蔬菜废弃物堆肥过程中有机氮转化的机理

摘要

自国家实施了“菜篮子工程”以来，随着居民对蔬菜品质要求的提高，我国蔬菜种植面积、蔬菜产量快速发展，蔬菜废弃物也急剧增长，处理不当则污染环境。好氧堆肥是处理这些废弃物的一种较有效的方法。但好氧堆肥中氮素损失是影响堆肥质量、造成二次污染的主要问题。有机氮是堆肥过程中主要的氮形态，其转化和固存影响着堆肥的质量和堆肥化的二次污染问题，探究堆肥中有机氮组分的转化及其对铵形成的贡献,对于控制堆肥过程氮素损失，提高堆肥质量，减小环境污染具有重大意义。本文以蔬菜废弃物为原料，以小麦秸秆和玉米秸秆为调理剂、以生物质炭、过磷酸钙和两种不同菌剂作为添加剂探究不同堆肥过程中有机氮组分的转化以及其转化过程对铵形成的贡献，探讨蔬菜废弃物堆肥过程中与氮转化相关的功能微生物在氮转化过程的微生物机理。主要研究结论如下： （1）在蔬菜废弃物中添加小麦秸秆和玉米秸秆，堆肥铵态氮含量分别减少了79.6%和51.4%，添加小麦秸秆处理全氮含量增加了34.29%，添加玉米秸秆处理全氮含量减少了6.22%；添加生物质炭和过磷酸钙两种固氮添加剂时，铵态氮含量的减少量分别比对照减少了3.14倍和1.42倍，全氮含量的增加量比对照少了98.97%和91.65%；添加两种高效菌剂：菌剂一号和菌剂二号，堆肥中处理铵态氮含量的减少率分别比对照减少了3.12%和17.07%，添加菌剂一号全氮含量的减少率比对照减少了61.03%，添加菌剂二号处理全氮含量的减少率比对照增加了89.32%。 （2）通过路径分析，结合有机氮组分转化对NH4+形成过程产生总影响发现：在蔬菜废弃物堆肥过程以小麦秸秆为调理剂时，NH4+-N主要来源于酸解氨态氮(0.891)；以玉米秸秆为调理剂时，NH4+-N主要来源于酸解氨基酸态氮(0.983)；NH4+-N主要转化为酸解氨基糖态氮。添加生物质炭时，NH4+-N主要来源于酸解氨基糖态氮(0.782)和酸解氨基酸态氮(0.624)；添加过磷酸钙时，NH4+-N主要来源于酸解氨基糖态氮(0.665)和酸解氨态氮(0.485)；NH4+-N主要转化为酸解未知氮。在蔬菜废弃物堆肥过程中添加微生物菌剂一号时，NH4+-N主要转化为四种有机氮组分；添加微生物菌剂二号时，NH4+-N主要来源于酸解氨基酸态氮(0.317)，NH4+-N主要转化为酸解氨基酸态氮和酸解氨基糖态氮。 （3）亚硝酸还原酶、脲酶、天冬酰胺酶和蛋白酶能够促进NH4+-N的形成。硝酸还原酶能够促进NH4+-N转化为有机氮等固定铵的物质，其中硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和脲酶是影响铵转化和有机氮矿化的主要因素。总有机碳和电导率能够促进有机氮矿化为NH4+-N，而温度和pH能通过抑制亚硝酸还原酶的活性减少氮素的矿化作用。在整个堆肥周期中，总有机碳是影响酶活性的最主要因素。在蔬菜废弃物堆肥过程添加生物质炭和过磷酸钙两种固氮物质时，富里酸类物质和胡敏酸类物质将NH4+–N固定下来，减少NH4+–N转化氨，促进有机氮矿化成NH4+–N。此外pH值也可促进NH4+–N形成，而微生物量氮、溶解性有机碳、含水率和总有机碳能减少NH4+–N形成。富里酸类物质(28.3%)和微生物量氮(19.0%)是影响氮素转化的主要因素。在蔬菜废弃物堆肥过程添加不同的菌剂时发现，含水率在60%~80%内能促进NH4+-N的形成，同时堆肥过程中大量NH4+-N被微生物转化成富里酸类物质和胡敏酸类物质。富里酸类物质(21.0%)是影响氮素转化的重要因素。 （4）在蔬菜废弃物堆肥的样品中共检测到19个门、54个纲、109个目、249个科和611个属。魏斯氏菌（Weissella）、乳杆菌（Lactobacillus）、蓝藻（Cyanobacteria-unidentified）、明串珠菌（Leuconostoc）、志贺氏大肠杆菌（Escherichia-shigella）、鲍曼不动杆菌（Acinetobacter）是aprA基因重要的宿主细菌；魏斯氏菌（Weissella）、乳杆菌（Lactobacillus）、蓝藻（Cyanobacteria-unidentified）、明串珠菌（Leuconostoc）、志贺氏大肠杆菌（Escherichia-shigella）、鲍曼不动杆菌（Acinetobacter）是chiA基因重要的宿主细菌；不可培养厚壁菌门1（Firmicutes-uncultured-1）、赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus）、好氧芽孢杆菌（Aeribacillus）、不可培养厚壁菌门2（Firmicutes-uncultured-2）、尿素芽孢杆菌（Ureibacillus）、棒状杆菌（Corynebacterium）是amoA基因重要的宿主细菌；不可培养厚壁菌门1（Firmicutes-uncultured-1）、棒状杆菌（Corynebacterium）、梭状芽孢杆菌（Peptoclostridium）是HAO基因重要的宿主细菌。堆肥的腐殖化过程可减少与蛋白质降解相关基因的丰富度，进而减少了由蛋白质降解产生铵而造成的损失，同时腐殖化过程还促进氨氧化作用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 蔬菜废弃物的堆肥化

1.1.1 我国蔬菜产业的现状

1.1.2 蔬菜废弃物的特点及危害

1.1.3 蔬菜废弃物的堆肥化

1.2 高温好氧堆肥过程氮素转化规律

1.2.1 高温好氧堆肥过程氮素转化规律及对环境的影响

1.2.2 好氧堆肥过程中有机氮素的组成与转化

1.2.3 好氧堆肥过程中的微生物群落及作用

1.3 好氧堆肥调理剂的研究进展

1.3.1 好氧堆肥膨松剂

1.3.2 好氧堆肥固氮调理剂

1.3.3 好氧堆肥的外源微生物菌剂

1.4 研究目的与意义

1.5 研究内容

1.5.1 膨松剂对蔬菜废弃物堆肥过程有机氮转化的影响

1.5.2 固氮调理剂对蔬菜废弃物堆肥过程有机氮转化的影响

1.5.3 菌剂对蔬菜废弃物堆肥过程有机氮转化的影响

1.5.4 蔬菜废弃物堆肥过程中氮素转化的微生物机理

1.6 技术路线

第二章 膨松剂对蔬菜废弃物堆肥过程有机氮转化的影响

2.1 材料与方法

2.1.1 堆肥材料

2.1.2 反应装置

2.1.3 堆肥处理与采样

2.1.4 测定指标与方法

2.1.5 数据统计与分析

2.2 结果与讨论

2.2.1 堆肥过程中理化性质的变化

2.2.3 堆肥过程中有机氮转化机理

2.2.4 堆肥过程中酶活性的变化

2.2.5 堆肥过程中酶活性与氮组分的关系

2.2.6 堆肥过程中物理化学性质对氮素转化的影响

2.3 小结

第三章 固氮调理剂对蔬菜废弃物堆肥过程有机氮转化的影响

3.1 材料与方法

3.1.1 材料与反应装置

3.1.2 堆肥处理与采样

3.1.3 测定指标与方法

3.1.4 数据统计与分析

3.2 结果与讨论

3.2.1 堆肥过程中理化性质的变化

3.2.2 堆肥过程中氮组分的变化

3.2.3 堆肥过程中有机氮转化机理

3.2.4 堆肥过程中有机物的三维荧光光谱特征

3.2.5 三维荧光光谱区域体积积分（FRI）

3.2.6 堆肥过程中理化性质及腐殖类物质对氮素转化的影响

3.3 小结

第四章 菌剂对蔬菜废弃物堆肥过程有机氮转化的影响

4.1 材料与方法

4.1.1 材料与反应装置

4.1.2 堆肥处理与采样

4.1.3 测定指标与方法

4.1.4 数据统计与分析

4.2 结果与讨论

4.2.1 堆肥过程中理化性质的变化

4.2.2 堆肥过程中氮组分的变化

4.2.3 堆肥过程中有机氮转化机理

4.2.4 堆肥过程中有机物的三维荧光光谱特征

4.2.5 三维荧光光谱区域体积积分（FRI）

4.2.6 堆肥过程中理化性质及腐殖类物质对氮素转化的影响

4.3 小结

第五章 蔬菜废弃物堆肥过程中氮素转化的微生物机理

5.1 材料与方法

5.1.1 材料与反应装置

5.1.2 堆肥处理与采样

5.1.3 化学指标测定与方法

5.1.4 微生物多样性与功能基因的测定方法

5.1.5 数据统计与分析

5.2 结果与讨论

5.2.1 堆肥过程中氮转化相关的功能基因丰度的变化

5.2.2 堆肥过程中细菌群落多样性及结构组成的变化

5.2.3 堆肥过程中氮转化相关的功能基因与细菌的network分析

5.2.4 堆肥过程中理化性质对氮转化相关的功能细菌群落结构的影响

5.3 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

作者简介