堆肥科學(xué)與技術(shù)第五章

堆肥科學(xué)與技術(shù)第五章第1頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)固體廢棄物中復(fù)雜有機物組成及生物降解固體廢棄物來源廣泛，其中有機物質(zhì)的成分是多種多樣的。秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)有機廢棄物的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等大分子物質(zhì)。第2頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第3頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四一、纖維素的結(jié)構(gòu)與微生物降解（一）纖維素資源與化學(xué)結(jié)構(gòu)在自然界中，纖維素生物質(zhì)主要是由植物通過光合作用所產(chǎn)生的次生物質(zhì)，是植物細(xì)胞壁的主要成分。地球上植物每年通過光合作用的生成纖維素的量為100億噸以上，相當(dāng)于目前世界能源消耗的8-10倍。纖維素占全球植物總干重的30-50%，是地球上分布最廣、含量最豐富的碳水化合物。第5頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四纖維素分子是由毗喃型葡萄糖分子通過β-1，4-糖苷鍵連接而成的鏈狀高分子聚合物，每個大分子中含葡萄糖殘基數(shù)一般為8000～12000個。纖維二糖是其基本單元，纖維素分子表面平整、易于長向伸展，再加上毗喃型葡萄糖環(huán)上的側(cè)基十分有利于氫鍵的形成，最終使這種帶狀、剛性的分子鏈聚集在一起，成為結(jié)晶性的原纖維結(jié)構(gòu)。第6頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第7頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四纖維素構(gòu)象式第8頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四纖維素結(jié)構(gòu)示意圖第9頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四CelluloseAmorphousregionCrystallineregionCellobiose(-1,4-glycosidiclinkage)cellulose第10頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四Trichodermareesei(CellobiohydrolaseI)第11頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（二）纖維素的微生物降解1.降解纖維素的微生物細(xì)菌的纖維素酶是活性較低的胞內(nèi)酶；真菌的纖維素酶活性最強，屬于胞外酶。微生物產(chǎn)生纖維素酶受纖維素分子的誘導(dǎo)，受降解產(chǎn)物纖維二糖和葡萄糖阻遏。第12頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四2微生物的纖維素酶系統(tǒng)微生物的非復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)微生物的復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)第13頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四

非復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)

纖維素酶（催化反應(yīng)類型）內(nèi)切纖維素酶外切纖維素酶葡萄糖苷水解酶氧化纖維素酶纖維素磷解酶第14頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)切纖維素酶(EG，E.C.3.2.1.4)Endo-cellulase，又叫內(nèi)切葡聚糖酶（endoglucanase）、葡聚糖內(nèi)切酶，功能為分解催化纖維素中段的鍵結(jié)，使單一纖維素分子，從纖維素分子互相緊密排列的結(jié)構(gòu)中暴露出來。

第15頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四外切纖維素酶(CBH，E.C.3.2.1.91)Exo-cellulase，又叫外切葡聚糖酶（exoglucanase）、葡聚糖外切酶，纖維二糖水解酶（cellobiohydrolases），功能為作用于葡聚糖內(nèi)切酶產(chǎn)生的這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端，釋放二到四個葡萄糖分子大小的寡醣（纖維二糖和多聚寡糖）。第16頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四葡萄糖苷水解酶(BGL，E.C.3.2.1.21)纖維二糖酶（cellobiase），又叫β-葡萄糖苷水解酶（β-glucosidase），功能作用于由葡聚糖內(nèi)切酶和葡聚糖外切酶分解纖維素產(chǎn)生的纖維二糖和一些寡聚糖，將其水解生成葡萄糖。第17頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四Modelofcellulose-cellulaseexoglucanaseendoglucanaseb-glucosidaseNRR=glucose=cellobiose第18頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四氧化纖維素酶（oxidativecellulase）：利用自由基對纖維素進(jìn)行分解。纖維素磷解酶（cellulosephosphorylase）：功能其它酵素不同，是以磷酸根取代水分子來進(jìn)行纖維素的分解。

第19頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)

纖維小體（Cellulosome）復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)也被稱為纖維小體，其存在于細(xì)胞壁上體現(xiàn)纖維素酶系統(tǒng)的活性，非常有利于纖維素酶系統(tǒng)中各單酶組分間發(fā)揮協(xié)同作用。當(dāng)纖溶性微生物生長在纖維素物質(zhì)的表面上時，各單酶組分被表達(dá)并聚集形成復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)。這樣的纖維小體結(jié)構(gòu)被形成后相互結(jié)合并突出在細(xì)胞表面。微生物所產(chǎn)生的復(fù)合型纖維素酶系統(tǒng)一般被發(fā)現(xiàn)在厭氧環(huán)境中。第20頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四纖維小體復(fù)合物之所以具有高催化效率的原因（1）在纖維小體的催化結(jié)構(gòu)成分之間存在正確的比率，這種正確的比率可以完美優(yōu)化各成分之間的協(xié)同作用；（2）催化結(jié)構(gòu)的各成分之間存在有適當(dāng)?shù)拈g隔空間，這種在空間上存在的間隔狀態(tài)進(jìn)一步增強了各成分之間的協(xié)同作用；（3）同時存在有多種酶蛋白活性成分，例如纖維素酶活性和半纖維素酶活性可以同時存在其中，這種多酶活性的存在可以有效地去除存在的異源多糖類物質(zhì)，從而進(jìn)一步加強對纖維素的水解作用。第25頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四3微生物對纖維素物質(zhì)的降解機制纖維素酶系統(tǒng)對纖維素水解的作用機理纖維素酶系統(tǒng)中經(jīng)典組分間的協(xié)同作用纖維素降解過程中纖維二糖脫氫酶的作用其它蛋白因子在纖維素降解過程的作用第26頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四二、半纖維素結(jié)構(gòu)和微生物降解（一）半纖維素資源和化學(xué)結(jié)構(gòu)半纖維素(hemicellulose)：指在植物細(xì)胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液，遇酸后遠(yuǎn)較纖維素易于水解的那部分植物多糖。因此，半纖維素是一類物質(zhì)的名稱。各種不同來源的半纖維素在成分上有所不同，木聚糖是一類含量最多的半纖維素。半纖維素在植物秸稈中含量僅次于纖維素。第29頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四半纖維素較集中于初級和次級細(xì)胞中，與木質(zhì)素和纖維素結(jié)合在一起，以增強細(xì)胞壁的強度。另一方面它與淀粉一樣可起到儲存碳水化合物的作用。纖維素—結(jié)晶結(jié)構(gòu)、堅韌、不易水解半纖維素---無定形隨機結(jié)構(gòu)、松散、酸或堿液中水解第30頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四半纖維素是由兩種或兩種以上單糖基組成的不均一聚糖（異質(zhì)多糖）。構(gòu)成半纖維素主鏈的單糖主要是D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖；側(cè)鏈糖基有D-木糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、L-巖藻糖以及各種帶有甲氧基和乙?；闹行蕴腔?。第31頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四半纖維素結(jié)構(gòu)模式圖第32頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四半纖維素第33頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（二）半纖維素的微生物降解半纖維素酶是專一性降解半纖維素的一組酶類，屬于聚糖水解酶（glycanhydrolases，EC3.2.1）。典型的半纖維素酶有D-木聚糖苷酶L-阿拉伯聚糖酶D-半乳聚糖酶D-甘露聚糖酶第34頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生半纖維素酶的微生物能分解半纖維素的微生物在自然界分布很廣，種類也很多有幾十個屬，一百多種，包括細(xì)菌、真菌、酵母菌、放線菌等，代表性菌株有卵形擬桿菌、嗜孢枯菌、粘液球菌、纖維單胞菌、白色隱球酵母、絲飽酵母、高溫單胞菌、產(chǎn)黃纖維單孢菌、黑曲霉、焦曲霉、煙色曲霉、綠色曲霉、繩狀青霉、粗糙脈胞菌等。第35頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四半纖維素酶內(nèi)切型β-1,4-木聚糖酶（1,4-β-D-木聚糖木聚糖水解酶，EC3.2.1.8）和外切型β-木糖苷酶（1,4-β-D-木聚糖木糖水解酶；EC3.2.1.37），可以水解β-1,4-木聚糖的主鏈。內(nèi)切型β-1,4-木聚糖酶從β-1,4-木聚糖主鏈的內(nèi)部切割木糖苷鍵，使木聚糖降解為木寡糖，外切型β-木糖苷酶通過切割木寡糖的末端而釋放木糖殘基。第36頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四多數(shù)半纖維素酶受末端產(chǎn)物D-木糖或D-阿拉伯糖的抑制。半纖維素酶受多種金屬離子所抑制，其中Hg是最強的抑制劑。但也有報道枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）和雙孢菇（Agaricusbisporus）產(chǎn)生的木聚糖酶受氯化鈉和氯化鈣所激活。第37頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四木聚糖酶的多樣性微生物能產(chǎn)生多種木聚糖酶，如從Aspergillusniger11中已經(jīng)分離純化5種不同的木聚糖酶。已有證據(jù)表明，來自同一微生物個體的多種木聚糖酶中至少有一部分是不同基因產(chǎn)物。這些酶均來自不同的前體，它們之間也無相關(guān)性。另一原因是轉(zhuǎn)譯后修飾，糖基化（glycosylation）或蛋白水解（proteolysis）或二者兼有的轉(zhuǎn)譯后修飾作用是木聚糖酶多樣性產(chǎn)生的原因。

第38頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四半纖維素的降解在自然界中半纖維素被微生物降解較快，在纖維素開始分解以前，一般已有較多的半纖維素己被分解，但從分解的最終結(jié)果看，纖維素基本能完全分解，而半纖維素則往往會殘留一些難分解部分，腐殖質(zhì)或泥炭中幾乎沒有纖維素，而半纖維素含量卻相當(dāng)高。第39頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四三、木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)與微生物降解（一）木質(zhì)素資源與化學(xué)結(jié)構(gòu)1838年，法國農(nóng)學(xué)家P.Payen從木材中分離纖維素時發(fā)現(xiàn)了一種含碳量較高的化合物，后來F.Schulze仔細(xì)分離出這種化合物并命名為“Lignin”，中文譯為“木質(zhì)素”。第40頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四木質(zhì)素是植物經(jīng)光合作用產(chǎn)生的一種含量僅次于纖維素的生物多聚體，廣泛存在于植物細(xì)胞壁中。其中，在木本植物中，木質(zhì)素的含量約為20-35%，在草本植物中含量約為15-25%。據(jù)估算全球每年產(chǎn)生的木質(zhì)素達(dá)6×1014噸，主要以造紙工業(yè)廢水和農(nóng)作物秸稈形式存在。第41頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第42頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四在植物體內(nèi)，細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種成分構(gòu)成，它們對細(xì)胞壁的物理作用分工有所區(qū)別，纖維素是細(xì)胞壁的骨架結(jié)構(gòu)，半纖維素是基體物質(zhì)，而木質(zhì)素是給殼物質(zhì)或硬固物質(zhì)，木質(zhì)素的存在給植物組織以強度和硬度，防止過多水分和有害菌類滲入細(xì)胞壁。

第43頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般認(rèn)為木質(zhì)素是由苯丙烷單元通過醚鍵和碳鍵連接而成的聚酚類三維網(wǎng)狀高分子芳香族化合物。在植物體內(nèi)，首先是由葡萄糖發(fā)生芳環(huán)化反應(yīng)形成莽草酸，再由莽草酸合成愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對羥苯基結(jié)構(gòu)三種木素的基本結(jié)構(gòu)。第44頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四最后再由這三種基本結(jié)構(gòu)聚合形成植物體內(nèi)分子量更大的一些基本成分。最常見的有六種。第45頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四這些基本成分再通過任意組合、共聚化后，形成了具有不均勻的、無旋光性的、交差鍵和高度分散結(jié)構(gòu)的聚合物——木質(zhì)素

第46頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（二）木質(zhì)素的微生物降解１.降解木質(zhì)素的微生物自然界中，木質(zhì)素的完全降解是真菌、細(xì)菌、放線菌及相應(yīng)微生物群落共同作用的結(jié)果，其中真菌起著主導(dǎo)作用，放線菌降解能力次之，細(xì)菌降解能力最弱。真菌降解木質(zhì)素微生物學(xué)研究細(xì)菌降解木質(zhì)素微生物學(xué)研究第47頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第48頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四２.木質(zhì)素生物降解機理研究以前根據(jù)木質(zhì)素降解產(chǎn)物分析，認(rèn)為木質(zhì)素降解可分為以下幾步：（1）脫甲基和羥基化以形成多酚結(jié)構(gòu)；（2）加氧裂解多酚環(huán)，產(chǎn)生鏈烴；（3）水解使脂肪烴縮短。H2O2及其他易擴散的有活性氧的物質(zhì)，如羥基、分子氧的產(chǎn)生在真菌降解木質(zhì)素中起著關(guān)鍵作用。隨著發(fā)現(xiàn)了木質(zhì)素過氧化物酶（LiP）和錳過氧化物酶（MnP）后，對木質(zhì)素生物降解機理有了新的認(rèn)識。第49頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四木質(zhì)素生物降解機理研究１）真菌降解木質(zhì)素機理

①白腐真菌降解木質(zhì)素機理②非白腐真菌降解木質(zhì)素機理２）細(xì)菌降解木質(zhì)素機理第50頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四１）真菌降解木質(zhì)素機理①白腐真菌降解木質(zhì)素機理白腐菌對木質(zhì)素的水解可以表現(xiàn)為選擇性或非選擇性兩種途徑，選擇性水解木質(zhì)素的過程中幾乎沒有纖維素的損失，在非選擇性水解木質(zhì)素的過程中幾乎所有的細(xì)胞壁都被破壞。第51頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四白腐真菌降解木質(zhì)素發(fā)生在次級代謝階段，即要在營養(yǎng)耗盡（主要是氮源限制）情況下啟動木質(zhì)素降解的酶催化系統(tǒng)。依靠酶的催化產(chǎn)生具有化學(xué)不穩(wěn)定性的木質(zhì)素自由活性中間體，然后發(fā)生一系列自發(fā)的降解反應(yīng)。這些酶根據(jù)不同電子受體，分為利用O2的多酚氧化酶系和利用H2O2的過氧化物酶系。前者為漆酶（Laccase），后者為LiP和MnP。第52頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第53頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第54頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四木素在氧化木素酶系的作用下轉(zhuǎn)變芳香環(huán)為芳環(huán)自由基和醌類，為防止這類活性中間體再聚合，須立即還原成穩(wěn)定性高、易進(jìn)入細(xì)胞的氫醌。因此真菌降解木質(zhì)素過程中存在第三類酶系統(tǒng)：纖維二糖/醌還原酶系。第55頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四１）真菌降解木質(zhì)素機理②非白腐真菌降解木質(zhì)素機理最初土壤中常見的一些真菌（半知菌或子囊菌）被認(rèn)為不能降解木質(zhì)素，但是近年來，陸續(xù)有研究者報道這些菌具有木質(zhì)素降解能力。

第56頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四褐腐真菌在木材分解早期對纖維素產(chǎn)生彌散性的攻擊，能使纖維素、半纖維素聚合度顯著下降，對木質(zhì)素降解有限，主要發(fā)生木質(zhì)素的改性增溶作用，能使木質(zhì)素分子中甲氧基含量降低，留下褐色的殘留物。軟腐真菌降解木質(zhì)素能力介于白腐真菌和褐腐真菌之間，該菌脫甲基活性較強，因此認(rèn)為脫甲基作用是軟腐真菌降解木質(zhì)素的主要反應(yīng)之一。

第57頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四２）細(xì)菌降解木質(zhì)素機理關(guān)于細(xì)菌降解木質(zhì)素的機理，存在較多的爭議，目前的研究主要局限于一系列木質(zhì)素類模型化合物的降解，以此來推測木質(zhì)素降解可能的機理，而且很多研究工作不具有重復(fù)性。目前，已肯定木質(zhì)素降解酶在細(xì)菌降解木質(zhì)素過程中的催化作用，但有關(guān)產(chǎn)生酶的種類和能力還存在著許多爭議，這方面的研究有待繼續(xù)。另外，與白腐真菌在次級代謝階段降解木質(zhì)素不同，細(xì)菌降解木質(zhì)素發(fā)生在初級代謝階段，木質(zhì)素降解酶的合成時間是在細(xì)菌生長的對數(shù)期和穩(wěn)定期。第58頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（三）木質(zhì)素降解生理學(xué)研究１.真菌降解木質(zhì)素的生理學(xué)研究２.細(xì)菌降解木質(zhì)素的生理學(xué)研究第59頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四碳源和氮源的影響發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素降解本身不提供菌生長和維持所需的碳源和能源，需要另外提供碳源和能源供菌降解木質(zhì)素。第60頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四氧的影響

大量研究表明純培養(yǎng)中提高氧濃度水平可促進(jìn)黃孢原毛平革菌對木質(zhì)素的降解。實驗發(fā)現(xiàn)通純氧可使黃孢中LiP活力提高50%，但對MnP的影響不大。第61頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四誘導(dǎo)物的添加

在紙漿木質(zhì)素降解過程中加入纖維二糖可加強木質(zhì)素被木質(zhì)素酶的降解。第62頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四微量元素的影響增加Mn2+的含量可使木質(zhì)素降解率提高。酶活隨著Zn2+和Cu2+這兩種微量元素的增加而增強。Zn2+對LiP產(chǎn)生的影響較大。第63頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四其他作用除上述影響因素外，表面活性劑的使用、溫度、菌絲的固定化、pH值以及搖瓶轉(zhuǎn)速等也是影響木質(zhì)素降解酶產(chǎn)生的因素。如添加低濃度的Tw80可解除振蕩培養(yǎng)對酶合成的抑制。黃孢原毛平革菌的菌絲最適生長溫度為37℃，改為30℃發(fā)酵培養(yǎng)可較大地提高LiP活性。第64頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第65頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第66頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第67頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第68頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第69頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第70頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第71頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)腐殖質(zhì)在堆肥過程中，物料中簡單的有機分子如糖、碳水化合物等組分被迅速分解，一方面被用于合成微生物菌體，在菌體的呼吸作用下生成CO2，另一方面，剩下部分有機殘渣。隨著堆肥進(jìn)程的發(fā)展，不同顏色和顆粒大小的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成復(fù)雜的有機分子結(jié)構(gòu)，顏色呈深色，分子顆粒小，富含酚類、羧基和胺等化學(xué)組分。伴隨堆肥進(jìn)程的結(jié)束，微生物的活動變得緩慢，堆肥產(chǎn)物類似于土壤的腐殖質(zhì)物質(zhì)。第72頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第73頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第74頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四一、腐殖質(zhì)的基本理論研究Baffle定義為：“腐殖質(zhì)是死亡的有機體腐化后在土壤、水和沉積物中形成的一類有機化合物。腐殖質(zhì)是芳香族化合物（多酚型）和含氮化合物（多肽型）在少量還原物質(zhì)（多糖醛酸苷型）參與下縮合而成的高分子化合物；它是土壤中能被堿、中性鹽溶液或有機溶劑提取出來的咖啡色、褐色及黃色有機化合物的總稱，它有高分子量及高穩(wěn)定性。第75頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四

Aiken等將腐殖質(zhì)成分化分為3部分，胡敏素（任何pH條件下都不溶于水）；胡敏酸（酸性pH條件下溶于水）；富里酸（任何pH條件下都溶于水）

第76頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（一）腐殖質(zhì)的來源與形成目前有關(guān)腐殖質(zhì)的形成有以下幾種學(xué)說推測：依次為糖一胺縮合學(xué)說、多酚學(xué)說、起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說、木質(zhì)素學(xué)說、細(xì)胞自溶學(xué)說和微生物合成學(xué)說。第77頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第78頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第79頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第80頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四二、腐殖質(zhì)的性質(zhì)第81頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（一）腐殖物質(zhì)腐殖物質(zhì)的顏色一般呈黑色，但會因其組分相對分子質(zhì)量大小或發(fā)色基團(tuán)（如共軛雙鍵、芳香環(huán)、酚基等）組成比例的不同而不同。其顏色與相對分子質(zhì)量大小或分子芳構(gòu)化程度呈正相關(guān)，與脂族鏈烴含量呈負(fù)相關(guān)。腐殖物質(zhì)是親水膠體，有強大的吸水能力。第82頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四腐殖物質(zhì)主要由C，H，O，N，P，S等元素組成，并有少量的Ca，Mg，F(xiàn)e，Si等灰分元素。腐殖物質(zhì)的含氧功能團(tuán)，如羧基、酚羥基、醇羥基、甲氧基、羰基和醌基等使腐殖物質(zhì)表現(xiàn)出離子交換性、配合性、氧化還原性以及生理活性等。用不同方法測得的腐殖物質(zhì)的相對分子質(zhì)量相差極大，一般為400~200000，有的可高達(dá)幾百萬。第83頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（二）腐殖質(zhì)的分組及其性質(zhì)根據(jù)在酸和堿溶液中溶解度，可把腐殖質(zhì)分為三種主要組成：胡敏酸HA；富里酸FA；胡敏素。第84頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四胡敏酸HA（Humicacid，褐腐酸）胡敏酸是黑色腐殖酸，溶于水，其水溶液呈弱酸性。敏酸由碳、氫、氧、氮四種元素組成。對我國各種土壤胡敏酸的紅外光譜研究查明，其化學(xué)結(jié)構(gòu)組成部分有羥基、羰基、芳香族的C-H鏈、酰胺、醇、芳香族醚及脂肪等。土壤胡敏酸不具晶體結(jié)構(gòu)，但其大分子有緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。胡敏酸能吸收大量水分，有分散和凝聚特性，其溶液pH值較富里酸小。第85頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四富里酸FA（Fulvicacid，黃腐酸）對稀堿液提取物酸化后，仍溶于液相的組分，即既溶于酸又溶于堿的組分；富里酸在水中溶解度很大，無色，水溶液呈強酸性，并具有腐蝕礦物的能力。富里酸的元素組成，分子結(jié)構(gòu)大致與胡敏酸相似，但它比胡敏酸有更多的羧基，較多的氫及氧原子，但碳原子較少。分子量也較胡敏酸低，在土壤剖面中具有更高的遷移能力。

第86頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四胡敏素Hu（Humin）不能被稀堿和稀酸從土壤樣品中提取的腐殖質(zhì)組分，即既不溶于酸又不溶于堿的組分。最難溶解的胡敏素組分則大多是與土壤礦物緊密結(jié)合的。胡敏素在成分上與胡敏酸近似，只是含氮量更少。三者的穩(wěn)定性為胡敏素高于胡敏酸，胡敏酸又高于富里酸。第87頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四（三）腐殖質(zhì)的分離與提純腐殖質(zhì)的分離腐殖質(zhì)的提純第88頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第89頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四三、堆肥中影響腐殖物質(zhì)形成的因素第90頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第91頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第92頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四科諾諾娃的觀點：“胡敏酸和富里酸是腐殖質(zhì)的統(tǒng)一體，在土壤中存在著富里酸轉(zhuǎn)變成胡敏酸，或者是相反過程的可能性”。黃孢原毛平革菌對木質(zhì)素的降解主要發(fā)生氧化反應(yīng)，它能使稻草秸稈首先轉(zhuǎn)化成分子量相對較小的富里酸或直接被分解為CO2，進(jìn)而富里酸轉(zhuǎn)化為胡敏酸。栗褐鏈霉菌主要是在一定程度上使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生改性，產(chǎn)生分子量相對較大的胡敏酸，而后轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)相對簡單的富里酸。說明腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化過程是動態(tài)的，既有分解，也有合成。第93頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第94頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第95頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第96頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四四、腐殖物質(zhì)的作用在土壤碳庫和環(huán)境中的作用對土壤肥力和植物生長的作用腐殖質(zhì)對生物可利用率的影響其它作用第97頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四在土壤碳庫和環(huán)境中的作用腐殖物質(zhì)是陸地和海洋中最主要的有機碳庫。腐殖物質(zhì)在降低農(nóng)藥影響和吸附重金屬離子方面起著重要的作用。腐殖物質(zhì)中活性功能團(tuán)對農(nóng)藥有很高的吸附活性?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，土壤對農(nóng)藥吸附的74%取決于HA和FA，F(xiàn)A的作用更為突出。腐殖物質(zhì)能與某些重金屬離子形成水溶性配合物使之隨水排出土體，減少危害和污染；在某些環(huán)境條件下，它也可與某些重金屬離子形成不溶性配合物，限制動植物對它的吸收。第98頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四對土壤肥力和植物生長的作用腐殖物質(zhì)能提高土壤肥力，主要表現(xiàn)在：第一，能增強土壤的保肥和供肥能力。腐殖物質(zhì)的表面負(fù)電荷能吸附陽離子養(yǎng)料和與多價金屬離子配合，在粘粒礦物表面形成膠膜，或參與競爭吸附點位，減少某些陰離子養(yǎng)分的固定；同時作為弱酸，它能溶解土壤礦質(zhì)部分，提高了土壤養(yǎng)分的有效性。腐殖質(zhì)的生化結(jié)構(gòu)決定其具有較強的酸堿緩沖能力。第99頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第二，腐殖物質(zhì)在土壤中以膠膜形式包被在礦質(zhì)土粒的外表，能促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的透水性、蓄水性及通氣性。腐殖物質(zhì)還是親水膠體，可作為土壤的保水劑。腐質(zhì)化過程中微生物產(chǎn)生大量粘性分泌物，可粘附顆粒結(jié)構(gòu)，提供土壤更好的好氧空間。第三，腐殖物質(zhì)的深色使土壤吸熱升溫快，有利于春播作物的早發(fā)速長。另外，腐殖物質(zhì)的功能團(tuán)能增強土壤的緩沖性。第100頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四腐殖物質(zhì)還在一定濃度范圍內(nèi)對植物生長有促進(jìn)作用。FA相對分子質(zhì)量較小易被生物吸收，功能團(tuán)含量高、生理活性大和配合能力強，從而反應(yīng)性高。FA處理對于提高發(fā)芽率、出苗率，增加莖粗、主根長，提高葉綠素、可溶性總糖和可溶性蛋白含量，降低丙二醛含量，以及防病、防蟲、抗旱和提高產(chǎn)量方面都具有較好的效果。

第101頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第102頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)堆肥化過程中氮素的損失及控制畜禽糞便在堆制過程中會散發(fā)惡臭，惡臭的釋放，不僅影響人類健康，還污染環(huán)境，造成資源浪費，堆肥產(chǎn)品含氮量的高低決定了堆肥的品質(zhì)，堆肥氮素的大量損失阻礙了堆肥化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如何在堆肥過程中減少氮素的損失已經(jīng)成為近年來堆肥研究的熱點之一。第103頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第104頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四一、堆肥化過程中氮素轉(zhuǎn)化機理堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化主要包括兩方面：氮素固定和氮素釋放。在堆肥結(jié)束后，氮素通常有一定的損失，這主要是由于有機氮的礦化和持續(xù)性氨的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化作用。堆肥中有機氮主要分布在不同的微生物群落和腐殖質(zhì)中，有機氮作為堆肥過程中全氮的主要組成部分，在堆肥過程中與全氮有相同的變化趨勢。第105頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四堆肥化過程中的主要氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)含氮有機物的氧化CsHtNuOv·aH2O+bO2→CwHxNyOz·cH2O（堆肥）+dH2O（水）+eH2O（氣）+fO2+gNH3+能量第106頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四堆肥化過程中的主要氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)細(xì)胞物質(zhì)的合成（包括有機物的氧化，并以NH3為氮源）nCxHyOz+NH3+（nx+ny/4-nz/2-5x）O2

→C5H7NO2

（細(xì)胞質(zhì)）+（nx-5）CO2+1/2（ny-4）H2O+能量第107頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四堆肥化過程中的主要氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)細(xì)胞質(zhì)的氧化C5H7NO2

（細(xì)胞質(zhì)）+5O2→5CO2+2H2O+NH3↑+能量第108頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四堆肥化過程中的主要氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)堆肥中的硝化過程NH4++2O2{亞硝化菌}→NO2-+4H++O2NH4++2O2

→NO3-+2H++O22NO2-+O2{硝化菌}→NO3-第109頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四堆肥化過程中的主要氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)堆肥中的反硝化過程HNO3+2H+{反硝化菌}→HNO2+H2OHNO3+8H+{反硝化菌}→NH3↑+3H2O2NO3+5H2{反硝化菌}→N2↑+2OH-+4H2O第110頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第111頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第112頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四硝化過程包括兩個階段第一階段，在亞硝化細(xì)菌的作用下，氨被氧化成亞硝酸，這類菌的形態(tài)多樣，包括有亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonos），亞硝化球菌屬（Nitrosocoxous），亞硝化螺菌屬（Nitrosospira），亞硝化葉菌屬（NitrosoLobus）等等。第二階段，在硝化細(xì)菌作用下，亞硝酸被氧化為硝酸，這類菌的形態(tài)也多樣，包括有硝化桿菌屬（Nitrobacteria），硝化球菌屬（Nitrococcus），硝化囊菌屬（Nitrocystis）等等。第113頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四反硝化菌在有氧情況下，以氧為最終電子受體，沒有反硝化作用。但在缺氧條件下，則以NO3-為最終電子受體，并能將NO3-還原為NO2-最終還原為N2和N2O揮發(fā)，使堆肥中的氮素大量損失。反硝化作用是造成堆肥化過程氮素?fù)p失的重要原因之一。在通氣情況不好時，大量的硝酸鹽被還原為游離的N2揮發(fā)，并且在還原過程中形成N2O會污染大氣。堆肥過程中硝化作用、反硝化作用相互轉(zhuǎn)化，互相依存，是一個復(fù)雜的微生物活動過程。因此，要控制堆肥化過程條件，防止反硝化作用的發(fā)生。

第114頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四二、堆肥化過程中氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律堆肥過程通常分為兩個階段，第一階段是升溫和微生物增加階段，通常持續(xù)幾天到幾周，在這個階段銨態(tài)氮會快速積累并使pH值提高，這樣在高溫條件下導(dǎo)致銨態(tài)氮以氨的形式大量損失。第二階段是保溫后腐熟階段，主要特點是腐殖酸的形成，由于銨態(tài)氮形成量減少，而硝態(tài)氮形成數(shù)量增加并且會以滲濾液的形式淋溶流失。第115頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四Kizchmann（1985）報道，未覆蓋糞堆通過滲液可使N素?fù)p失10%~14%。Christrensen（1983）報道，生活垃圾堆肥通過滲濾液損失總氮達(dá)7%~16%。不同堆肥化工藝、不同原料、不同過程和條件等都會影響堆肥化過程氮素的轉(zhuǎn)化，但對于高溫好氧堆肥化過程，氮素的轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

第116頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第117頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四在堆肥化初期，與其他形態(tài)氮素相比，NH4+-N呈增加趨勢。高溫期，由于硝化細(xì)菌被抑制，此時期主要以NH4+-N為主，堆肥化后期急劇下降。硝態(tài)氮主要在堆肥后期出現(xiàn)，高溫期不出現(xiàn)NO3--N。成品堆肥中氮素主要以有機態(tài)形式存在。第118頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四三、影響堆肥化過程氮素?fù)p失的因素堆肥材料、堆肥環(huán)境條件、調(diào)理劑對NH3的吸附性能以及微生物的種類等，都會影響堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化。畜禽糞便堆肥化過程氮素?fù)p失是一個普遍的問題。堆肥化過程中，影響NH3的形成和氮素?fù)p失的因素主要有：溫度、pH、通風(fēng)量、C/N、微生物活動以及添加劑等。第119頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四溫度在堆肥的高溫時期，在這個階段銨態(tài)氮會快速積累，從而使pH值提高，如有過量的有效氮就會以氨的形式釋放出來。一般堆肥化都是高溫堆肥，55℃~60℃微生物的生物量和種類最為豐富，降解速率最大，這個時期氮素?fù)p失率也大。不同環(huán)境條件下堆肥過程中NH3釋放量也有不同，如在低溫的冬季和高溫的夏季堆肥時NH3的釋放量有明顯差別，夏季釋放量大，而冬季堆肥NH3釋放量小。第120頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四pH值Nakasaki（1993）研究了控制pH值能極大的加快反應(yīng)速率，可避免反應(yīng)引起的臭味問題；微生物增長速率和蛋白質(zhì)分解速率在pH值為7~8時最佳，而葡萄糖分解速率在pH為6~9時最佳。一般堆肥化原料的pH值在中性條件下堆制效果較好。當(dāng)pH≥8時，在高氮混合物中，銨鹽向氨氣轉(zhuǎn)化，以造成氮素的損失。當(dāng)pH值在5~6之間時保氮效果好；在6~7之間次之；呈堿性時不利于保氮。

第121頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四第122頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四C/N比碳和氮的變化是影響堆肥化過程氮素轉(zhuǎn)化的重要因素之一。堆肥物料碳氮比的變化在堆肥中有特殊意義，在微生物的新陳代謝和細(xì)胞物質(zhì)的合成中需要大量的營養(yǎng)元素和微量元素，如碳、磷、鉀、氮、錳、鎂、銅和鈣等。碳在微生物新陳代謝過程中約有2/3變成二氧化碳而被消耗掉，1/3用于細(xì)胞質(zhì)的合成，所以一部分碳被稱為微生物的能源，而氮主要用于細(xì)胞原生質(zhì)的合成。第123頁，共134頁，2023年，2月20日，星期四堆肥過程中最佳C/N比為25~35。若C/N比超過40，可供消耗的碳素多，氮素養(yǎng)料相對缺乏，細(xì)菌和其他微生物的生長受到限制，有機物分解速度慢，堆肥化過程長。如初始C/N比高容易導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品的C/N比過高，這種堆肥