数据分析

采用Office Excel 2013 对试验数据进行整理，采用SPSS24.0 软件对数据进行单因素方差分析和多重比较，采用Omnic 软件绘制红外光谱图。

2 结果与分析

2.1 添加玉米秸秆对猪粪厌氧发酵沼渣中重金属形态的影响

猪粪厌氧发酵前后各处理沼渣中重金属Cd各形态变化如表2 所示。

由表2 可知，猪粪厌氧发酵前重金属Cd 以可还原态（42.78%）为主，可交换态（30.77%）次之。猪粪单独厌氧发酵（T1）结束后，可交换态、可还原态Cd 降低，可氧化态、残渣态Cd 增加。说明猪粪厌氧发酵处理能有效降低重金属Cd 的有效性和流动性，降低重金属的污染风险。与猪粪单独发酵处理（T1）相比，添加不同预处理玉米秸秆厌氧发酵过程中，可交换态、可还原态Cd 含量占比均有所下降，可氧化态、残渣态Cd 含量占比均有所上升。说明在猪粪厌氧发酵过程中添加玉米秸秆有助于重金属Cd 从有效态转化为稳定态。

重金属对环境及生态系统形成污染危害主要取决于重金属的化学形态[20]。不同形态重金属的可移动性和生物可利用性不同，生物毒性也不同[21]。其中有效态重金属Cd 包含的可交换态和可还原态对环境变化较为敏感，在土壤—植物系统中迁移较为活跃，这两种形态对环境和生物危害最大。可氧化态和残渣态的性质较为稳定，不易被植物吸收，对环境影响较小，属于稳定形态[22]。因此降低重金属可利用态对于重金属污染治理具有重要意义。

2.2 添加玉米秸秆对猪粪厌氧发酵沼渣中重金属有效态钝化效果的影响

不同处理对重金属的钝化效果不同，图1 是添加玉米秸秆对猪粪厌氧发酵有效态重金属Cd 钝化效果的影响。

图1 各处理沼渣中重金属Cd 有效态钝化效果 Fig.1 Passivation effect of effective state of heavy metal Cd in biogas residue of each treatment

如图1 所示，对照组处理对有效态Cd 钝化效果为21.22%，说明猪粪单独厌氧发酵可以降低有效态Cd 的生物有效性。猪粪添加不同预处理玉米秸秆厌氧发酵结束后重金属Cd 有效态钝化效果有所提高，有效态钝化效果由高到低依次为：添加NaOH 处理秸秆（32.38%）>添加稀H2SO4处理秸秆（32.00%）>添加不经过处理的秸秆（29.60%）>对照组（21.22%）。通过对重金属Cd 的有效态钝化效果进行方差分析显示，添加玉米秸秆对猪粪厌氧发酵重金属 Cd 有效态钝化效果有极显著的影响（P<0.01）。通过多重比较分析结果表明，添加稀H2SO4处理玉米秸秆和NaOH 处理玉米秸秆的钝化效果显著高于添加不经过处理的玉米秸秆组（P<0.05）；添加NaOH处理玉米秸秆和稀H2SO4处理玉米秸秆的钝化效果无显著差异（P>0.05）。

2.3 添加玉米秸秆对猪粪厌氧发酵沼渣红外光谱的影响

本试验使用傅里叶红外光谱法（FTIR），通过特定波段吸收峰位置来确定厌氧发酵前后物料中官能团变化信息，反映发酵过程中有机物和腐殖质的变化情况[23]。厌氧发酵前后沼渣的红外光谱的变化情况如图2 所示。根据相关报告，3 408～3 450 cm-1波段表示-OH 伸缩振动，来源于有机物中碳水化合物、蛋白质、水分、酰胺化合物的羟基吸收；2 850～2 922 cm-1波段代表碳水化合物或脂肪族化合物中甲基（-CH3）和亚甲基（-CH2）的不对称和对称拉伸；1 600～1 653 cm-1的吸收带可能是由于苯环、烯烃上的-C=C-振动或羧酸、酰胺上的-C=O-的拉伸振动造成的；1 420～1 430 cm-1的条带对应于羧酸盐、木质素的-OH、-CH2的弯曲振动、-COO-的对称振动；1 240～1 264 cm-1表示芳醚、酚类、酯类等物质C-O-C、C-O 伸缩振动峰：1 105～1 160 cm-1是脂肪族化合物、碳水化合物、氨基酸盐的C-O-C、C-O、C-N 伸缩振动峰；1 037～1 053 cm-1是碳水化合物C-O 伸缩、-OH 弯曲振动峰[24-26]。

图2 猪粪添加玉米秸秆厌氧发酵前后红外光谱图 Fig.2 Infrared spectrum before and after anaerobic fermentation of pig manure and pig manure adding maize stover

由图2 可知，猪粪厌氧发酵前后不同处理物料具有类似的结构组成和官能团，仅在相对强度上存在一些差异。这可能是因为虽然添加了不同预处理方式的玉米秸秆，但其主要发酵原料仍是猪粪，这一结果与栾润宇等的研究结果一致[27]。其中，强度变化较为明显的峰值分别是3 408～3 422、2 850～2 922、1 642～1 653、1 240～1 264 和1 105～1 160 cm-1。

在3 408～3 414 cm-1，即碳水化合物、酰胺化合物、蛋白质的-OH 伸缩振动峰处，厌氧发酵后各处理在该处吸收峰的相对强度均有所降低。这表明猪粪中的碳水化合物、蛋白质和酰胺化合物逐渐分解，导致羟基基团不断减少，物料的化学成分发生了明显变化。在2 850～2 922 cm-1，即脂肪族化合物和碳水化合物亚甲基中C-H伸缩振动峰处相对强度也有所降低。表明物料中碳水化合物和脂肪族化合物等大分子有机物在微生物的作用下发生水解，导致其含量减小。在1 105～1 160 cm-1，即氨基酸盐的C-O-C、C-O、C-N 伸缩振动峰处，各处理在该处的吸收峰有一定的增强。表明蛋白质类物质在微生物的作用下水解为氨基酸，这一特征与厌氧发酵过程中将复杂有机物水解产生可溶性物质的过程一致[28]。在1 642～1 653 cm-1处，即羧酸类的C=O 伸缩、-COO-伸缩以及芳香族和烯烃的C=C 伸缩、N-H 伸缩振动峰，和1 240～1 264cm-1，即芳醚、酚类、酯类等物质C-O-C、C-O 伸缩振动峰处，厌氧发酵后各处理组在该处吸收峰的相对强度均有所提高。表明厌氧发酵过程中随着纤维素、木质素等有机物料的降解，木质素的降解产物如酚类、酯类等含量提高，且木质素残体与其他分解生成的有机中间产物聚合生成腐殖质，导致芳香环类、烯烃类等腐殖质含量增加。综上所述，在猪粪发酵过程中，含有-OH、-CH3和-CH2基团的物质相对减少，含有C-O-C、C-O、C=O、-COO-和芳香环基团的物质含量增加。说明猪粪厌氧发酵可以促进大分子有机物的分解和腐殖质的形成。

另外，在1 647 cm-1（芳香族化合物）处的特征峰强度与2 974 cm-1（脂肪族化合物）、1 406 cm-1（羧酸）、3 435 cm-1（碳水化合物）的比值可以表示物料中有机物的结构变化，评价猪粪厌氧发酵有机物腐殖化的程度[29]。比值越高表明有机物中碳水化合物、脂肪族化合物、羧酸类物质含量减少，芳香族化合物含量增加，物料中有机物腐殖化程度越高。厌氧发酵前后各处理的特征参数如表3 所示，a 是芳香族化合物/脂肪族化合物，b 表示芳香族化合物/羧酸盐，c 是芳香族化合物/碳水化合物。

表3 各处理沼渣中FTIR 特征参数比值 Table 3 The ratio of FTIR specific parameters in biogas residues of each treatment

由表3 可知，猪粪厌氧发酵前物料中a 值为0.827，对照组中a 值为0.829，添加玉米秸秆处理组中a 值为0.853～0.932；发酵前物料中b 值为1.137，发酵后各处理组中b 值从大到小依次为添加NaOH 处理玉米秸秆（1.160）、添加稀H2SO4处理玉米秸秆（1.159）、添加玉米秸秆（1.159）、对照组（1.156）；发酵前物料中c值为0.596，发酵后除猪粪添加不经过处理玉米秸秆组的c 值略有降低外，添加不同预处理玉米秸秆中的c 值均增加。

由表3 官能团及特征参数比值的变化表明，猪粪厌氧发酵后物料中脂肪族化合物、碳水化合物、羧酸等有机物减少，芳香族类物质相对增加，腐殖化程度有所提高，添加玉米秸秆处理强化了有机物腐殖化程度。这可能是因为：1）添加玉米秸秆提高了物料的孔隙率，为微生物分解碳水化合物、脂肪族、多糖等有机物提供更适宜的环境和更多的附着位点；2）玉米秸秆中含有较多的木质素，经过厌氧发酵分解生成腐殖质，增加物料中腐殖质浓度，有利于吸附固定更多的重金属Cd，提高重金属的钝化效果。因此，猪粪厌氧发酵中重金属的形态变化和钝化效果与物料中有机质的减少和腐殖质的形成具有一定的相关性[30]。

猪粪单独厌氧发酵及添加玉米秸秆可有效地钝化重金属，增加腐殖化程度，可从以下方面加以理解：1）腐殖质是有机物腐殖化的最终产物，具有高稳定性和强吸附性，其主要组成元素为碳、氢、氧、氮、硫、磷等[31]。通过腐殖质中大量的羧基、羰基等络合官能团与螯合官能团的络合吸附作用，使具有高活性的有效态Cd 大幅减少。腐殖质的形成与木质素降解有着密切的关系[32]。木质素及其降解产物如酚型化合物、醌型化合物及脂肪族化合物是腐殖质形成的主要前提物质，它们通过复杂的反应机制形成腐殖质[33]。添加玉米秸秆提高了发酵原料中木质素含量，增加了物料中腐殖质含量，从而有利于降低重金属Cd 的生物有效性；2）沼气发酵是微生物参与的生物过程，从沼气发酵的工艺条件出发，理论上沼气发酵最适宜的C/N 比为25∶1。C/N 比过低，导致微生物所需的氮素营养缺失，C/N 比过高，则限制微生物分解有机质。本试验通过添加玉米秸秆调节沼气发酵中的C/N比为25∶1，为厌氧微生物分解有机物和合成腐殖质提供了最适宜的环境，从而提高了对重金属Cd 的钝化效果，但其机理有待进一步研究。3）秸秆是一种结构致密的木质纤维素类生物质，在厌氧条件下难以被微生物分解[34]。秸秆经稀H2SO4、NaOH 处理后，会破坏细胞壁中半纤维素与木质素形成的共价键，破坏纤维素的结晶结构，有效促进玉米秸秆中木质素、纤维素和半纤维素的分解，且蛋白质、糖类等有机物的降解率也得到了提高，并被转化成了易被厌氧微生物利用的可溶性物质，从而促进其厌氧发酵水解阶段及聚合生成腐殖质阶段的进行[35-36]。而添加NaOH 处理的玉米秸秆发酵后对Cd 钝化效果与添加稀H2SO4处理的玉米秸秆的效果差异不显著（P>0.05）的原因可能是稀H2SO4对木质纤维素的降解作用弱于NaOH，这方面有待进行进一步的试验及机理研究。

3 结 论

1）猪粪经厌氧发酵及添加玉米秸秆，重金属Cd 的可交换态、可还原态降低，而可氧化态、残渣态增加；

2）猪粪厌氧发酵及添加玉米秸秆有利于降低有效态重金属Cd 的含量占比，提高Cd 的有效态钝化效果。显著性分析表明，玉米秸秆对猪粪厌氧发酵Cd 有效态钝化效果有极显著影响（P<0.01），添加酸碱处理玉米秸秆对Cd 钝化效果显著优于添加只进行物理粉碎处理的玉米秸秆（P<0.05）；添加稀H2SO4处理玉米秸秆对Cd 钝化效果与添加NaOH 处理玉米秸秆差异不显著（P > 0.05）。猪粪厌氧发酵过程中添加稀H2SO4和NaOH 处理秸秆可降低重金属的危害。

3）FTIR 及其特征参数比值显示，猪粪厌氧发酵及添加秸秆各处理沼渣中有机物含量减少，芳香族类化合物含量增加，有机物腐殖化程度增加。添加玉米秸秆处理可以提高沼渣中腐殖质含量，强化腐殖化程度。显著性分析表明，添加酸碱处理玉米秸秆处理沼渣中腐殖化程度明显高于猪粪单独发酵及添加物理粉碎玉米秸秆处理（P<0.05），且以添加NaOH 处理玉米秸秆为最佳，添加稀H2SO4处理玉米秸秆次之。