鸡粪好氧/厌氧发酵过程对腐植酸类物质组成与结构的影响
作者单位：齐鲁工业大学
学位级别：硕士
导师姓名：张杰
授予年度：2024年
学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 090101[农学-作物栽培学与耕作学] 0903[农学-农业资源与环境] 0901[农学-作物学]
摘 要：集约化养殖模式产生的畜禽粪污中含有大量的污染物,如果处置不当将严重破坏生态系统。厌氧发酵和好氧堆肥作为绿色环保的有机固体废弃物处理方式被广泛地应用在畜禽粪污资源化利用领域,这两种处理过程中均会产生较多的腐殖质(Humic substances,HS),即腐熟过程。深度腐熟后的HS还田能够起到改善土壤,提高土壤肥力,将其转化为腐殖土的作用,是一种绿色无毒的改良剂和调节剂。以往的研究多单纯研究好氧或厌氧一种方式中腐殖质类物质的变化情况及影响因素,但对于厌氧/好氧的联合作用对腐殖化过程的影响研究很少见。本文以鸡粪作为研究对象,分析好氧堆肥、厌氧发酵以及两种处理方式交替进行对样品的理化特性、物质结构、可溶性有机物结构以及细菌群落结构变化的影响,以期获得能够促进腐殖化过程的工艺技术。研究结果如下: (1)对照组(CK)、好氧堆肥组(AC)、厌氧发酵组(AD)、厌氧发酵后好氧堆肥组(ADAC)和好氧堆肥后厌氧发酵组(ACAD)5组样品的理化特性如下,在好氧堆肥的过程中AC组的堆肥温度更高且持续时间更长;好氧堆肥导致样品中的含水量、电导率(EC)值、C/N比下降、p H上升,厌氧发酵则相反。好氧堆肥以消耗C元素为主,而厌氧发酵以降解含氮化合物为主,氮元素的损失较多。厌氧发酵后氨氮、硝氮含量明显升高,好氧堆肥后硝氮含量增加。厌氧发酵和好氧堆肥均导致有机质含量下降,厌氧发酵后的样品的分解程度更高但只有好氧堆肥能够有效提高种子发芽指数(GI)。 (2)对样品物质结构进行固态核磁共振CP/MAS 13C NMR、X射线光电子能谱(XPS)和热稳定性(TGA)分析后发现,两种处理方式均会消耗鸡粪中的糖类结构,但厌氧发酵后生成的脂肪族结构和硫元素相对含量较多。厌氧发酵过程对热稳定性没有明显的提升,好氧堆肥过程有助于样品热稳定性的增加,经过好氧堆肥的样品含氧官能团含量达到39.95%和42.72%,在NMR结果中22.2±0.5 ppm和19.1±0.5 ppm附近出现代表芳香结构的峰说明好氧堆肥导致芳香结构增加,尤其ADAC组的腐殖化程度更高。 (3)对不同样品的可溶性有机物(DOM)进行光谱学分析,好氧堆肥过程中消耗简单芳香蛋白和可溶性微生物副产物生成的腐植酸类物质更多,而厌氧发酵后样品DOM中的糖类结构和蛋白质被大量消耗,生成较多的可溶性微生物副产物和小分子黄腐酸类物质。AC组与ADAC组的DOM中物质结构相似,但ADAC组的有机质分子量更大,芳香程度和腐殖化程度更高。 (4)经过不同方式的处理,样品内部群落结构发生明显变化。在细菌门水平上,CK组中蓝藻门、髌骨菌门、酸杆菌门和绿弯菌门的丰度较高,主要负责参与能量代谢活动。AC组和ADAC组的优势菌门主要以能有效刺激植物生长的蓝藻门、芽单胞菌门、粘球菌门为主。AD组和ACAD组蓝藻门优势明显,主要发挥固氮的作用。在细菌属水平上,AC组与ADAC组之间,AD组与ACAD组之间的优势菌属具有相似性。CK组优势菌属有假单胞菌属、棒状杆菌属和嗜蛋白菌属,多为病原体微生物。AC组和ADAC组中优势菌属有海洋芽胞杆菌属、海水微菌属、假纤细芽孢杆菌属、极小单胞菌属和莫氏杆菌属,这些菌属多为参与好氧堆肥过程中碳循环和氮循环的菌群。AD组的优势菌属有棒状杆菌属、嗜蛋白菌属、Caldicoprobacter菌属和拟杆菌属,主要发挥木质素降解以及发酵过程中产酸产气的作用。ACAD组的优势菌属为Caldicoprobacter菌属,可有效提高木质素的降解效率。通过对理化因素与细菌群落的关联性分析发现,厌氧发酵与好氧堆肥和理化因素之间的关联并不相同,AC组和ADAC组中的代表性微生物与总磷(TP)、总钾(TK)含量和GI相关性显著,AD组和ACAD组中的代表性微生物则与含水量、EC、总碳(TC)和总氮(TN)含量相关。同时,几组处理中与有机质含量相关性显著的菌群几乎都有参与碳循环和氮循环过程。
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