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不同物料堆肥过程中溶解性有机质和腐殖酸的物质结构演化时序差异分析赵芹1,2，程东会1，王燕2，赵昕宇2，党秋玲2*1.长安大学水利与环境学院2.中国环境科学研究院摘要以提取鸡粪未添加菌剂（CM）、鸡粪添加菌剂（CMB）及餐厨垃圾（FW）堆肥过程中提取的溶解性有机质（DOM）和腐殖酸（HA）为研究对象，利用荧光光谱平行因子分析及二维相关光谱分析对 DOM 和 HA 的物质结构及转化时序进行表征。结果表明：DOM 的腐殖化指数（HIX）表现为 CMBCMFW，FW 堆肥有机质的自生源特性更强，CMB 堆肥有机质腐殖化程度最高。与堆肥时间相比，DOM 和 HA 的光谱结构特性对堆肥种类的响应更强烈；3 种堆肥的 DOM 中，类蛋白组分相对浓度整体表现为 CMFWCMB，类腐殖质组分表现为 CMBFWCM；HA 中，类蛋白组分相对浓度为 CMCMB（FW），类腐殖质组分表现为CMB(FW)CM。二维相关光谱表明：鸡粪堆肥中，DOM 各组分演化时序为类胡敏酸类酪氨酸类色氨酸类富里酸，HA 各组分表现为类酪氨酸类富里酸类色氨酸；餐厨垃圾堆肥中，DOM 各组分演化时序为类色氨酸类酪氨酸类富里酸，HA 各组分表现为类胡敏酸类酪氨酸类色氨酸类富里酸。适当的含水率有利于 DOM 中类腐殖质物质的生成，氨氮（NH4+-N）浓度的降低与鸡粪堆肥 DOM 中类蛋白物质的降解以及腐殖化程度的增强有关，硝氮（NO3-N）浓度与类腐殖质组分呈显著正相关；水溶性有机碳（DOC）浓度和含水率的降低可能标志着堆肥过程中 HA 的腐殖化程度增强。关键词溶解性有机质(DOM)；腐殖酸(HA)；鸡粪堆肥；餐厨垃圾堆肥；结构演化中图分类号：X705文章编号：1674-991X（2023）04-1514-11doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20221230Analysis of the time series difference of the material structure evolution of DOMand humic acid during composting of different materialsZHAOQin1,2,CHENGDonghui1,WANGYan2,ZHAOXinyu2,DANGQiuling2*1.SchoolofWaterandEnvironment,ChanganUniversity2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciencesAbstractDissolvedorganicmatter(DOM)andhumicacid(HA)wereextractedfromthreecompostingprocessesofchickenmanurewithoutbacterialagent(CM),chickenmanurewithbacterialagent(CMB)andkitchenwaste(FW).ThematerialstructureandtransformationtimesequenceofDOMandHAwerecharacterizedbyfluorescencespectrumparallelfactoranalysisandtwo-dimensionalcorrelationspectrumanalysis.Theresultsshowedthatthehumification index(HIX)value of DOM was CMBCMFW,FW compost had stronger autogenous sourcecharacteristics of organic matter,and CMB compost had the highest degree of organic matter humification.Comparedtocompostingtime,thespectralstructuralcharacteristicsofDOMandHAhadastrongerresponsetothetype of compost;the relative contents of protein-like components in DOM of the three composts wereCMFWCMB,andhumuscomponentsshowedCMBFWCM;therelativecontentofprotein-likecomponentsinHAwasCMCMB(FW),andhumus-likecomponentsshowedCMB(FW)CM.Thetwo-dimensionalcorrelationspectrashowedthattheevolutionsequenceofDOMcomponentsinchickenmanurecompostwasasfollows:humicacid-liketyrosine-liketryptophan-likefulvic acid-like.The components of HA were as follows:tyrosine-likefulvicacid-liketryptophan-like;theevolutionsequenceofDOMcomponentsinkitchenwastewasasfollows:tryptophan-liketyrosine-likefulvicacid-like;thecomponentsofHAwereasfollows:humicacid-liketyrosine-收稿日期：2022-12-07基金项目：国家自然科学基金项目（52000165）；国家重点研发计划项目（2019YFC190060）作者简介：赵芹（1996），女，硕士研究生，主要研究方向为固体废物处理与资源化，*责任作者：党秋玲（1982），女，高级工程师，博士，主要从事固体废物资源化研究，Vol.13，No.4环境工程技术学报第13卷，第4期Jul.，2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月赵芹，程东会，王燕，等.不同物料堆肥过程中溶解性有机质和腐殖酸的物质结构演化时序差异分析 J.环境工程技术学报，2023，13（4）：1514-1524.ZHAO Q,CHENG D H,WANG Y,et al.Analysis of the time series difference of the material structure evolution of DOM and humic acid duringcompostingofdifferentmaterialsJ.JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology，2023，13（4）：1514-1524.liketryptophan-likefulvicacid-like.Appropriatemoisturecontentwasconducivetothegenerationofhumic-likesubstancesinDOM.Thedecreaseofammonianitrogen(NH4+-N)contentwasrelatedtothedegradationofprotein-like substances and the enhancement of humic degree in DOM,and nitro-nitrogen(NO3-N)content wassignificantlypositivelycorrelatedwithhumic-likecomponents.Adecreaseinwater-solubleorganiccarbon(DOC)andwatercontentmaysignalincreasedHAhumificationduringcomposting.Key wordsdissolvedorganicmatter(DOM);humicacid(HA);chickenmanurecompost;kitchenwastecompost;structureevolution随着集约化、规模化养殖业的迅速发展，粪污密集排放导致环境污染严重，畜禽粪便的利用率低下、处理困难等问题已经成为当今制约绿色农业可持续发展的难点1-2。此外，由于我国人口的快速增长显著增加了食物消费，从而产生了大量的餐厨垃圾，而餐厨垃圾来源比较复杂，有机物种类丰富，具有易腐烂变质、易滋生病菌等特点，其产生的有害物质会给环境造成恶劣影响，由此引发的餐厨垃圾的处置问题日益严峻3-4。这些固体废物必须以符合环境法规的方式处理或利用，目前利用堆肥管理固体废物在我国得到了广泛的应用。堆肥被认为是实现粪污、餐厨垃圾等固体废物无害化、减量化和资源化处理的有效手段，不仅可以弥补传统土地消纳带来的问题，还可以提高有机肥的品质5，堆肥产品的利用对于提高固体废物处理能力具有重要意义。溶解性有机质（DOM）是自然界中最复杂的混合物之一，由腐殖质和其他有机化合物组成，如氨基酸、碳水化合物、芳香族和脂肪族等6。在堆肥有机质中，DOM 占比仅有 5%7，但却是堆肥有机质中活性最强的组成部分，具有生物化学活性强、迁移转化快、流动性好等特点，同时也是微生物生长的基质，与重金属相互作用，介导微生物与受体之间的电子转移，在全球碳氮循环、养分输出和生物地球化学行为中发挥着重要作用8-10。腐殖酸（HA）是一类以芳香核为主体、不溶于水且含有多种官能团结构的高度异质性的混合物质，在自然界中广泛存在。其化学结构比较复杂，存在带有不稳定质子的官能团，如羧酸、酚和胺，这些官能团能够结合质子和金属离子11-12，进而影响堆肥有机质的结构特性。HA 在操作上可进一步提取富里酸（黄腐酸）和胡敏酸（黑腐酸）。而 HA 的特殊结构性质导致 HA 在堆肥过程中的结构组成及其形成机制不同于 DOM，尽管之前的研究已经为了解 DOM 和 HA 在堆肥过程中的形成过程提供了理论基础13-14，但目前在物料堆肥过程中提取的 DOM和 HA 的物质结构及其演化差异的研究甚少。充分了解不同堆肥过程中 DOM 和 HA 结构特性的差异，是正确认识 DOM 和 HA 的真实特征及其在堆肥环境中的化学行为的前提。目前，国内外学者对 DOM 和 HA 结构组成提出了多种表征技术，如质谱、色谱、光谱等技术8,15，根据对有机质结构组成的跟踪需要，荧光光谱技术显示出了很大的应用前景16。笔者采用三维荧光光谱技术（3D-EEM）结合平行因子分析（EEM-PARAFAC）对比了鸡粪未添加菌剂堆肥（CM）、鸡粪添加菌剂堆肥（CMB）和餐厨垃圾堆肥（FW）分别提取的 DOM与 HA 的物质组成及其演化特征的差异，以期为后续定向调控堆肥过程中有机质物质结构转化，生成优质堆肥产品提供理论依据。1材料与方法 1.1堆肥样品试验所用的餐厨垃圾和鸡粪堆肥原料由河北省石家庄市某餐厨场和某养殖场提供，稻壳取自石家庄市某粮食加工厂，试验所用芽孢杆菌取自山东省某微生物技术自主研发中心，有效活菌数（cfu）20 亿个/mL，添加比例为 2（质量比）。试验于2021 年 5 月 20 日7 月 20 日在石家庄市某堆肥厂进行。1.2试验设计试验共设置 3 种堆肥处理：CM、CMB 和 FW 堆肥，每种处理均设 3 次重复。将稻壳粉碎成粒径为0.51.0cm，便于混合使用。将鸡粪、餐厨垃圾堆肥原料的 C/N 调整为 251；调节堆肥物料的初始含水率，使其控制在 50%60%。所有堆肥均在总容积为 32.5L（100cm50cm65cm）的发酵箱中进行，堆肥条件相同。在堆体温度降至环境温度(252)时开始堆肥，在堆肥期间，利用气泵对堆体进行供氧，保持通气量为 600mL/min。使