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畜粪蚯蚓堆肥中腐殖质形成及其结合态重金属变化规律和机理研究

姚武  
【摘要】:本研究采用猪粪、13C标记水稻秸秆混合物为原材料进行蚯蚓处理,研究蚯蚓处理前后堆制物的基本特性及重金属变化规律、水溶性有机物(DOM)和腐殖质组分的表征及其重金属变化,进一步研究畜粪蚯蚓堆肥中胡敏酸(HA)对Cu的吸附及影响因素和蚯蚓活动对腐殖质组分及其结合态重金属转化的影响等,主要结论如下:(1)蚯蚓堆肥过程中,蚯蚓的存活率和蚓体生长量变化一致,均呈先减后增趋势。当蚯蚓适应环境后,可促进堆制物的降解;堆肥结束后,蚯蚓处理使堆制物的pH、EC、温度和CEC升高;TC、TN含量增加,但C/N减少;营养元素总P、总K含量增加,且有效态的N、P、K含量亦呈增加趋势;微生物量碳含量减少但过氧化氢酶含量较高。蚯蚓能富集重金属Cu、Zn,对Cu具有更高的富集能力;蚯蚓处理使堆制物中总Cu量增加而使其有效态Cu含量减少,但Zn含量则相反。根据δ13C值和重金属含量变化,发现13C标记水稻秸秆和重金属能在蚓体、蚓粪中迁移、转化;各物质的Cu和Zn含量相互间存在影响。(2)蚯蚓处理后,堆制物中DOM含量增加,但DOM溶液中重金属Cu、Zn含量减少。经蚯蚓处理后,堆制物DOM中C、H、N含量增加,O含量减少,与自然堆肥处理相比,蚯蚓处理堆制物的DOM中具有更少的脂肪族官能团和更多的含氧官能团,其分子量更大,多糖物质含量降低,含氮物质增加,并具有更多复杂和密集的芳香结构存在。DOM的δ13C值的变化与DOM浓度呈显著相关,但蚯蚓堆肥中稻草碳源不易转化为DOM。(3)蚯蚓堆肥过程中,堆制物腐殖物质组分HS、HA和FA含量均呈增长趋势。与自然堆肥相比,蚯蚓堆肥后,腐殖物质组分HA分子量变小,其含氮官能团、脂肪族官能团和含氧官能团均相对较少,所含脂肪族物质和多糖物质呈减少趋势;FA中含氮化合物、脂肪族官能团增加,含氧官能团减少,所含芳香族化合物或羧酸类物质和多糖物质增加,分子量增大。荧光光谱分析表明,相对于自然堆肥,蚯蚓处理后堆制物腐殖质组分HA和FA具有较少的芳香蛋白物质、类胡敏酸、类富里酸及类蛋白物质,但结构复杂化程度较高。蚯蚓堆肥过程中,HA和FA的δ13C值变化相反,δ13C值始终为FAHA,故HA可能被转化成为了FA。(4)HA对Cu的吸附能力受pH、温度和HA初始浓度变化影响。通过拟合Henry、Langmuir和Freundlich方程可知,随着pH的增大,HA对Cu的最大吸附量增加;当温度和HA起始浓度适中时,蚯蚓处理的HA对Cu的吸附量最大。HA与Cu配合后,发生荧光猝灭现象,猝灭程度受pH、温度和HA浓度影响。HA吸附Cu后的荧光特征峰强度:随pH及HA起始浓度增大,HA吸附Cu后的荧光峰强度减小;随温度增加,HA吸附Cu后的荧光峰强度呈先增后减趋势。此外,S1处理所得HA比S2处理更能与Cu发生荧光猝灭现象。(5)蚯蚓处理过程中,蚯蚓活动能增大腐殖物质的矿化速率而重金属Cu会抑制蚯蚓活动,影响微生物和蚯蚓对腐殖物质分解。蚯蚓活动造成HA含量减少,HS和FA含量增加,并使HA/FA值降低,促进HA向FA转化;添加Cu后腐殖物质及各组分含量更少,这可能与蚯蚓活动促进Cu与腐殖质结合形成难溶性物质有关。红外光谱分析和荧光光谱分析结果发现,蚯蚓活动对HA中多糖类物质的形成有一定促进作用,蚯蚓活动会造成FA中脂肪族物质相应减少;相对于自然堆肥,蚯蚓堆肥在一定程度上造成HA中类胡敏酸有机物和FA类富里酸有机物中增加缓慢,FA中芳香族蛋白质物质减少缓慢,而重金属Cu会影响它们的形成。此外,蚯蚓对重金属Cu具有富集作用,且腐殖物质中FA结合态Cu远大于HA结合态Cu。


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