2021, Vol. 41
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目前, 我国每年产生的禽畜粪便量超过70亿t, 并以每年约10%的速度递增(刘茹飞等, 2017; Jia et al., 2018).畜禽粪便成分复杂, 含有大量N、P、K等植物所需的营养元素, 既是一种污染物, 也是一种肥料资源(吴浩玮等, 2020).畜禽粪便的主要处理方式有：干燥处理、厌氧发酵处理、堆肥处理等(相俊红等, 2006; Hu et al., 2017; 吴浩玮等, 2020).其中, 好氧高温堆肥过程能快速降解粪便中的有机物, 并杀灭大部分病原微生物, 获得的腐熟产品可用作肥料和土壤改良剂, 是最为有效、低成本的畜禽粪便资源化处置技术, 因而被广泛应用(Awasthi et al., 2020).目前, 我国的好氧堆肥厂多达3000余家, 但普遍存在堆体温度低、发酵周期长、腐熟效果差、温室气体排放量大等实际问题(Nikaeen et al., 2015).好氧堆肥在本质上是微生物驱动的氧化还原过程, 在这个过程中, 微生物代谢产生的电子在微生物内或种群间流动；电子受体有多种物质, 包括NO2-、NO3-、S2-和O2等, 其中以O2作为最终电子受体是代谢效率最快、产能最高的途径.因此, 提高堆肥过程中O2的利用率, 可加速堆肥腐熟, 缩短发酵周期(Kulcu et al., 2007; Zeng et al., 2017).在前期研究中, 本课题组在传统的好氧堆肥反应器内施加一个低压直流电场(0.05~0.5 V·cm-1), 结果发现, 在电场作用下, 电活性微生物的丰度比传统好氧堆肥提高了3.4倍, 氧气利用率提高约30%, 种子发芽指数GI大幅提高(Tang et al., 2019).这一结果表明, 电场在好氧堆肥中具有巨大的潜在应用前景.目前, 有关电场对堆肥过程影响的研究尚处于现象阶段, 堆肥过程中水溶性有机物(DOM)的结构特征和腐殖化过程尚未清晰, 有待深入研究.
堆肥微生物代谢过程主要发生在水溶相中(Said-Pullicino et al., 2007; Caricasole et al., 2010).DOM的特征及其转化能有效地反映堆肥过程中有机物的稳定化和腐殖化程度(Song et al., 2015).近年来, 光谱分析方法已普遍应用于DOM成分和结构演变的研究中(唐朱睿等, 2018; Xiao et al., 2019).例如, He等(2013)采用紫外可见光谱(UV-Vis)研究了牛粪堆肥过程中DOM的结构转化, 发现UV-Vis对DOM中不饱和芳香族化合物具有强烈的吸收作用, 可用于表征堆肥腐殖化进程；Zhang等(2016)研究发现, 傅里叶变换红外光谱(FTIR)可以定性地描述污泥堆肥样品中DOM的官能团变化；陈广银等(2008)研究了蘑菇渣对落叶堆肥中DOM的影响, 结果表明, 激发-发射矩阵光谱(EEM)可以确定具有荧光特性的有机物, 如蛋白质、腐殖酸和黄腐酸等物质, 用以量化表征有机质的腐殖化程度.但对于电场辅助好氧堆肥过程中DOM的演变规律如何, 尚未见报道.
基于此, 本研究采用UV-Vis光谱、FTIR光谱和3D-EEM光谱对EAAC不同阶段的DOM样品进行表征与分析, 并结合多元统计分析方法, 分析DOM与光谱学参数的相关性, 以期全面揭示EAAC过程中DOM的演化规律及其腐殖化过程, 为优化EAAC的条件参数、改善堆肥产品质量提供重要的理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 堆肥实验实验设置两组电场辅助好氧堆肥(EAAC)和传统好氧堆肥(CAC)反应器, 每组设3个重复.EAAC反应器设置如下：反应器体积为200 L(直径55 cm, 高度80 cm, 厚0.5 cm), 在反应器的内壁周围放置一块长方形不锈钢板作为正极(长150 cm, 宽50 cm, 厚0.3 cm, 面积为3~5 m2, 围绕成圆形), 在反应器的中心放置一根铝棒作为负极(直径5 cm, 高度50 cm)；采用直流电源(UTP1306S, 优利德科技(中国)股份有限公司, 福州)进行供电, 电极电压设为2 V. CAC反应器采用同样的构造, 不施加直流电压, 作为对照组.塑料桶的外壁包裹棉质纤维(厚度约5 cm), 用于反应器的保温.塑料桶底部设置Ø10 mm的通气管进行通气.堆肥温度探测器安装在反应器的中心, 每隔10 min记录数据并储存.采用间歇曝气方式, 间隔时间为1 h, 曝气流量为1.5 L·min-1.
以鸡粪为堆肥原料, 稻壳为膨松剂, 按照鸡粪与稻壳质量比为9∶1进行配料, 添加少量水搅拌均匀, 使堆肥初始料含水率为65%左右.堆肥原料的主要理化性质见表 1.在第10 d和第20 d进行翻堆, 翻堆时, 将每个反应器内的所有物料倒出, 各自混合均匀后, 再装回原反应器中, 整个堆肥过程持续30 d.
| 表 1 堆肥原料的组成成分 Table 1 Characteristic of the components used for composting |
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分别在第0、3、6、12、18、30 d, 从堆肥反应器内3个不同的深度(20、40、60 cm)取3个样品, 然后混合均匀作为当天的样品.一部分样品用于测定含水率和有机物；其余部分在4 ℃下储存, 用于后续物理化学性质测定和DOM的提取和光谱分析.
2.3 堆肥理化性质测定使用Pt100热电偶传感器(上海志康仪器有限公司, 中国)测定堆体不同深度(20、40 cm)的温度, 每10 min记录一个数据, 最后取平均值.采用烘干法测定含水率, 将培养皿洗净并烘干至恒重后称重, 记为W1, 称取10 g(精确至0.0001 g)堆肥样品置于培养皿中, 放入105 ℃的电热鼓风恒温干燥箱中烘干12 h直至恒重后, 转入干燥器中冷却30 min, 取出冷却后的样品称重, 并记为W2, 根据以下公式计算含水率R：
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(1) |
C/N测定：样品经自然风干、研磨、粉碎, 再过60目筛保存备用.称取20 mg(精确到0.0001 mg)样品于元素分析仪配备的坩埚中, 并记录风干样品初始的质量, 采用元素分析仪(Vario Max CNS, 德国)测定堆肥样品的全碳和全氮含量, 并计算C/N.
胡敏酸和富里酸的提取、纯化和测定方法具体参见文献(逯延军, 2008)中报道的方法和LY/T 1238—1999森林土壤腐殖质组成的测定方法.
E4/E6的测定：取提纯后的胡敏酸溶液分别在465 nm和665 nm波长下用紫外-可见分光光度计(TU-1901, 北京普析仪器有限公司)测定吸光值, 并计算其比值.
种子发芽指数(GI)的测定参照文献(刘晓明等, 2018)报道的方法.取5.00 g堆肥样品加入到250 mL锥形瓶中, 往锥形瓶中注入50 mL去离子水(固/液质量比为1∶10), 200 r·min-1水平振荡2 h后离心10 min(4 ℃, 10000 r·min-1), 过滤所得溶液用于测定GI, 以去离子水作为空白组, 测定种子发芽率和根长, 其计算公式如式(2)所示.
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(2) |
式中, S1为堆肥浸提液的种子发芽率, S2为去离子水的种子发芽率, L为种子根长.
2.4 DOM的提取与制备堆肥样品DOM的提取参照李丹等(2016)报道的方法.将样品干重与超纯水按固液质量比1∶10混合均匀, 200 r·min-1水平振荡2 h后离心10 min(4 ℃, 10000 r·min-1), 上清液过0.45 μm滤膜, 所得滤液为实验所需的DOM溶液, 然后采用岛津TOC-Lx仪测定.
2.5 DOM光谱分析 2.5.1 DOM的UV-Vis光谱测定采用紫外-可见分光光度计(TU-1901, 北京普析仪器有限公司)对DOM样品进行UV-Vis光谱分析.测试条件：扫描波长为200~400 nm, 扫描波长间隔为1 nm.将扫描波长240~400 nm的积分区域面积记为A240~400；波长为203、220、250、253和365 nm处的吸光度值分别记为E203、E220、E250、E253和E365, 并计算E253/E220、E253/E203、E250/E365的比值；波长为254 nm、280 nm处的吸光强度与DOC浓度的比值记为SUVA254、SUVA280.
2.5.2 DOM的3D-EEM光谱测定采用荧光光谱仪(F-7000, 日立仪器有限公司, 日本)分析DOM的荧光吸收特性.测试条件：扫描电压为400 mV, 激发波长(λEx)为200~500 nm, 发射波长(λE m)为250~600 nm, 激发波长及发射波长间隙5 nm, 扫描速度为2400 nm·min-1.
2.5.3 DOM的FTIR光谱测定提取的DOM先在真空条件下进行冷冻干燥, 将冷冻干燥的1 mg DOM样品与100 mg光谱级KBr样品混合, 研磨均匀后压片.以纯KBr为对照样品, 测试条件：波长4000~500 cm-1, 分辨率为4 cm-1, 扫描间隔为2 nm.
2.6 数据分析分别采用MATLAB 7.0软件对3D-EEM图进行区域体积积分和平行因子分析, 采用2DCOS对红外光谱数据进行解析, 采用SPSS 22进行数据统计分析和相关性分析, 采用Origin 8.5进行图形绘制与分析.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 理化性质分析堆肥温度是微生物代谢活动的外在宏观表现, 是反映好氧堆肥进程的关键参数(Bernal et al., 2009).一个完整的好氧堆肥周期主要经历4个阶段：升温期、高温期、降温期和腐熟期.由图 1a可知, 电场作用下, 堆体的温度快速上升, 在第6 d达到最高温度68.5 ℃；而CAC温度上升的速度较缓慢, 在第14 d才达到最高温度63.1 ℃.EAAC高温持续时间(堆体温度≥50 ℃)达到17 d, 比CAC长5 d.结果表明：在电场作用下, 堆体的最高温度比对照组更高, 高温期持续时间更长.
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| 图 1 堆肥过程中温度、含水率、DOM、种子发芽指数、C/N、FA、HA、HA/FA和E4/E6的变化规律 Fig. 1 Changes in temperature, moisture content, DOM, GI, C/N, FA, HA, HA/FA and E4/E6 during composting |
温度的上升可促进有机碳的生物降解, 在EAAC中, DOM含量在前6 d内急剧下降, 下降速率明显比CAC快(图 1b), 说明在电场作用下, 微生物代谢活动加强, 产生的热量更多, 这与堆肥初期温度迅速上升的结果一致.通常认为, 当DOM值维持不变时, 堆肥反应达到稳定(Maeda et al., 2017).CAC的DOM浓度从1.460 g·L-1下降到0.948 g·L-1, DOM减少了43%, 并在30 d时才趋于稳定；而在EAAC中, DOM值在18 d后就趋于稳定, 堆肥结束时DOM浓度为0.693 g·L-1, 比初值减少了56.5%, 这说明电场促进了DOM的利用和转化, 从而缩短了堆肥趋于稳定的时间.
GI值是反映堆肥腐熟程度的一个重要指标, 常用于评价堆肥样品的植物毒性和腐熟程度(Banasiak et al., 2007). 在堆肥的前3 d两个处理的GI值均逐渐下降(图 1c), 主要是由于堆肥前期产生了大量的有机酸和氨, 它们具有较大植物毒性, 抑制了种子的萌发和生长.研究表明, 当GI值超过80%时, 堆肥可达到腐熟标准(Riffaldi et al., 1986).在EAAC中, 第18 d的GI值为96%, 说明EAAC堆肥在18 d后达到腐熟要求, 但CAC的GI值在堆肥结束(30 d)时才超过80%, 说明EAAC的腐熟时间比CAC缩短了约1/3.
含水率会影响微生物的代谢, 进而影响有机物的降解和堆肥腐熟程度；同时, 水分的去除是堆肥工艺应用优劣的重要指标之一, 水分的降低有利于减少堆肥产品的运输成本和后续处理的难度.从图 1d可看出, EAAC中第12 d的含水率下降至44.8%, 堆肥结束时含水率为38.6%；而CAC的含水率第12 d为49.53%, 直至结束时含水率才为44.7%.这说明EAAC的含水率下降速度更快, 主要原因是EAAC的温度比CAC高, 有利于水分从堆肥物料中脱除.
C/N可用于评价堆肥的腐熟程度(马迪等, 2010).两个堆肥处理的C/N均先上升后下降(图 1e), 且EAAC的C/N低于CAC, 30 d时两者的C/N均小于7, 说明堆肥已达到腐熟标准.在堆肥过程中, 微生物首先利用简单、易降解的有机物, 作为自身生长代谢的碳、氮源, 从而导致碳水化合物的消耗速度远大于全氮的下降速度, 所以碳氮比不断减小(栾冬梅等, 2008; 张鹤, 2018).而EAAC的有机碳降解速度比CAC更快, 导致其C/N较CAC更低.
两种堆肥过程中FA和HA的含量变化分别如图 1f和图 1g所示.在CAC和EAAC过程中, FA含量在前3 d内均快速上升, 随后便逐渐降低, 至堆肥结束时, 其含量分别降低了52.7%和65.0%.HA的含量变化与FA相反, 始终保持上升的趋势, 且EAAC中HA的含量比CAC高.堆肥结束时, EAAC中HA的含量为575.41 mg·kg-1, CAC中HA含量为487.54 mg·kg-1.
HA/FA是表征堆肥腐殖化程度的另外一个重要参数指标(李国学等, 2000).两种堆肥处理中HA/FA的变化如图 1h所示.由图可知, 在两种不同处理中, 堆肥初期均产生大量的FA, 随着堆肥反应的进行, FA被微生物分解而含量逐渐降低, 而HA的含量由于FA的转化逐渐增加, 因此, HA/FA值呈上升趋势.HA/FA的值越大, 说明堆肥的腐质化程度越高(钱晓雍等, 2009).EAAC中HA/FA的比值明显大于CAC, 表明电场辅助可以促进堆肥的腐殖化过程.
E4/E6是反映胡敏酸缩合程度和芳构化程度的重要指标, 其值越小, 表明堆肥中腐殖质的缩合和芳构化程度越高, 堆肥的腐熟程度越高(Huang et al., 2004; 逯延军, 2008).两种处理的E4/E6值变化规律如图 1i所示.在堆肥前6 d, EAAC和CAC两种处理的E4/E6值差异不明显, 但随着堆肥反应进行, EAAC的E4/E6值明显低于CAC, 这说明电场可提高堆肥腐殖质的缩合程度和芳构化程度.综上所述, 电场可以促进堆肥中DOM腐殖化, 提高堆肥的腐熟程度, 缩短堆肥腐熟周期.
3.2 UV-Vis光谱分析为了进一步研究DOM在堆肥过程中的变化, 采用UV-Vis光谱对EAAC和CAC进行了对比分析.分析图 2a和图 2b可知, 在波长为250~280 nm处出现了一类肩峰, 这是由于DOM中腐殖质类似物和芳香族物质中C＝C共轭结构吸收紫外光后, 导致电子发生π-π*跃迁, 使得在280 nm处的吸光度增强(Morán et al., 2009).随着堆肥天数的增加, UV-Vis光谱曲线逐渐上移, 表明DOM中腐殖质类物质不断增加.EAAC中UV-Vis光谱曲线上移的趋势和幅度较CAC更大, 说明腐殖化进程更快.
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| 图 2 堆肥过程中DOM的紫外-可见吸收光谱及光谱参数变化规律 Fig. 2 The evolution of UV-Vis spectra and spectral parameters of DOM during composting |
SUVA254、SUVA280用于表征DOM中不饱和C＝C键化合物、芳香化程度和分子量的变化, SUVA254与SUVA280的数值越大则表明DOM芳香化程度越高(Morán et al., 2009; 李丹等, 2016).特定波长的紫外-可见吸光度比常用于指示有机物的腐殖化、团聚化程度及分子量大小(赵越等, 2015), E253/E203和E253/E220值与有机质中羰基、羧基、羟基等官能团的数量密切相关, 这几种官能团的数量越多, 则表明堆肥腐殖化程度越高(Domeizel et al., 2004).E250/E365值反映有机质的腐殖化程度, 其值越小, 分子量越大, 则有机质腐殖化程度越高(Wang et al., 2009).A240~400表示在紫外光谱240~400 nm区域内的吸光度的积分面积, 用以表征DOM分子缩合度和腐殖化程度(李丹等, 2016; 刘晓明等, 2018).堆肥不同时期样品的E253/E203、E253/E220、E250/E365、A240~400、SUVA254和SUVA280紫外-可见光谱参数变化如图 2c和图 2d所示.
从图 2c可知, E253/E203和E253/E220值呈增长趋势, 初始值分别为0.28和0.43, 堆肥结束时分别增加到0.35和0.53, 表明DOM样品中相关官能团数量明显增加, 堆肥腐殖化程度增强.E250/E365值呈逐渐降低的趋势, 从堆肥开始的4.80降低至结束时的2.70, 降低了43.7%, 这表明腐殖质分子量大大增加, 腐殖化程度增加.由图 2d可知, EAAC中SUVA254和SUVA280的值分别从初始的0.07和0.06增加到0.23和0.21, 表明堆肥反应过程中DOM腐殖化程度不断提高, 并且逐渐趋于腐熟.A240~400的数值从堆肥反应开始到结束, 由5.50大幅增加至22.90, 说明堆肥过程中稳定化程度显著增加.综上分析可知, 电场辅助好氧堆肥可以促进堆肥中DOM的芳香化和腐殖化.
3.3 3D-EEM光谱分析 3.3.1 λEx/λEm荧光峰分析好氧堆肥是有机质发生矿化与腐殖化的过程(Said-Pullicino et al., 2007), DOM的荧光特性能灵敏地反映堆肥过程中的腐殖质转化特性及堆肥腐熟状况(He et al., 2011).三维荧光光谱可对样品DOM中不同组分(包括蛋白质、腐殖酸和富里酸等)进行定性分析.图 3中, 峰A(λEx/λEm=230 nm/325 nm)位于表征类蛋白质物质(如色氨酸)的区域, 峰B(λEx/λEm=280 nm/335 nm)与可溶性的微生物代谢产物有关, 峰C(λEx/λEm=230 nm/410 nm)位于富里酸类物质所在区域, 峰D(λEx/λEm=325 nm/410 nm)代表类腐殖酸物质的峰(Zhang et al., 2016).
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| 图 3 堆肥过程中DOM的三维荧光光谱图 Fig. 3 The 3D-EEM spectra of DOM during composting |
由图 3可知, EAAC堆肥初期的第3 d, 峰A和峰B的荧光强度几乎完全消失, 究其原因是：堆肥初期温度快速进入高温阶段, 微生物代谢速度加快, 导致蛋白类和代谢产物等各种不稳定的小分子有机物被快速降解(Chen et al., 2003).从堆肥第6 d开始, DOM中峰C和峰D的荧光强度逐渐增强, 表明类富里酸和类腐殖酸物质的浓度不断增加.同时, 在堆肥30 d结束时, EAAC中峰C、峰D对应区域的荧光强度比CAC更强, 这说明电场辅助好氧堆肥过程加速了有机物的生物降解, 促进了富里酸和腐殖酸类物质的快速形成, 提高了堆肥腐殖化程度.
3.3.2 3D-EEM区域体积积分(FRI)分析为了进一步揭示EAAC中不同阶段DOM的组分变化, 对不同荧光区域进行积分(FRI), 从而实现对DOM不同组分的定量分析.将DOM-EEM图谱划分为5个区域(图 3), 其中, 区域Ⅰ和Ⅱ分别表示络氨酸和色氨酸蛋白质物质, 区域Ⅲ表示富里酸类物质, 区域Ⅳ表示可溶性沥出物, 区域Ⅴ表示腐殖酸类物质(Chen et al., 2003).由图 4a可知, PⅠ, n和PⅡ, n(Pi, n表示第i区域的积分面积)在堆肥过程中呈现逐渐降低的趋势, 最后趋于平缓, 表明堆肥初期蛋白质类物质被微生物降解和利用；PⅢ, n和PⅤ, n在3~6 d快速增加, 后期增加缓慢, 说明在高温阶段微生物能快速利用DOM中蛋白质类物质.比值PⅤ, n/PⅢ, n的高低表征了腐殖化过程中DOM结构稳定化的强弱(He et al., 2013; Zhang et al., 2016).由图 4b可知, PⅤ, n/PⅢ, n的比值呈现逐渐升高的趋势, 由0.224增加到0.347, 表明富里酸转换为腐殖酸的量逐渐增多, DOM的结构趋于更加稳定.
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| 图 4 三维荧光光谱区域面积百分比变化情况(a)和PV, n/PⅢ, n变化规律(b) Fig. 4 The evolution of the percent fluorescence response (a) and the PV, n/PⅢ, n ratio (b) |
为了有效避免荧光峰之间的重叠, 采用平行因子分析法(PARAFAC)对三维荧光的数据进行分析(He et al., 2013). 如图 5所示, 共鉴定出3个荧光组分：组分C1(Component Ⅰ)存在2个荧光峰, 代表胡敏酸和富里酸类似物(Chen et al., 2003; Che et al., 2020)；组分C2 (Component Ⅱ)存在3个荧光峰, 代表胡敏酸和富里酸类似物(Zhu et al., 2016; Cui et al., 2017; 宋彩红等, 2019)；组分C3 (Component Ⅲ)存在1个荧光峰, 代表酪氨酸类物质(宋彩红等, 2015).
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| 图 5 EEM-PARAFAC鉴定出的3种荧光组分及其Fmax随堆肥时间的分布与变化 Fig. 5 Three fluorescence components identified by EEM-PARAFAC and the variation of percentage of Fmax of each component during composting |
图 5同时还显示了3个不同荧光组分Fmax随堆肥时间的变化规律, 3个组分的初始Fmax在CAC和EAAC中均相同, 随着堆肥过程的进行, Fmax呈现出不同的变化趋势.C3的Fmax持续下降, 直至堆肥结束, 这归因于堆肥过程中微生物活动对酪氨酸等类蛋白物质的强烈生物氧化作用(He et al., 2011), 且EAAC中C3的Fmax下降程度明显高于CAC, 说明电场辅助堆肥过程中蛋白质等物质的矿化程度明显高于CAC, 这与3D-EEM荧光峰分析结果一致.C1和C2的Fmax随着堆肥的进行呈现一致递增的趋势, 说明腐殖酸和富里酸类物质含量增加, 芳香化和腐殖化程度逐渐提高(Yu et al., 2010).C1、C2的Fmax与C3的Fmax变化趋势明显相反, 分析认为在堆肥过程中C3转化成了C1和C2, 即类蛋白物质可能是合成腐殖酸和富里酸类物质的主要前体(Che et al., 2020), 这一点从3D-EEM光谱中荧光峰从Ⅰ、Ⅱ区转移到Ⅲ、Ⅴ区也能够得到证实.堆肥过程中EAAC的C1和C2的Fmax显著高于CAC, 说明电场能加速有机物分解, 促进腐殖质类物质形成, EAAC比CAC具有更好的腐熟效果.
为了明确DOM中有机物官能团的构成情况和组成特性, 采用傅里叶变换红外光谱对其进行了分析.由图 6可知, 在堆肥过程中, 两组堆肥处理中DOM的FTIR图变化趋势总体相似, 但某些峰的强度变化存在显著差异.
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| 图 6 堆肥过程中不同时间样品的FTIR图 Fig. 6 The FTIR spectra of samples at different time during composting |
在3000~2800、1390~1300、1240~1120 cm-1区域的吸收峰值随着堆肥进行逐渐减弱, 可能与之对应的碳水化合物、可利用酸类和脂肪类物质减少, 说明堆肥过程中脂类和碳水化合物被微生物降解利用(Lv et al., 2013).在EAAC中, 这3个区域的吸收峰值变化的强度比CAC更加显著.在堆肥后期(18~30 d), 1450~1400 cm-1区域的吸收峰减弱, 说明堆肥样品中多糖、醇类被微生物降解利用(陈广银等, 2008)；1660~1590 cm-1区域的吸收峰逐渐增强, 说明DOM中芳香族化合物不断增多(He et al., 2013), 腐殖质的芳香结构程度增强, 表明堆肥趋于稳定化.
红外峰的重叠是波段分配和分析腐殖质物质构象变化的主要障碍, 二维红外光谱可获得更多关于腐殖质形成过程的详细信息(Li et al., 2014; Yu et al., 2018).因此, 为了更清楚准确地描述和分析EAAC和CAC过程中DOM官能团变化与腐殖化过程的差异, 采用2DCOS分析1800~800 cm-1的FTIR光谱数据(Chen et al., 2015; Liu et al., 2020).图 7为EAAC与CAC的FTIR-2DCOS同步和异步图.
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| 图 7 EAAC与CAC的同步(a, c)和异步(b, d) 二维FTIR相关光谱图 Fig. 7 Synchronous(a, c) and asynchronous(b, d) two-dimensional FTIR correlation spectra maps of EAAC and CAC |
在EAAC的同步光谱图(图 7a)中, 主要的峰出现在830、920、1010、1030、1230、1290、1490、1650和1780 cm-1处；CAC同步光谱图(图 7c)的主要峰出现在835、890、920、1030、1290、1490、1650和1780 cm-1处.根据文献报道, 830、835、890、920 cm-1处的吸收峰可表示碳水化合物(陈广银等, 2008), 1010 cm-1处的吸收峰为脂肪族C—H键拉伸, 1030 cm-1处吸收峰代表多糖的C—O键伸缩振动(Wang et al., 2021), 1230 cm-1和1290 cm-1处吸收峰可表示脂肪族C—O键伸缩振动(Wu et al., 2012; Wei et al., 2018), 1490 cm-1处为芳香族C＝C键伸缩振动产生的吸收峰(Liu et al., 2010), 1650 cm-1处吸收峰为芳香族C＝O键的伸缩振动, 代表醌、酰胺或酮(Liu et al., 2010;Wang et al., 2021), 1780 cm-1处吸收峰由羧酸基团中C＝O伸缩振动产生(Chen et al., 2015).通过识别EAAC与CAC的同步光谱和异步光谱图中的交叉峰, 获得了特征官能团的光谱特征, 如表 2所示.
| 表 2 EAAC与CAC的同步光谱和异步光谱中交叉峰的信号值 Table 2 The sign of each cross-peak on synchronous and asynchronous maps of EAAC and CAC |
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根据Noda和Ozaki排序规则(Noda et al., 2005), EAAC中有机物对应的官能团峰强度变化为：830 cm-1→920 cm-1→1780 cm-1→1490 cm-1→1290 cm-1→1230 cm-1, 说明可能的降解顺序为糖类→蛋白质类物质→脂肪类物质；EAAC中有机物合成顺序为：1650 cm-1→1010 cm-1→1030 cm-1, 说明腐殖酸的形成可能是先氧化成醛类或酮类, 然后再与多糖结合形成腐殖酸.而CAC中有机物对应的官能团峰强度变化与EAAC存在差异, 具体为：835 cm-1→1780 cm-1→920 cm-1→890 cm-1→1290 cm-1→1490 cm-1, 造成这一现象的原因可能是CAC堆肥过程中微生物先利用容易分解的有机质, 而对环状的糖类或芳香化蛋白降解能力则较弱；CAC中有机物合成顺序为：1030 cm-1→1650 cm-1, 分析认为在有机物合成过程中, 可能是多糖先被结合, 有机质的氧化出现在多糖结合之后.综上所述, EAAC与CAC的DOM官能团及其变化存在差异, EAAC中DOM结构芳香化和腐殖化演变趋势强于CAC.
综合上述光谱学分析结果可知, 随着堆肥的进行, 碳水化合物、脂肪类物质被降解, 腐殖质类物质大量形成.且EAAC堆肥过程中芳香族化合物比CAC堆肥过程多, 说明电场辅助好氧堆肥可以促进堆肥中DOM的芳构化, 加速腐殖质类物质的形成, 最终加快腐殖化进程, 使得EAAC比CAC的腐熟效果更佳.
3.5 堆肥过程特征光谱学参数及DOM相关性分析对电场辅助好氧堆肥中DOM与特征光谱学参数进行相关性分析, 结果见表 3和图 8.由图 8和表 3的数据分析可知, A240~400、SUVA254、SUVA280、E253/E22 0等UV-Vis光谱指标与DOM呈显著负相关, 相关系数分别为-0.971、-0.948、-0.893和-0.848.UV-Vis光谱指标E250/E365与DOM呈显著正相关, 相关性系数为0.864.表征DOM中蛋白类物质的荧光指标PⅠ, n与DOM呈显著正相关, 相关性系数为0.945；PⅢ, n、PⅣ, n、PⅤ, n、PⅤ, n/PⅢ, n与DOM的相关系数分别为-0.912、-0.931、-0.875和-0.862, 呈显著负相关；PⅤ, n/PⅢ, n是表征堆肥过程中腐熟度的光谱学指标(Wei et al., 2014), PⅤ, n/PⅢ, n与A240~400、SUVA254、E253/E220等多个UV-Vis光谱指标呈显著正相关性, 相关性系数分别为0.906、0.876、0.920, 其相关性系数r＞0.8；PⅤ, n/PⅢ, n与荧光指标PⅠ, n、PⅡ, n、PⅢ, n、PⅣ, n和PⅤ, n的相关性系数分别为-0.876、-0.829、0.914、0.955和0.972.因此, PⅤ, n/PⅢ, n可以作为评价EAAC腐熟度的重要光谱指标.基于UV-Vis和荧光光谱特征参数共同表征堆肥中的DOM, 能从不同角度反映电场辅助好氧堆肥过程中DOM的结构变化, 尤其是DOM中多组分相互转化的过程和演化规律, 从而能有效地表征电场促进堆肥的稳定化和腐殖化进程.
| 表 3 EAAC中DOM和光谱学参数相关性分析 Table 3 Correlation analysis of the DOM and spectroscopic parameters in EAAC |
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| 图 8 EAAC中DOM与光谱学参数的相关性分析 Fig. 8 Correlation analysis of the DOM and spectroscopic parameters during EAAC |
1) 电场作用下, DOM中的蛋白类物质在高温阶段被大量降解, 形成腐殖酸和富里酸类似物, 腐殖化程度增加；整个堆肥周期中碳水化合物、脂肪类物质减少, 芳香族化合物逐渐增加.
2) 电场辅助好氧堆肥会加速DOM芳香化和腐殖化, 能有效地缩短堆肥腐熟时间, 在畜禽粪便处置中具有极大的应用潜力.
3) PⅤ, n/PⅢ, n可作为电场辅助好氧堆肥(EAAC)腐熟度评价的重要指标, 这为更加全面地表征DOM的结构特征和变化提供了理论参考, 也为综合利用光谱学方法评价堆肥腐熟度提供了新策略.
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