重金属Cu、Zn对堆肥过程中微生物及氧化还原酶活性的影响

论文摘要

堆腐过程是在微生物及其分泌的酶作用下进行的,堆料中重金属的存在可能对堆料中的微生物产生一定的毒害作用,同时使酶的活性受到抑制。针对重金属对堆肥过程中微生物和酶活性的影响,在总结前人相关领域研究成果的基础上,以农家猪粪、小麦秸秆和菌棒为堆腐材料,通过添加外源重金属铜、锌,利用静态高温堆肥装置研究了重金属影响下堆腐过程中多酚氧化酶、脱氢酶活性,堆料温度、pH值、胡敏酸E4/E6值等指标在堆腐过程中的变化,以及堆腐过程中不同时期堆料微生物群落的变化。取得了以下主要研究成果:1.铜对猪粪堆肥过程中氧化还原类酶活性的影响（1）不同浓度的重金属Cu在堆肥过程中对堆料理化性质的影响不同。从温度变化来看,Cu含量为100 mg·kg-1的堆料升温快,高温期持续时间长,最高温度高于CK和Cu含量为500 mg·kg-1的堆料,达到无害化处理要求。从pH值变化来看,CK处理pH值相对比较低,不利于葡萄糖和蛋白质的降解以及微生物正常的新陈代谢。Cu含量为500 mg·kg-1处理的堆料pH值过高,易导致氮素的损失。Cu含量为100 mg·kg-1处理的堆料pH控制在7-8之间,有利于微生物增长和蛋白质分解。从E4/E6值变化来看,Cu含量为100 mg·kg-1处理的堆料在堆腐过程中更有利于有机物料的矿化和腐殖化。（2）从堆肥过程中多酚氧化酶的活性来看,Cu含量为100 mg·kg-1处理的堆料平均多酚氧化酶活性最高,为19.34 mg没食子素·g-1·h-1,比CK高71.77%,比Cu含量为500 mg·kg-1处理的堆料高1.84%,有助于堆料中木质素的降解。（3）从堆肥过程中脱氢酶的活性来看,Cu含量为100 mg·kg-1处理的堆料脱氢酶活性变化很大,表现出一定的不稳定性,同时,其平均脱氢酶活性也最高,为5.09 TFug/g·h,是CK酶活的2.51倍,是Cu含量为500 mg·kg-1处理堆料酶活的3.02倍,有利于堆料物质的氧化还原。2.锌对猪粪堆肥过程中氧化还原类酶活性的影响（1）不同浓度的重金属Zn在堆肥过程中对堆料理化性质的影响不同。从温度变化来看,较低浓度Zn处理(Zn含量分别为0 mg·kg-1,300 mg·kg-1,600 mg·kg-1,900 mg·kg-1)的堆料升温快,在高温期持续时间长,并达到无害化处理;从pH值变化来,Zn含量为300 mg·kg-1、600 mg·kg-1、900 mg·kg-1的堆料对pH有较强的控制能力,可减少氮素的损失;从E4/E6值变化来看,Zn含量为600 mg·kg-1和900 mg·kg-1的堆料E4/E6值大多数情况下低于其余各处理,有利于腐殖质的缩合和芳构化。（2）从堆肥过程中多酚氧化酶的活性来看,Zn含量为600 mg·kg-1的堆料多酚氧化酶平均活性最高,为11.69 mg没食子素·g-1·h-1,比CK高14.94%,比Zn含量为300 mg·kg-1处理高12.84%,比Zn含量为900 mg·kg-1处理高14.05%,比Zn含量为1200 mg·kg-1处理高8.70%,有助于堆料中木质素的降解及其产物的转化对多酚氧化酶活性有激活效应。（3）从堆肥过程中脱氢酶的平均活性来看,Zn含量为600 mg·kg-1的堆料脱氢酶平均活性最高,为14.69 TFug/g·h,比CK高9.92%,比Zn含量为300 mg·kg-1处理高14.50%,比Zn含量为900 mg·kg-1处理高19.17%,比Zn含量为1200 mg·kg-1处理高32.41%,有利于微生物生长繁殖和堆料的氧化还原。同时,Zn含量为300 mg·kg-1、600 mg·kg-1、900 mg·kg-1的堆料脱氢酶活性均表现出一定的不稳定性,可能是重金属对脱氢酶活性有抑制作用的同时发生“抗性酶活性现象”。3.锌对猪粪堆肥过程中微生物群落的影响（1）不同浓度重金属Zn污染的堆料在整个堆腐过程中,重金属Zn含量为600 mg·kg-1的处理和900 mg·kg-1的处理微生物活性高,有利于增加堆料微生物群落的丰富度和功能多样性。较低浓度重金属Zn处理的堆料中微生物对多聚物类和糖类的利用效能最为显著,而芳香类化合物的利用率均比较低。（2）不同浓度重金属Zn污染的堆料微生物对碳源的利用中,Zn含量为600 mg·kg-1的处理与300 mg·kg-1的处理差异显著,Zn含量为900 mg·kg-1的处理与1200 mg·kg-1的处理差异显著,而Zn含量为600 mg·kg-1的处理与900 mg·kg-1的处理差异不显著,且这两个处理在整个堆腐过程中堆料微生物群落较其他各处理稳定。推断出有利于猪粪堆腐的重金属浓度临界值可能在600 mg·kg-1和900 mg·kg-1之间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 畜禽粪便对环境的污染及资源化利用
• 1.3.2 畜禽粪便高温堆肥机理
• 1.3.3 堆肥化中酶学研究进展
• 1.3.4 堆肥化中微生物群落结构的研究进展
• 1.3.5 重金属污染对酶活性及微生物群落结构影响的研究
• 第二章 铜对猪粪堆肥过程中氧化还原酶活性的影响
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.3 试验设计
• 2.1.4 堆肥装置
• 2.1.5 项目测定与方法
• 2.1.6 数据处理
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 重金属Cu 在堆肥过程中对堆料理化性质的影响
• 2.2.2 重金属Cu 在堆肥过程中对堆料氧化还原酶活性的影响
• 2.3 小结
• 第三章 锌对猪粪堆肥过程中氧化还原酶活性的影响
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验方法
• 3.1.3 试验设计
• 3.1.4 堆肥装置
• 3.1.5 项目测定与方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 重金属Zn 在堆肥过程中对堆料理化性质的影响
• 3.2.2 重金属Zn 在堆肥过程中对氧化还原酶活性的影响
• 3.3 小结
• 第四章 锌对猪粪堆肥过程中微生物群落的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 试验方法
• 4.1.3 试验设计
• 4.1.4 堆肥装置
• 4.1.5 项目测定与方法
• 4.1.6 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 重金属Zn 在堆肥过程中对堆料温度的影响
• 4.2.2 重金属Zn 在堆肥特征时期对微生物群落功能多样性的影响
• 4.3 小结
• 第五章 主要创新点及研究展望
• 5.1 主要创新点
• 5.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介