生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥腐殖酸形成及微生物演替的影響*

詹亞斌 張阿克 陳云峰 夏賢格 楊 利#

(1.農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室,湖北 武漢 430064;2.湖北省農業科學院植保土肥研究所,湖北 武漢 430064;3.阜陽市農業科學院,安徽 阜陽 236065)

餐廚廢棄物是特殊的有機固體廢物,包含大量的有機質[1]。中國2021年的餐廚廢棄物產生量已經達到1.2億t[2]。隨著社會發展以及垃圾分類工作的推進,餐廚廢棄物產生量將持續增加。好氧發酵是處理有機固體廢物的一個常見方法,堆肥產品富含養分和腐殖酸,這有利于有機固體廢物的資源回收和環境的可持續發展[3]。

腐殖酸是堆肥腐熟的標志性產物,且腐殖酸有利于植物生長、土壤修復[4]。腐殖酸形成機制主要包括木質素學說、多酚學說、微生物多酚學說、微生物合成學說、細胞自溶學說、糖-胺縮合學說等。大多數學說都認可微生物驅動的生物過程對腐殖酸形成至關重要,且堆肥物料來源對腐殖化過程影響顯著。(1)富含木質素的有機廢棄物堆肥腐殖化過程主要依賴以木質素-蛋白質復合體為核心的木質素學說,強調難分解的木質素在微生物作用下,經過一系列的脫甲氧基和氧化過程,形成具有酚羥基和羧基基團的腐殖酸形成基本結構單元——類木質素,并與源于微生物的含氮化合物聚合形成腐殖酸[5]。(2)富含結構相對簡單的非木質素(纖維素類、蛋白質類)的有機廢棄物堆肥中,多酚學說和微生物多酚學說居主導地位,微生物自身合成或非木質素有機質分解得到的酚被微生物分泌的多酚氧化酶氧化為醌,并與含氮化合物縮合形成腐殖酸[6]。(3)富含非木質素類有機廢棄物堆肥,纖維素、蛋白質等有機質分解產生的還原糖與氨基酸縮合、重排,并在堿性條件下形成小分子物質聚合形成腐殖酸,該過程沒有酚的直接參與,一般被稱為美拉德反應(即糖-胺縮合過程)[7]。本質上就是微生物將大分子物質分解為小分子化合物,這些小分子化合物一部分被微生物作為營養物質分解利用,一部分作為前體逐漸縮合形成腐殖酸。

堆肥腐殖酸的形成受到許多因素的影響。高溫有利于腐殖酸前體的形成,有利于堆肥的腐殖化[8]。添加石灰可以促進餐廚廢棄物堆肥腐殖酸的形成,但是會加速氮素的損失[9-10]。低曝氣量有利于雞糞堆肥腐殖酸復雜組分的形成,而高曝氣量則有利于腐殖酸簡單組分的形成[11]。高含水率會加劇芳香族腐殖酸的降解[12]。添加黏土、沸石、生物炭等也可以促進堆肥腐殖酸的形成[13-14]。生物炭具有多孔的特性,有利于微生物的繁殖,最終促進有機物向腐殖酸轉化,且生物炭本身含有大量腐殖質。生物炭多孔的特性也許可以保護腐殖酸的簡單組分,避免它被微生物分解。我國農作物秸稈超過8.2億t,未利用的占25%以上[15]。秸稈炭化可以減少秸稈燃燒造成的空氣污染,還可以實現固體廢物的高效利用,這為生物炭的大規模應用奠定了基礎。

餐廚廢棄物堆肥過程中添加生物炭促進腐殖酸形成的微生物機制并不知曉,因此,本實驗主要研究生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥腐殖酸前體轉化、腐殖酸形成、微生物演化的影響。本研究對生物炭在餐廚廢棄物肥料化上的應用具有參考價值。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

餐廚廢棄物取自蘇州市某中學食堂;鋸末購買自某木材廠;生物炭購買自某農業科技有限公司,將玉米秸稈放入管式爐中,充入N2并密封,在常壓500 ℃條件下,熱解2 h制成。具體性質見表1。

表1 堆肥材料基本性質Table 1 Basic properties of composting materials

1.2 實驗設計

將餐廚廢棄物與鋸末按照85∶15(鮮質量比)混合均勻,一共設置兩個處理,對照組(CK)不添加生物炭,處理組(BC)按照堆體干質量的5%添加生物炭;初始含水率調節至60%,在長、寬、高、壁厚分別為67.5、48.0、41.0、3.5 cm的反應器中裝入60 kg物料;每個處理3個重復。在堆肥的1、5、10、15 d多點取樣,混合成為1個樣品后采用四分法收集樣品300 g,其中200 g于4 ℃條件下保存,用于理化指標、腐殖酸前體的測定,100 g于-20 ℃保存,用于微生物的測定[16]。

1.3 分析方法

腐殖酸前體(還原糖、氨基酸、多酚)的測定參考文獻[17]。腐殖酸的提取、測定參考文獻[18]。采用脫氧核糖核酸(DNA)提取試劑盒(Omega Biotek,Inc)提取堆肥總DNA,經擴增純化后送往上海某生物醫藥科技有限公司測序;上游引物為515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’),下游引物為909R(5’-CCCCGYCAATTCMTTTRAGT-3’),聚合酶鏈式反應(PCR)擴增體系、程序參考文獻[19]。

1.4 數據分析

還原糖、氨基酸、多酚、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、HA/FA(質量比),HA組分、FA組分、微生物相對豐度(門、屬)、多樣性指數(Chao1指數)、豐富度指數(Shannon指數)通過OriginPro 2021作圖,腐殖酸三維熒光平行因子通過Matlab 2013分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭添加對堆肥腐殖酸前體轉化的影響

腐殖酸前體包含還原糖、氨基酸、多酚等,這些前體通過美拉德反應縮合成為腐殖酸[20]。與此同時,這些前體也可以作為能源被微生物分解利用,因此前體的含量通常呈下降趨勢(見圖1)。本次實驗中,隨時間的增加,還原糖和氨基酸呈現下降的趨勢(見圖1(a)、圖1(b)),且BC大體低于CK。而多酚則呈現先上升然后下降的趨勢(見圖1(c)),多酚的上升歸因于木質纖維素的降解,下降則歸因于多酚向腐殖酸的轉化。堆肥10～15 d,BC的多酚低于CK。堆肥結束時,BC的還原糖、氨基酸、多酚分別為2.05、1.57、2.25 mg/g,分別比CK低1.97、0.68、0.43 mg/g。以上結果表明添加生物炭可以促進還原糖、氨基酸、多酚向腐殖酸的轉化。

圖1 生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥腐殖酸前體轉化的影響Fig.1 Change of humus precursors concentration during composting with biochar addition

2.2 生物炭添加對堆肥腐殖酸含量、組分的影響

HA、FA、HA/FA的變化可以直接反映生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥效率的影響(見圖(2))。兩個處理的HA在1～5 d呈上升趨勢,在第10天有所下降,在堆肥結束又有所上升;HA的上升可以歸因于有機質向HA的轉化,HA的下降可能是餐廚廢棄物中含有大量的“假腐殖酸”,極其不穩定,易被微生物分解利用。堆肥結束時,BC的HA(17.04 mg/g)比CK(10.57 mg/g)高61.21%(見圖2(a))。FA則呈下降趨勢,且BC的FA在堆肥過程中幾乎始終低于CK(見圖2(b))。堆肥結束時,BC的FA(9.21 mg/g)比CK(11.95 mg/g)低2.74 mg/g。微生物可能使易降解的FA向HA轉化了[21]。HA/FA的變化趨勢與HA一致(見圖2(c))。堆肥結束,BC的HA/FA(1.85)比CK(0.88)高110.23%;說明添加生物炭有利于餐廚廢棄物堆肥的腐殖化[22]。HA和HA/FA的結果與文獻[17]的研究結果一致。在后續研究中,可以考慮延長堆肥周期,以促進前體向HA的轉化。

圖2 生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥腐殖酸變化的影響Fig.2 Change of humus during composting with biochar addition

注：CK-1是指1 d時的CK樣品,其余類推,圖4同。圖3 生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥腐殖酸組分變化的影響Fig.3 Change of humus components during composting with biochar addition

HA被劃分為4個組分(見圖3(a)),FA被劃分為3個組分(見圖3(b))。C1、C2、C3、C4代表腐殖酸的組分從簡單到復雜,C1易被微生物分解利用,C4組分復雜、較為穩定。1 d時餐廚廢棄物堆肥HA的C1占44.79%～49.25%、FA的C1占32.90%～35.13%;餐廚廢棄物的腐殖酸以簡單組分為主,說明其極易降解。堆肥過程中,C1呈下降趨勢,而C3、C4則呈上升趨勢。堆肥結束,BC的C4(20.88%)比CK(17.86%)高3.02百分點,這與文獻[23]的研究結果一致,說明添加生物炭有利于堆肥腐殖酸復雜組分的形成。

2.3 生物炭添加對堆肥微生物群落演替的影響

堆肥過程中主要的門水平微生物包括厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)(見圖4(a)),這與文獻[24]的結果一致。厚壁菌門隨時間增加呈先上升而隨后大體下降的趨勢,這可能是厚壁菌門耐受高溫導致的。堆肥過程中厚壁菌門的相對豐度在57%以上,顯著高于其他微生物。據報道,厚壁菌門是降解復雜有機物的關鍵菌群[25]。放線菌門的相對豐度大體呈上升趨勢,據報道它具有降解木質素的功能,可以促進堆肥腐殖化。

圖4 生物炭添加對餐廚廢棄物堆肥微生物演替的影響Fig.4 Change of bacterial community evolution during composting with biochar addition

堆肥過程中主要的屬水平微生物包括魏斯氏菌(Weissella)、糖單胞菌(Saccharomonospora)、乳酸桿菌(Lactobacillus)、嗜熱細菌(Thermobifida)、嗜熱放線菌(Thermoactinomyces)、脲桿菌(Ureibacillus)、氣單胞菌(Aerococcus)、芽孢桿菌(Bacillus)、好氧芽孢桿菌(Aeribacillus)、葡萄球菌(Staphylococcus)(見圖4(b)),這與文獻[26]的研究結果一致。魏斯氏菌是堆肥前期的優勢菌屬,魏斯氏菌會抑制堆肥的腐殖化,后期魏斯氏菌相對豐度減少,對堆肥的抑制作用降低。糖單胞菌、嗜熱細菌、嗜熱放線菌、脲桿菌是堆肥后期的優勢菌屬,這些微生物也許與腐殖酸的形成密切相關。添加生物炭對微生物種屬差異無影響,但是對其豐度有較大影響;也許添加生物炭可以提升促腐微生物的相對豐度,最終促進堆肥腐殖化。添加生物炭有利于堆肥微生物多樣性(Chao1指數)(見圖5(a))和豐富度(Shannon指數)(見圖5(b))的總體提升。

2.4 促腐微生物分析

將4個時期相對豐度加和>1%的微生物菌屬與前體、HA、FA、HA/FA進行Pearson相關性分析。氣單胞菌和土地芽孢桿菌(Terribacillus)與HA、HA/FA顯著正相關(P<0.05)。堆肥結束時,CK、BC的氣單胞菌相對豐度分別為0.20%、0.50%,土地芽孢桿菌相對豐度分別為0.02%、0.06%;說明添加生物炭有利于氣單胞菌和土地芽孢桿菌的生長,從而有利于腐殖酸的形成、堆肥的腐殖化。土芽孢桿菌(Geobacillus)和小多孢菌(Micropolyspora)與HA、HA/FA顯著負相關(P<0.05)。CK、BC的土芽孢桿菌相對豐度分別為3.59%、2.80%,小多孢菌的相對豐度分別為1.52%、1.36%;說明添加生物炭會抑制土芽孢桿菌和小多孢菌的生長,從而有利于腐殖酸的形成、堆肥的腐殖化。蠟樣芽孢桿菌(Cerasibacillus)、巨球菌(Macrococcus)、Tepidanaerobacter與FA、還原糖、氨基酸、多酚顯著負相關(P<0.05),CK和BC的蠟樣芽孢桿菌相對豐度分別為0.08%、0.09%,巨球菌的相對豐度分別為0.01%、0.02%,Tepidanaerobacter的相對豐度分別為0.02%、0.05%,說明添加生物炭會促進蠟樣芽孢桿菌、巨球菌、Tepidanaerobacter的生長,有利于前體向腐殖酸的轉化。堆肥結束時促腐微生物相對豐度見圖6。

圖6 促腐微生物相對豐度Fig.6 Relative abundance of bacteria promoting the formation of humic acid

本次研究主要基于測序分析和Pearson相關性分析識別促腐微生物;在后續研究中,可以通過調控促腐微生物,進而促進堆肥腐殖酸的形成。這些促腐微生物在腐殖酸形成過程中,究竟行使什么樣的功能并不知曉,在后續實驗中可以進一步研究。

3 結 論

添加生物炭可以促進餐廚廢棄物堆肥中氣單胞菌、土地芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、巨球菌、Tepidanaerobacter的生長,抑制土芽孢桿菌、小多孢菌的生長,有利于還原糖、氨基酸、多酚向腐殖酸的轉化。

本研究揭示了餐廚廢棄物堆肥HA不穩定的特征,且證明了添加生物炭可以促進餐廚廢棄物堆肥HA中簡單組分向復雜組分的轉化,這對生物炭在餐廚廢棄物肥料化上的應用具有深遠意義。