锯末添加量对餐厨废弃物生物干化效率和细菌群落的影响.pdf
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1、锯末添加量对餐厨废弃物生物干化效率和细菌群落的影响刘英杰1,2,李琬婷1,2,王海候3,陶玥玥3,常远1,2,周凯云1,2,丁晓艳2,魏雨泉1,2,李季1,2(1.中国农业大学资源与环境学院,北京100193;2.中国农业大学有机循环研究院(苏州),苏州215100;3.苏州市农业科学院,苏州215155)摘要:餐厨废弃物存在含水率高、内部孔隙率低等问题,可以通过添加辅料来改善,适宜的辅料添加量有助于促进生物干化过程有机质降解和腐殖质形成,以提高生物干化效率。锯末作为一种富含碳源且低成本的辅料之一,近年来被广泛应用于各种废弃物资源化利用的研究中,但餐厨废弃物与锯末的配比如何影响微生物群落演替进
2、而提升生物干化效率的过程机制尚不清楚。该研究在 55L 生物干化反应器中,探究餐厨废弃物与锯末湿质量比为 5:1(T1)、7:1(T2)和10:1(T3)三种处理对生物干化过程中的关键理化指标(包括温度、含水率、挥发性固体含量、电导率、酸碱度、种子发芽指数、总有机碳、总氮、总磷、总钾和碳氮比等)和细菌群落结构的影响。结果表明:与 T1、T3 相比,T2 处理高温期持续时间最久,分别延长了 50.00%、100.00%,在生物干化结束时含水率最低、有机质降解率最高,水分去除率达37.14%,挥发性固体降解率为 15.88%;T2 的种子发芽指数比 T1、T3 处理分别提前 3、6d 达到 80%
3、以上,且在生物干化结束时,总养分含量升高 28.32%,其中总磷含量升高最为显著,升高了 121.62%,约为其他处理的 1.92 和 1.90 倍,说明 T2 处理的物料配比更有助于堆体腐熟和提高养分含量;此外,T2 处理的 Bacillus、Ureibacillus 和 Thermobifida 等堆肥有益菌属的相对丰度更高,且 Chao1 和 Shannon 指数更大;相关性分析表明 Ureibacillus、Symbiobacterium、Tepidimicrobium 和 Bacillus 与 堆 体 温 度 显 著 正 相 关(P0.05),Thermobifida、Pusilli
4、monas、Vulgatibacter、Mycobacterium 与种子发芽率指数显著正相关(P0.05),与挥发性固体含量、含水率和总氮含量显著负相关(P55)期持续时间 T2(6d)T1(4d)T3(3d),T2 处理高温期的维持时间最久,从第 3 天一直持续到第 8 天,比 T1、T3 高温期时间分别延长了 50.00%、100.00%。这可能是由于添加适宜的辅料,堆体的通气状况最佳,有利于温度的升高和维持。这与王新雨等13在不同调理剂作用下研究污泥、餐厨废弃物协同进行生物干化时温度的变化规律相似;也与张利萍等14在研究不同曝气量和辅料粒径对餐厨废弃物辅热生物干化时发现各处理温度先迅速
5、升高后降低的结果相类似,可能是添加辅料加速了微生物分解有机物,使得堆体温度迅速上升。结果表明,当餐厨废弃物与锯末的湿质量比为 7:1 时,既有利于生物干化前期堆体温度的升高,也有利于延长高温期的持续时间。不同辅料配比对生物干化过程中堆体含水率的影响如图 1b 所示。随着生物干化的进行,本试验三个处理的含水率都呈现下降趋势,在初始含水率相近的情况下,水分去除率 T1 和 T3 含水率下降的速度接近,T2 含水率第15期刘英杰等:锯末添加量对餐厨废弃物生物干化效率和细菌群落的影响209下降的速度最快,水分去除率达 37.14%。在污泥生物干化中,适当的初始水分含量能提供适宜的氧气运输空间,是影响生
6、物干化性能的因素之一15,与袁京等16研究外加碳源对厨余垃圾生物干化含水率下降影响的结果相似,本试验含水率的变化结果也可能是由于当餐厨废弃物和锯末的配比为 7:1 时,堆体的孔隙度适宜,与外界空气的交换性能较好,易于水分渗透和蒸发;辅料配比过低和过高时都不利于水分流失。706050温度Temperature/时间Time/da.温度a.Temperature403020100246810121416室温Ambient temperatureT1T2T3706050含水率Moisture content/%时间Time/db.含水率b.Moisture content40024681012141
7、6T1T2T3959085挥发性固体含量Volatile solids content/%时间Time/dc.挥发性固体含量c.Volatile solids content8075700246810121416T1T2T3注:T1T3 分别为餐厨废弃物和锯末的湿质量比 5:1、7:1 和 10:1。Note:T1-T3arethewetmassratiosofkitchenwasteandsawdust5:1,7:1,and10:1,respectively.图 1辅料配比对生物干化关键指标的影响Fig.1Effectsofadditiveratioonrepresentativeindic
8、esduringbio-dryingprocess不同辅料配比对生物干化过程中挥发性固体含量的影响如图 1c 所示。随着生物干化过程的进行,三个处理的挥发性固体含量呈现下降的趋势。其中,T2 挥发性固体含量从生物干化初期的 90.00%下降至 74.12%,其降解率最高(15.88%),这可能是由于餐厨废弃物和锯末配比为 7:1 时,堆体的含水率和孔隙度适中,为微生物活动提供了充足的氧气,有利于有机质的降解17。2.1.2生物干化腐熟度和其他过程参数如图 2a 所示,不同处理 pH 值变化趋势基本一致,第 09 天上升,第 915 天略微下降,最终均稳定在8.5 左右(8.428.68)。与张
9、红玉等18以玉米秸秆为辅料进行厨余垃圾堆肥的研究结果相似,堆肥前期 pH 升高可能是因为微生物分解蛋白质类有机物产生了大量氨氮。因此,生物干化前期 pH 升高快可能是可利用的物质和能量多,微生物繁殖和分解速度加快,后期 pH 略微下降可能是随着堆体温度的下降,有机质降解速率减慢,氨化速率低于硝化速率。各处理 EC 值均呈现上升的趋势(图 2b),生物干化初期,T1、T2 和 T3 的 EC 值分别为 372、508、553m/cm,干化结束时为 2010、2200、2600m/cm,均小于 4000m/cm 满足腐熟标准,不会对植物造成毒害。与常远等19探究通风条件对餐厨废弃物辅热生物干化时
10、EC 的结果类似,本研究各处理的 EC 值均在上升,可能是因为随着有机质的降解,堆体中可溶性物质含量升高,而 T2 在第 12 天时 EC 值突然下降,可能是因为氨气的挥发和矿物盐的沉淀。随着生物干化过程的进行,本试验 3 个处理的 GI 都呈现增大趋势(图 2c),且都从第 9 天左右开始达到80%及以上,堆肥达到完全腐熟的标准。其中,T2(餐厨废弃物和锯末的湿质量比为 7:1)从第 6 天开始 GI 就大于 80%,较 T1、T3 处理分别提前 3、6d 达到腐熟标准,这表明餐厨废弃物与锯末的配比适宜时,高温期持续时间较长、有机质降解速率较快,能有效加速堆体的腐熟。与之类似的是,陈镇新等2
11、0在研究 3 种不同配比的污泥、蘑菇渣和废白土堆肥时发现中间配比的处理(11:6:3)GI 最先达到 80%。3 个处理的总有机碳含量(图 2d)和总氮含量(图 2e)都呈现出下降的趋势,总磷和总钾含量呈现出上升的趋势(图 2g 和图 2h),总养分含量随生物干化时间呈现出先下降后上升的趋势(图 2i)。生物干化结束时,总有机碳降解率:T1(37.15%)T2(26.95%)T3(26.46%),总氮质量分数下降:T1(34.14%)T2(31.95%)T3(31.89%),总磷质量分数上升:T2(121.62%)T3(64.10%)T1(63.41%),总钾质量分数上升:T3(87.67%)
12、T1(79.75%)T2(68.89%),总养分质量分数上升:T2(28.32%)T3(5.56%)T1(1.21%)。T2 处理的总有机碳降解和总钾含量下降虽不如 T3 显著,但总磷和总养分含量显著高于 T1 和 T3,生物干化结束时,总磷含量升高比例分别为 T1 和 T3 的1.92 倍和 1.90 倍。表明当辅料添加量适宜时,有利于有机质的降解从而降低堆体中的总氮含量,增加总磷和总钾含量。随着生物干化过程的进行,各处理碳氮比均呈现出先下降后上升的趋势(图 2f),这可能是干化初期微生物活性强,消耗有机质多,导致碳氮比下降;随着堆体温度的升高,高温促进堆体中的氮以氨气的形式挥发,导致碳氮比
13、升高。2.2辅料配比对生物干化过程细菌群落结构的影响经过 15d 生物干化,不同辅料配比的样品共检测出638908 条有效的 16SrRNA 基因序列,分别属于 36 个门,81 个纲,145 个目,323 个科和 1211 个属。2.2.1细菌群落组成生物干化过程中门水平上的细菌群落组成如图 3a 所示,相对丰度前 5 的门为厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌 门(Proteobacteria)、放 线 菌 门(Actinobacteria)、210农业工程学报(http:/www.tcsae.org)2023年拟杆菌门(Bacteroidetes)和栖热菌门(Deinococcus-
14、Thermus),前 4 个优势菌门与先前其他堆肥研究结果相一 致21-22。其 中 Firmicutes 的 相 对 丰 度 为 23.73%97.54%,是整个生物干化阶段的优势菌门,这与 ZHAN等12以餐厨废弃物为原料单独进行堆肥和潘婧冉等23对餐厨废弃物进行厌氧消化研究时发现的结果类似。餐厨废弃物和锯末初始混合时 Firmicutes 和 Proteobacteria为优势菌门,T1、T2 和 T3 的相对丰度依次是 60.43%、54.83%、60.49%和 34.69%、39.08%、33.56%,随着生物干化过程的进行,不同处理 Firmicutes 的相对丰度都呈现先升高后降
15、低的趋势,Proteobacteria 的相对丰度变化趋势反之。这可能是因为在高温期主要是 Firmicutes利用碳氢化合物,水解多糖和降解纤维素24,而Proteobacteria 在盐类、葡萄糖和其他小分子的降解中发挥重要作用25,其也是近年来国内外农业废弃物堆肥中报道的主要反硝化细菌类群26。在整个生物干化过程中,T2 处理 Firmicutes 的相对丰度几乎一直高于其他 2 个处理,结合挥发性固体含量变化情况(图 2c),这可能是由于餐厨废弃物与锯末配比为 7:1 时,更有利于各类有机化合物的降解。987酸碱度pH value时间Time/da.酸碱度a.pH value65036
16、91215T1T2T3554550354030总有机碳Total organic carbon/(mgkg1)时间Time/dd.总有机碳d.Total organic carbon 03691215T1T2T3654总磷Total phosphorus/(mgkg1)时间Time/dg.总磷g.Total phosphorus 32103691215T1T2T33 0002 5002 0001 5001 0005000电导率Electric conductivity/(Scm1)时间Time/db.电导率b.Electric conductivity03691215T1T2T34.03.63
17、.02.82.4总氮Total nitrogen/(mgkg1)时间Time/de.总氮e.Total nitrogen 03691215T1T2T30.350.300.250.200.150.100.05总钾Total potassium nitrogen/(mgkg1)时间Time/dh.总钾h.Total potassium nitrogen03691215T1T2T316014012010080604020种子发芽指数Germination index/%时间Time/dc.种子发芽指数c.Germination index003691215T1T2T3131211109碳氮比Carb
18、on-nitrogen ratio/%时间Time/df.碳氮比f.Carbon-nitrogen ratio03691215T1T2T3252015105总养分Total nutrient/(mgkg1)时间Time/di.总养分i.Total nutrient 003691215T1T2T3图 2辅料配比对生物干化腐熟度和其他过程参数的影响Fig.2Effectsofadditiveratioonmaturityandothersindicesduringbio-drying生物干化过程中属水平上的细菌群落组成差异较大(图 3b),总体来看,生物干化过程中相对丰度前 20 的菌属为 Ure
19、ibacillus、Leuconostoc、Thermobifida、Symbi-obacterium、Enterobacter、Tepidimicrobium、Pusillimonas、Bacillus、Lactobacillus、Weissella、Streptococcus、Vulgat-ibacter、Aeromonas、Lactococcus、Sporolactobacillus_incertae_sedis、Actinomadura、Saccharomonospora、Truepera、Mycobacterium 和 Brevibacillus。生物干化第 3 天,T2 处理的 B
20、acillus 相对丰度显著高于其他 2 个处理,先前有研究证明 Bacillus 的某些种第15期刘英杰等:锯末添加量对餐厨废弃物生物干化效率和细菌群落的影响211制成的复合菌剂能加速堆体升温并延长高温期时间27,也有研究证明部分 Bacillus 能够有效降解纤维素类物质28-29,此外 Bacillus 的某些种也已被证明具有抑制病原菌生长从而提高堆肥安全性的效果30;第 615 天,T2 处理的 Ureibacillus 和 Leuconostoc 相对丰度高于其他2 个处理,Ureibacillus 的某些种如嗜热球形脲芽胞杆菌(Ureibacillus thermosphaeric
21、us)被发现添加在鸡粪和玉米秸秆混合堆肥中具有加快有机物分解、延长高温期的时间和提高产品腐熟度等效果31,而 Leuconostoc 的一些细菌也具有抑菌作用,多应用于食品发酵中抑制潜在致病菌的活性32;第 12 天开始,T2 处理的 Thermobifida相对丰度与其他两个处理相比依旧能维持在较高水平,Thermobifida 的某些种已被证明具有降解脂肪族-芳香族共聚酯薄膜的能力33。由此推测,餐厨废弃物与锯末配比为 7:1 时,Bacillus、Ureibacillus、Leuconostoc 和Thermobifida 等堆肥有益菌属的相对丰度高,有利于堆体升温、高温期的维持、餐厨废
22、弃物中纤维素类物质的降解以及病原菌的繁殖,生物干化效果较好。1008060相对丰度Relative abundance/%4020003691215a.门水平上细菌群落的相对丰度a.Relative abundance of bacterial communityat phylum level时间Time/d时间Time/d1008060相对丰度Relative abundance/%4020003691215b.属水平上细菌群落的相对丰度b.Relative abundance of bacterial communityat genus levelUreibacillusThermobif
23、idaLeuconostocEnterobacterSymbiobacteriumWeissellaStreptococcusLactobucillusAeromonasLactococcusTepidimicrobiumBacillusPusillimonasActinomaduraVulgatibacterTrueperaSporolactobacillaceaeincertae sedisBrevibacillusSaccharomonosporaMycobacteriumT1D0T2D0T3D0T2D9T3D9T2D12T1D9T3D12T1D6T1D15T1D12T2D15T1D3T
24、2D3T3D3T2D6T3D6c.前20个菌属的层级聚类热图c.Hierarchical clustering heatmap of the first 20 genera3024181260T1T2T3Deinococcus-ThermusBacteroidetesOthersActinobacteriaProteobacteriaFirmicutesOtherActinomaduraStreptococcusTepidimicrobiumUreibacillusLeuconostocBrevibacillusSporolactobacillaceaeWeissellaEnterobacte
25、rSaccharomonosporaT1MycobacteriumLactococcusLactobacillusSymbiobacteriumVulgatibacterT2TrueperaAeromonasBacillusThermobifidaPusillimonasT3图 3不同样品生物干化过程中的细菌群落相对丰度Fig.3Relativeabundanceofbacterialcommunityduringbio-dryingofdifferentsamples由前 20 个菌属的层级聚类热图(图 3c)可知,绝大多数优势菌属的相对丰度均在 06%之间,生物干化开始(第 0 天)时 L
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