農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物堆肥過程中微生物多樣性與物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系研究.pdf

1、以奶牛糞便為主要堆肥材料，輔以添加稻殼粉、鋸木屑作為堆肥水分調(diào)節(jié)劑和膨松劑，采用高溫好氧堆肥方式研究了堆肥過程中微生物多樣性及物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系。 利用微生物可培養(yǎng)方法對(duì)堆肥過程中微生物群落演替規(guī)律進(jìn)行了定量分析。研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物堆肥過程是一個(gè)由細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物共同作用并且在不同堆肥階段由不同優(yōu)勢(shì)微生物群落互相演替的過程。在堆肥起始階段細(xì)菌首先快速增長(zhǎng)，迅速成為堆肥起始階段的優(yōu)勢(shì)微生物群落；堆肥進(jìn)入高溫期后，細(xì)菌數(shù)

2、量下降，放線菌、真菌數(shù)量上升，特別是放線菌數(shù)量增加比較明顯；在堆肥的降溫期真菌為堆肥優(yōu)勢(shì)微生物群落；在堆肥過程中細(xì)菌的數(shù)量在8.1×10<'8>～1.2×10<'9> CFU g<'-1>之間，比放線菌1.0×10<'6>～1.1×10<'7> CFU g<'-1>、真菌1.0×10<'5>～5.6×10<'7> CFU g<'-1>高出近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 利用分子生物學(xué)方法——變性凝膠梯度電泳(Denaturing Gradien

3、t Gel Eletmphoresis，DGGE)法從分子微生態(tài)學(xué)角度對(duì)堆肥過程的微生物的多樣性進(jìn)行了定性分析。分子微生態(tài)學(xué)方法定性分析研究表明在堆肥過程中細(xì)菌群落的相似性和堆肥過程密切相關(guān)，即堆肥取樣時(shí)間間隔越短的堆肥樣品細(xì)菌群落相似性越高，如堆肥第一天和堆肥第四天的細(xì)菌群落的相似性最高達(dá)92％以上；而成熟堆肥階段的細(xì)菌群落和堆肥起始階段的細(xì)菌群落的相似性相差最大，相似性只有30％，說明堆肥過程中的微生物群落的演替是一個(gè)逐步變化的過程

4、。就堆肥中放線菌多樣性而言，其在堆肥初期就已經(jīng)有一些放線菌存在，但它們的數(shù)量和種類相對(duì)較少。隨著堆肥進(jìn)行，特別是在進(jìn)入堆肥的高溫期后放線菌的種類和數(shù)量明顯增多，放線菌多樣性豐富。放線菌群落變化與堆肥時(shí)間正相關(guān)，即堆肥時(shí)間間隔短的放線菌菌落相似性程度高。 堆肥過程中真菌群落變化和細(xì)菌群落及放線菌群落演替所不同的是堆肥過程中的細(xì)菌、放線菌群落的相似性和堆肥過程密切相關(guān)，而真菌則與堆肥過程中隨時(shí)間的變化規(guī)律不明顯，真菌群落在堆肥后期多

5、樣性豐富。 利用紅外光譜(Infrared Spectrum，IRS)分析技術(shù)對(duì)堆肥過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)：①隨著堆肥過程的進(jìn)行，堆肥中所含的羥基、甲基和亞甲基的量逐漸降低，而甲氧基的含量增加；且羧基最終大多以羧酸鹽的形式存在。甲基和亞甲基含量的降低，表明堆肥原材料的脂肪族化合物特征下降。與此同時(shí)，伴隨著堆肥原材料脂肪族類化合物性質(zhì)的降低，堆肥中芳香族類化合物性質(zhì)則趨于相對(duì)升高。這說明堆肥過程中碳水化合物及脂肪族化

6、合物分解較快，而木質(zhì)素分解相對(duì)較慢。②對(duì)不同堆肥原材料組分分解形成的物質(zhì)來說，碳水化合物和脂肪族化合物分解后大部分生成CO<,2>而放出；蛋白質(zhì)和氨基酸等含N化合物一部分生成CO<,2>、NH<,4><'+>和NO<,3><'->，另一部分則以酰胺態(tài)-N存在；而木質(zhì)素的分解則主要生成氫醌類物質(zhì)。堆肥過程中含碳素物質(zhì)和含氮素物質(zhì)的變化，致使堆肥過程中堆肥的碳氮比(carbon/nitrogen，C/N)發(fā)生了變化，堆肥C/N的變化可能是堆

7、肥微生物群落變化的重要原因之一。利用固相微萃取-氣相-質(zhì)譜聯(lián)用(solid phase microextraction-gas chromatogram-mass spectrum，SPME-GC-MS)技術(shù)對(duì)堆肥中的低分子量有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行了定量和定性分析研究。研究表明堆肥中的低分子量有機(jī)物質(zhì)中包含多種低分子有機(jī)酸，如乙酸、丁酸、蠟酸、辛酸、苯甲酸等，另還包括乙醛、壬醛、芋烯等。其中乙醛、乙酸、壬醛在堆肥中穩(wěn)定且含量較高，可作為判斷堆肥腐

8、熟度的參考指標(biāo)。對(duì)植物有促生和抗生作用的生物活性物——苯甲酸(benzoic acid)和芋烯(limonene)首次在堆肥產(chǎn)品中被發(fā)現(xiàn)，其中苯甲酸具有化感作用，芋烯對(duì)松樹蟲害——刺脛小蠹具有防治作用。 利用SPME-GC-MS技術(shù)研究堆肥中低分子量有機(jī)物質(zhì)，開辟了對(duì)堆肥中低分子量有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行定量分析和詳細(xì)分類研究的新領(lǐng)域，對(duì)為篩選可在農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物堆肥過程中積累有益低分子量有機(jī)物質(zhì)的微生物腐熟菌劑作了有意義的探索。堆肥中低

9、分子量有機(jī)物質(zhì)的分析為有機(jī)堆肥產(chǎn)品施入土壤后的生物學(xué)和化學(xué)行為的研究提供了較為詳細(xì)的資料。 利用近紅外光譜(near-infrared spectroscopy，NIRS)分析技術(shù)分析測(cè)定了有機(jī)堆肥過程中鉀含量的變化，根據(jù)所測(cè)得的結(jié)果對(duì)近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，利用處理后的小波系數(shù)，采用偏最小二乘法預(yù)測(cè)了有機(jī)肥料中植物營(yíng)養(yǎng)元素鉀的含量，建立了小波變換與近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合用于測(cè)定以奶牛糞便為主的有機(jī)堆肥產(chǎn)品中鉀元素的測(cè)定模型。

10、結(jié)果表明：小波變換充分提取了近紅外光譜的信息，數(shù)據(jù)壓縮為原始大小的3.6％，計(jì)算量大大減少；本文利用C<'4>小波系數(shù)對(duì)48個(gè)有機(jī)肥料樣本進(jìn)行建模，對(duì)42個(gè)預(yù)示集樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)示集的誤差均方根和相關(guān)系數(shù)r<'2>分別為0.1138％和0.927，優(yōu)于原始光譜直接建模的0.1672％和0.835。該方法和目前常用的測(cè)定有機(jī)肥料中植物營(yíng)養(yǎng)元素鉀含量的方法——原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectrometry，AA