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除臭菌株對(duì)NH3和H2S釋放及物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響
引言
黑龍江是畜牧業(yè)大省，隨著奶牛業(yè)迅速發(fā)展，牛糞已成為農(nóng)村的主要污染，若處理不當(dāng),將對(duì)大氣、水源和土壤造成嚴(yán)重污染,影響畜牧業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[1, 2，3]。堆肥是利用微生物在一定的溫度、濕度和pH 值條件下,對(duì)有機(jī)物分解、轉(zhuǎn)化使之達(dá)到減量化、腐殖化和無害化,是畜禽糞便資源化利用的有效途徑，同時(shí)畜禽糞便含有豐富的N、P、K 等營養(yǎng)元素,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中良好的有機(jī)肥源[3，4]。
畜禽糞便在高溫堆肥過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，其中NH3 和H2S 是最主要的惡臭物質(zhì)，這些氣體不但污染環(huán)境，還對(duì)人類健康造成極大威脅。因此，采取有效措施，最大限度地降低有害氣體的產(chǎn)生和排放，使其轉(zhuǎn)化成可利用的物質(zhì)，是畜禽糞便無害化處理亟待解決的問題。
堆肥時(shí)加入選育的除臭菌株，研究對(duì)NH3 和H2S 有害氣體釋放量的影響，揭示氮和硫轉(zhuǎn)化，為畜禽糞便無害化處理及資源化利用提供理論依據(jù)及菌種資源。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
新鮮牛糞、稻草取自香坊農(nóng)場(chǎng)，所用菌株均為本實(shí)驗(yàn)室篩選。
1.2 試驗(yàn)方法
新鮮牛糞和稻草混合均勻后接入5%菌液，含水量調(diào)至65%左右，堆成2m×1.5 m×1.2m的堆體。每一個(gè)菌株設(shè)二個(gè)處理，處理Ⅰ：堆體瓶內(nèi)放置裝有硼酸溶液的燒杯,用以吸收NH3;處理Ⅱ：堆體瓶內(nèi)放置裝有鋅銨絡(luò)鹽溶液的燒杯，用以吸收H2S，以不接種菌劑為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3 次。
1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法
NH3 采用酸堿滴定法[5]；H2S 采用鋅銨絡(luò)鹽吸收比色法[6]；水分含量采用重量法[7]；pH 值用pH 計(jì)測(cè)定[7]；全氮采用硫酸-過氧化氫消煮和凱氏定氮法測(cè)定[7]；有機(jī)氮采用Bremner 法[8]；NH4+-N采用2mol·L-1KCl 浸提法[9]；NO3-N 采用還原蒸餾法[9]；硫酸鹽用EDTA 間接絡(luò)合滴定法[9]；總硫采用灼燒法測(cè)定[10]。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用 EXCEL2003 和SPSS17.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同菌株對(duì)臭味氣體釋放量的影響
2.1.1 不同菌株對(duì) NH3 釋放量的影響
堆肥初期隨著溫度上升，大量有機(jī)物質(zhì)分解，轉(zhuǎn)化成NH4+-N，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NH3，所有處理NH3 釋放量迅速增加，并在第7d 達(dá)到最高，隨著溫度逐漸下降及微生物礦化作用減弱，有機(jī)態(tài)氮降解為NH4+-N 量減少，NH3 釋放量也隨之下降。因此，升溫期與高溫期是調(diào)控NH3 釋放的關(guān)鍵時(shí)期。
NH3 釋放量變化見圖1，不同菌株在堆肥過程一直有NH3 釋放，對(duì)照NH3 釋放量一直較菌株處理高，釋放高峰期均出現(xiàn)在高溫階段。堆肥結(jié)束時(shí)對(duì)照NH3 總釋放量為1.892 g/kg干樣，菌株B1、A1 與A2 為0.594、0.738 和0.870g/kg 干樣；菌株B1、A1 與A2 除氨效果較好，較對(duì)照分別降低了68.59%、61.00%和54.01%。
2.1.2 不同菌株對(duì) H2S 釋放量的影響
隨著堆肥時(shí)間延長及溫度上升，易分解有機(jī)物質(zhì)快速分解產(chǎn)生大量的含硫化合物，H2S釋放量逐漸上升，第7d 時(shí)H2S 釋放量最高，隨后下降。新鮮牛糞H2S 的大量釋放主要在高溫期。因此，需要在堆肥前期與高溫期控制H2S 釋放。
單菌株對(duì)降低 H2S 釋放均有一定的抑制作用見圖2，但存在一定差異，除菌株B3 外其他菌株在第12d 時(shí)已基本無H2S 釋放，而對(duì)照一直有H2S 釋放，并且各時(shí)期均較單菌株高，堆肥結(jié)束時(shí)H2S 釋放總量為260.84 mg/kg 干樣，菌株B1、A1 與B3 為26.89 、34.22 和 51.47mg/kg 干樣；單菌株較對(duì)照H2S 釋放量均降低了50%以上，菌株B1、A1 與B3 降低了89.69%、86.88%和80.27%，表明有很強(qiáng)的除臭能力。
2.2 溫度對(duì)氣體釋放量的影響
相關(guān)分析表明，溫度與NH3 和H2S 釋放量之間呈極顯著的正相關(guān)（r2=0.928），即溫度越高，氣體釋放量越多，反之，則越少。因此應(yīng)在滿足堆肥無害化前提條件下盡可能縮短高溫期維持的天數(shù)，減少NH3 和H2S 的釋放，有效地保留氮素和硫素，提高堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。
不同菌株處理與對(duì)照間氣體釋放量均呈顯著差異（P<0.05），表明選育的菌株能在高溫堆肥時(shí)發(fā)揮作用，有效地控制氣體釋放，抑制臭味產(chǎn)生。
2.3 不同菌株對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化影響
2.3.1 不同菌株對(duì)含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化影響
�。�1）NH4+-N 與NO3-N 變化堆肥結(jié)束時(shí) NH4+-N 含量均比堆肥前略有提高，pH 值上升，說明有機(jī)氮礦化為NH4+-N 的速率大于NH4+-N 向其它形態(tài)轉(zhuǎn)化的速率。堆肥結(jié)束時(shí)對(duì)照NH4+-N 含量較堆肥前增加了28.44%，而除臭效果好的B1、A1 與A2 菌株僅增加了4.47%，7.19%和10.35%，NH4+-N含量較對(duì)照低是由于NH4+-N 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO3-N 或被微生物吸收利用，說明添加微生物可以更好的保留氮素；NH4+-N 含量低，pH 值較小，可以減少NH3 在堿性條件下?lián)]發(fā)。
初期反硝化作用較強(qiáng)，部分NO3-N 通過反硝化作用轉(zhuǎn)化成N2 或被微生物固定，各處理NO3-N 含量均比堆肥前略有下降；菌株B1、A1 與A2 NO3-N 含量比對(duì)照略有提高但變化幅度相對(duì)較小，原因是降溫期時(shí)間較短硝化細(xì)菌數(shù)量較少、硝化作用較弱。
�。�2）全氮與有機(jī)氮變化隨著溫度升高,有機(jī)氮在微生物的作用下礦化為NH4+-N，一部分被轉(zhuǎn)化為NO3-N和NH3，NH3 揮發(fā)導(dǎo)致全氮降低；一部分被微生物利用合成細(xì)胞中的有機(jī)氮。
由可知，不同處理全氮、有機(jī)氮含量較堆肥前均有下降。堆肥結(jié)束時(shí)菌株B1、A1與A2較對(duì)照全氮增加了19.81%、18.80%和18.20%，有機(jī)氮增加了28.99%、27.42%和25.45%；對(duì)照全氮和有機(jī)氮較堆肥前減少了5.73 g/kg 和5.01 g/kg�？梢姡艟昕梢源貼H4+-N 向有機(jī)氮和NO3-N 轉(zhuǎn)化, 有效控制NH3 揮發(fā)，減少氮素大量損失，防止惡臭擴(kuò)散。
2.3.2 不同菌株對(duì)含硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化影響
目前，國內(nèi)對(duì)高溫堆肥中H2S 物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究未見報(bào)道。堆肥時(shí)釋放的H2S 被自養(yǎng)微生物作為營養(yǎng)物質(zhì)和能源吸收、利用,在生物體內(nèi)經(jīng)生化反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為硫酸鹽以及單質(zhì)硫[11]。
表明所有處理的全硫含量均有所減少，硫酸鹽含量均較堆肥前有明顯提高，H2S 總釋放量越低其硫酸鹽含量越高，原因是有機(jī)硫化物氧化過程中釋放的H2S 被硫化細(xì)菌氧化為硫酸鹽。堆肥結(jié)束時(shí)菌株A1、B1 和B3 全硫含量較對(duì)照增加了29.05%、22.64%和17.91%，硫酸鹽含量增加了40.77%、36.49%和30.18%；對(duì)照全硫較堆肥前減少了2.64g/kg。含硫惡臭氣體作為營養(yǎng)物質(zhì)被微生物轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，保留硫素同時(shí)達(dá)到了去除惡臭的目的。
2.4 養(yǎng)分損失與形態(tài)轉(zhuǎn)化
2.4.1 氮素?fù)p失與形態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)系
堆肥過程中氮素形態(tài)間的轉(zhuǎn)化主要包括兩個(gè)方面：氮素的固定和釋放。通常在堆肥過程中,氮素有一定的損失，這主要是由于有機(jī)氮的礦化和持續(xù)性NH3 的揮發(fā)以及NO3-N 的可能反硝化作用所導(dǎo)致[12]。
畜禽糞便中含有的氮類物質(zhì)，主要為NH4+-N、NO3-N 和有機(jī)氮。隨著微生物快速生長和繁殖，有機(jī)氮礦化為NH4+-N，部分NH4+-N 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO3-N 和有機(jī)氮，未被轉(zhuǎn)化的NH4+-N 在堿性條件下以NH3 的形式揮發(fā)，pH 較高時(shí)，不僅造成堆肥的氮素?fù)p失，也是惡臭產(chǎn)生的主要因素。
相關(guān)性分析見，NH3 釋放量與H2S 釋放量、pH 呈極顯著正相關(guān)，與全氮、有機(jī)氮和硫酸鹽變化趨勢(shì)則相反；pH 與NH4+-N 呈極顯著正相關(guān)，與全氮、有機(jī)氮、NO3-N 和硫酸鹽的變化趨勢(shì)則相反。表明有機(jī)氮礦化為NH4+-N 含量越高，pH 值越高，NH3 釋放越多；NH4+-N 轉(zhuǎn)化為NO3-N、有機(jī)氮含量越多，全氮含量也越高，NH3 揮發(fā)則越少，表明選育的菌株能夠有效調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化，達(dá)到控制臭味和提高氮素的目的。有機(jī)硫化物主要以含硫氨基酸和硫胺素、生物素等形態(tài)存在，而一般蛋白質(zhì)的氨化過程伴隨有脫硫過程[13]，因此微生物在降解蛋白質(zhì)等化合物產(chǎn)生NH3 的同時(shí)也會(huì)生成H2S，表明NH3 與H2S 揮發(fā)是正相關(guān)的，與一些學(xué)者研究結(jié)果一致。因此降低物料pH 值、促進(jìn)NH4+-N 向其它形態(tài)氮轉(zhuǎn)化是控制NH3 揮發(fā)的有效途徑。
2.4.2 硫素?fù)p失與形態(tài)轉(zhuǎn)化
堆肥過程中硫素形態(tài)間轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜的過程，硫素主要以元素硫、硫化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽和有機(jī)硫等形式存在。在堆肥過程中,隨著溫度升高，含硫有機(jī)化合物在異養(yǎng)微生物作用下分解生成含硫氣體，是堆肥中硫素?fù)p失和臭味產(chǎn)生的主要原因。
相關(guān)性分析見表2-1，H2S 釋放量與pH 呈顯著正相關(guān)，與全硫、全氮和硫酸鹽變化趨勢(shì)則相反。表明含硫有機(jī)化合物被異養(yǎng)微生物分解生成H2S 部分揮發(fā)到空氣中，部分被異養(yǎng)微生物轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，轉(zhuǎn)化的越多，全硫減少的越少，H2S 釋放越少；NH3 與H2S 揮發(fā)是顯著正相關(guān)，而NH3 揮發(fā)越多全氮含量越少，因此，全氮含量越高，H2S 釋放越少。表明選育的除臭菌株可以調(diào)控硫素轉(zhuǎn)化,減少含硫有機(jī)化合物分解和H2S 揮發(fā)，控制臭味產(chǎn)生保留更多的硫素。
堆肥過程中 NH3 釋放量較H2S 多、且周期長；H2S 溶于水呈酸性, pH 值越高溶解越多,釋放越少，而NH3 溶于水呈堿性, pH 值越低溶解越多,釋放越少[14]，表明高pH 對(duì)NH3 釋放影響較H2S 大，而堆肥過程中pH 一直較高，因此pH 與NH3 釋放量呈極顯著正相關(guān)，而與H2S 釋放量呈顯著正相關(guān)，表明選育的菌株能在較寬的pH 范圍控制NH3 釋放。
3 結(jié)論
�。�1）牛糞堆肥加入選育的菌株均有較強(qiáng)的除臭效果，菌株B1 與A1 除臭效果最好，對(duì)NH3 與H2S 去除率分別能達(dá)到60%與80%以上，有效地控制NH3 與H2S 揮發(fā)。
（2）近幾年來有關(guān)堆肥中氮素?fù)p失及氮素轉(zhuǎn)化已有文獻(xiàn)報(bào)道,但目前有關(guān)硫素轉(zhuǎn)化的研究未見報(bào)道，本文對(duì)硫素轉(zhuǎn)化進(jìn)行了初探。
�。�3）測(cè)定堆肥前后原料養(yǎng)分含量變化，研究了NH3 與H2S 物質(zhì)轉(zhuǎn)化。菌株B1、A1 可以促使氮類物質(zhì)向有機(jī)氮和NO3--N 轉(zhuǎn)化,同時(shí)可以降低H2S 釋放，促使其向硫酸鹽類轉(zhuǎn)化，有效地保留了氮素和硫素。
�。�4）溫度與氣體釋放量之間呈極顯著的正相關(guān)，不同菌株處理與對(duì)照間氣體釋放量均有顯著差異（P<0.05），表明選育的菌株能在高溫下有效地控制氣體釋放。
（5）NH3 與H2S 揮發(fā)呈顯著正相關(guān)，pH 對(duì)NH3 釋放的影響比對(duì)H2S 釋放的影響顯著。
�。�6）相關(guān)性分析表明，有機(jī)氮被微生物礦化為NH4+-N 含量越高，pH 值越高，NH3 釋放越多，而NH4+-N 被微生物轉(zhuǎn)化為NO3-N、有機(jī)氮含量越多，NH3 揮發(fā)越少；有機(jī)硫化物被微生物大量分解生成的H2S 越少，而H2S 轉(zhuǎn)化為硫酸鹽的含量越多，硫素?fù)p失的越少。
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