不同原料环保酵素对土壤全氮影响的试验研究

佟玉洁

(天津职业大学生物与环境工程学院，天津 300000)

1 概述

泰国乐素昆博士(Dr. Rosukon Poompanvong)将新鲜水果和蔬菜的废弃物经厌氧发酵制成环保酵素[1]，也被称为“垃圾酶”(Garbage Enzyme)。环保酵素含有多种活性酶和微生物群落[2]。环保酵素的制作过程简单易得，广泛应用于家居环境，特别是在东南亚地区和日本[3]。利用厨余鲜垃圾制作环保酵素既经济又对环境友好，因此也被称为“厨房的公益”。关于环保酵素对土壤的影响作用，国内有其对土壤有效氮、全氮和有机质，以及钾元素的影响研究[4-5]。有报道残余农药被环保酵素降解[6]，也有研究表明环保酵素可提高土壤肥力，并发现在试验土样中存在更多的蚯蚓[7-9]。

土壤氮元素含量是土壤养分的重要部分。土壤养分指土壤提供植物生长所必需的营养元素，主要取决于土壤含有的矿物质及有机质，包括有机质、氮、磷,以及钾、硫、铁、镁等物质。土壤中的氮元素含量称为全氮，全氮包括有机氮和无机氮。无机态氮约占全氮量的5%，可以被植物吸收利用；其余的有机氮被微生物矿化分解后，才能被植物利用。不同于环保酵素在实际制作中的混合发酵，研究采用不同果蔬皮分别发酵制作环保酵素，以比较其对土壤全氮含量的作用；并进一步分析冰箱存放对其提高土壤全氮含量的影响。

2 研究方法

2.1 环保酵素制作

选择新鲜蔬果皮为苹果皮、火龙果皮和蔬菜皮(茄子皮和胡萝卜皮)，切成块状置于容器内。将红糖、鲜蔬果皮、水(蒸馏水)，比例为1 ∶3 ∶10(重量比)混合置于容器中，发酵3个月至6个月。在发酵过程的最初1个月，需每天开瓶盖放气；之后，视气体量多少，逐渐减少开盖频率至完全没有气体产生，将其放置阴凉处。以火龙果为例，在第10周时，开盖已基本无气体放出；将其置于阴凉处至6个月。第1周至第10周的观察如下：

(1)第1周～5周，需每天开盖放气，气味轻微刺鼻，混合液颜色逐渐变红。

(2)第6周，开盖时仍有气体，气味浓郁香味，混合液呈火龙果皮色。

(3)第7周，开盖时气体量有所减少，气味中略有酸味，颜色无明显变化。

(4)第8周，开盖时气体量继续减少并维持稳定，有明显的发酵酸味，混合液颜色逐渐变深。

(5)第9周，开盖时有微弱气体产生，其它方面与第8周相比无变化。

(6)第10周，开盖时基本无气体产生，其它方面与第9周相比无变化。

发酵成功的环保酵素成品无异味，溶液颜色清透不浑浊，原料沉淀在底部，无腐烂迹象。不同原料制得的环保酵素成品的感官特征具有各自的特点(表1)。

表1 不同原料制作的环保酵素成品特征Tab.1 Characteristics of garbage enzyme made from different raw materials

2.2 土样采集

试验用土样采自校外河岸土，采样方法为网格法，采样深度为10 cm。采样后将土样放在阴凉通风的地方风干，将其置于5个长、宽、高均为7 cm的透气塑料花盆中(分别编号0、1、2、3、4)。

2.3 试验方法

试验编号0、1、2、3、4(表1)；分别为对照组、苹果皮酵素(发酵6个月)、火龙果皮酵素(发酵6个月)、蔬菜皮酵素(发酵6个月)、蔬菜皮酵素(发酵6个月后，置于冰箱保存1 a)。用纱布过滤环保酵素，分别取0.5 mL的4种环保酵素置于4个锥形瓶中，加蒸馏水500 mL，使环保酵素与水的体积比为1 ∶1 000。0组为对照，仅用蒸馏水浇灌土样。用上述编号浇灌编号0、1、2、3、4组的试验土样。试验时间为 28 d，每次的浇灌体积为20 mL， 2 d浇灌1次土壤。在每周的固定时间测定全氮，全氮测定方法为《土壤质量 全氮的测定 凯氏法》(HJ 717—2014)[10]。

2.4 仪器和试剂

凯氏法测氮的试验仪器包括：研磨机，玻璃研钵；土壤筛：孔径2.0 mm、0.25 mm；分析天平：精度为0.000 1 g和0.001 g；带孔专用消解器或电热板；凯氏氮蒸馏装置；凯氏氮消解瓶(50 mL)；酸式滴定管(25 mL)；锥形瓶(250 mL);小花盆(长、宽、高均为7 cm)。

试剂包括：无氨水、浓硫酸(优级纯)、浓盐酸、高氯酸、无水乙醇、硫酸钾、五水合硫酸铜、二氧化钛(优级纯)、五水合硫代硫酸钠、氢氧化钠(优级纯)、硼酸(优级纯)、无水碳酸钠(基准试剂)、催化剂；还原剂、10 mol/L氢氧化钠溶液、硼酸溶液(2%)、碳酸钠标准溶液(0.050 0 mol/L)、甲基橙指示剂(0.5 g/L)、盐酸标准贮备溶液(0.05 mol/L)、盐酸标准溶液(0.01 mol/L)、混合指示剂。

3 结果与分析

各种蔬果皮发酵后的混合液呈酸性。大肠杆菌Escherichiacoli和总大肠菌群totalcoliform未被检出。大肠杆菌和总大肠菌群是检测样品是否被污染的重要指标[2]，表明自制环保酵素在制作过程中未被污染。

试验土样全氮背景值是1.78 g/kg。试验结果表明：除对照组，所有试验土样的全氮含量均高于试验土样全氮背景值(图1)。随着灌溉时间的增长，1组～4组试验土样的全氮含量均逐渐增加，而且在3周后明显增长，并于灌溉4周后达到最大值，分别为4.02 g/kg,4.53 g/kg，3.05 g/kg和4.72 g/kg；均大于对照土样4周后的全氮含量(1.76 g/kg)，说明环保酵素稀释液浇灌土壤可有效提高土壤全氮含量。

图1 不同原料和保存期环保酵素浇灌土壤全氮含量变化图Fig.1 Total nitrogen variation of soil irrigated by garbage enzyme made by various materials with different storage time

发酵后6个月的苹果皮、火龙果皮和蔬菜皮环保酵素(1组、2组、3组)中，2组(火龙果皮)全氮最高(4.53g/kg),其次是1组(苹果皮，4.02 g/kg)，最低是3组(茄子皮，3.05 g/kg)(图2)。发酵6个月后置于冰箱保存1 a的蔬菜皮环保酵素(4组)，其全氮含量最高，为4.72 g/kg；对应的3组同样原料环保酵素(发酵6个月)全氮含量为3.05 g/kg。表明：由同样蔬菜皮制得的环保酵素，置于冰箱内存放1 a再使用，对土壤全氮的增加量提高1.30倍。说明冰箱存放并不影响环保酵素活性，而且活性增强。

图2 不同原料和保存期环保酵素浇灌土壤全氮含量比较图Fig.2 Total nitrogen comparison of soil irrigated by garbage enzyme made by various materials with different storage time

对照组土样的全氮含量在试验期间轻微变化，并于第4周后达到1.76 g/kg，接近背景值(1.78 g/kg)。第1周，对照组0组的全氮含量(1.48 g/kg)低于背景值(1.78 g/kg)，是因为浇灌的冲淋作用导致土壤全氮含量一定程度的流失。随后，全氮含量逐渐回升，并于第1周后，接近试验土样背景值，这种变化仅与浇灌效应有关。

4 讨论

环保酵素中的生物活性酶包括水解酶、淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶。微生物菌群主要为乳酸菌、酵母菌、霉菌，其中功能菌有纤维素降解菌、硝化细菌等[11]。用一定比例的环保酵素稀释液浇灌土样，可提高土壤全氮含量，因为土壤中存在两种相对的作用[12]。环保酵素含有的厌氧菌具有反硝化作用可减少土壤全氮。通过反硝化作用，硝酸盐被还原为亚硝酸盐，进一步在微生物的作用下生成氨气。另一方面，环保酵素中的微生物可进行氨化作用，即有机质被矿化，有机氮被分解为氨气(或铵离子形式)，进而提高土壤全氮含量。在这两方面的共同作用下，用具有一定稀释比的环保酵素稀释液浇灌土样，试验土样的全氮含量随浇灌时间的增长表现出逐渐提高的趋势，并在四周后达到最高值。制作环保酵素的原料不同，发酵产物的微生物种群和活性酶的组成和含量也不同。三种原料中，由火龙果皮制作的环保酵素具有较高活性。环保酵素制成后，置于冰箱存放(1 a)并不影响环保酵素活性。在低温保存过程中，环保酵素仍持续释放活性物质，所以一定的保存期可增加其活性。

5 总结

研究结果表明：环保酵素可以有效影响土壤全氮含量；随着浇灌时间的延长，土壤全氮含量逐渐增长。发酵6个月后于冰箱内保存1 a的蔬菜皮环保酵素，浇灌四周后全氮含量最高，其对土样全氮含量的影响最大。发酵6个月的3种环保酵素中，火龙果皮环保酵素具有较高的活性，其次是苹果皮，最后是蔬菜皮。由同样蔬菜皮制得的环保酵素，发酵6个月后使用和冰箱内存放1 a再使用，后者对土壤全氮含量的影响变强，说明存放并不影响环保酵素中的活性酶活性。

环保酵素与环境相容，其制作方法简单、且制造过程不使用任何化学合成物质，无二次污染。自制环保酵素使生活垃圾减量化、资源化。环保酵素在生活中有很多用途，更可被应用于环境污染治理领域。环保酵素具有生态效益和社会效益，适宜大力推广。