堆肥科学与技术第五章

堆肥科学与技术第五章第1页，共134页，2023年，2月20日，星期四第一节固体废弃物中复杂有机物组成及生物降解固体废弃物来源广泛，其中有机物质的成分是多种多样的。秸秆、畜禽粪便等农业有机废弃物的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等大分子物质。第2页，共134页，2023年，2月20日，星期四第3页，共134页，2023年，2月20日，星期四第4页，共134页，2023年，2月20日，星期四一、纤维素的结构与微生物降解（一）纤维素资源与化学结构在自然界中，纤维素生物质主要是由植物通过光合作用所产生的次生物质，是植物细胞壁的主要成分。地球上植物每年通过光合作用的生成纤维素的量为100亿吨以上，相当于目前世界能源消耗的8-10倍。纤维素占全球植物总干重的30-50%，是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。第5页，共134页，2023年，2月20日，星期四纤维素分子是由毗喃型葡萄糖分子通过β-1，4-糖苷键连接而成的链状高分子聚合物，每个大分子中含葡萄糖残基数一般为8000～12000个。纤维二糖是其基本单元，纤维素分子表面平整、易于长向伸展，再加上毗喃型葡萄糖环上的侧基十分有利于氢键的形成，最终使这种带状、刚性的分子链聚集在一起，成为结晶性的原纤维结构。第6页，共134页，2023年，2月20日，星期四第7页，共134页，2023年，2月20日，星期四纤维素构象式第8页，共134页，2023年，2月20日，星期四纤维素结构示意图第9页，共134页，2023年，2月20日，星期四CelluloseAmorphousregionCrystallineregionCellobiose(-1,4-glycosidiclinkage)cellulose第10页，共134页，2023年，2月20日，星期四Trichodermareesei(CellobiohydrolaseI)第11页，共134页，2023年，2月20日，星期四（二）纤维素的微生物降解1.降解纤维素的微生物细菌的纤维素酶是活性较低的胞内酶；真菌的纤维素酶活性最强，属于胞外酶。微生物产生纤维素酶受纤维素分子的诱导，受降解产物纤维二糖和葡萄糖阻遏。第12页，共134页，2023年，2月20日，星期四2微生物的纤维素酶系统微生物的非复合型纤维素酶系统微生物的复合型纤维素酶系统第13页，共134页，2023年，2月20日，星期四

非复合型纤维素酶系统

纤维素酶（催化反应类型）内切纤维素酶外切纤维素酶葡萄糖苷水解酶氧化纤维素酶纤维素磷解酶第14页，共134页，2023年，2月20日，星期四内切纤维素酶(EG，E.C.3.2.1.4)Endo-cellulase，又叫内切葡聚糖酶（endoglucanase）、葡聚糖内切酶，功能为分解催化纤维素中段的键结，使单一纤维素分子，从纤维素分子互相紧密排列的结构中暴露出来。

第15页，共134页，2023年，2月20日，星期四外切纤维素酶(CBH，E.C.3.2.1.91)Exo-cellulase，又叫外切葡聚糖酶（exoglucanase）、葡聚糖外切酶，纤维二糖水解酶（cellobiohydrolases），功能为作用于葡聚糖内切酶产生的这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端，释放二到四个葡萄糖分子大小的寡醣（纤维二糖和多聚寡糖）。第16页，共134页，2023年，2月20日，星期四葡萄糖苷水解酶(BGL，E.C.3.2.1.21)纤维二糖酶（cellobiase），又叫β-葡萄糖苷水解酶（β-glucosidase），功能作用于由葡聚糖内切酶和葡聚糖外切酶分解纤维素产生的纤维二糖和一些寡聚糖，将其水解生成葡萄糖。第17页，共134页，2023年，2月20日，星期四Modelofcellulose-cellulaseexoglucanaseendoglucanaseb-glucosidaseNRR=glucose=cellobiose第18页，共134页，2023年，2月20日，星期四氧化纤维素酶（oxidativecellulase）：利用自由基对纤维素进行分解。纤维素磷解酶（cellulosephosphorylase）：功能其它酵素不同，是以磷酸根取代水分子来进行纤维素的分解。

第19页，共134页，2023年，2月20日，星期四复合型纤维素酶系统

纤维小体（Cellulosome）复合型纤维素酶系统也被称为纤维小体，其存在于细胞壁上体现纤维素酶系统的活性，非常有利于纤维素酶系统中各单酶组分间发挥协同作用。当纤溶性微生物生长在纤维素物质的表面上时，各单酶组分被表达并聚集形成复合型纤维素酶系统。这样的纤维小体结构被形成后相互结合并突出在细胞表面。微生物所产生的复合型纤维素酶系统一般被发现在厌氧环境中。第20页，共134页，2023年，2月20日，星期四第21页，共134页，2023年，2月20日，星期四第22页，共134页，2023年，2月20日，星期四第23页，共134页，2023年，2月20日，星期四第24页，共134页，2023年，2月20日，星期四纤维小体复合物之所以具有高催化效率的原因（1）在纤维小体的催化结构成分之间存在正确的比率，这种正确的比率可以完美优化各成分之间的协同作用；（2）催化结构的各成分之间存在有适当的间隔空间，这种在空间上存在的间隔状态进一步增强了各成分之间的协同作用；（3）同时存在有多种酶蛋白活性成分，例如纤维素酶活性和半纤维素酶活性可以同时存在其中，这种多酶活性的存在可以有效地去除存在的异源多糖类物质，从而进一步加强对纤维素的水解作用。第25页，共134页，2023年，2月20日，星期四3微生物对纤维素物质的降解机制纤维素酶系统对纤维素水解的作用机理纤维素酶系统中经典组分间的协同作用纤维素降解过程中纤维二糖脱氢酶的作用其它蛋白因子在纤维素降解过程的作用第26页，共134页，2023年，2月20日，星期四第27页，共134页，2023年，2月20日，星期四第28页，共134页，2023年，2月20日，星期四二、半纤维素结构和微生物降解（一）半纤维素资源和化学结构半纤维素(hemicellulose)：指在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。因此，半纤维素是一类物质的名称。各种不同来源的半纤维素在成分上有所不同，木聚糖是一类含量最多的半纤维素。半纤维素在植物秸秆中含量仅次于纤维素。第29页，共134页，2023年，2月20日，星期四半纤维素较集中于初级和次级细胞中，与木质素和纤维素结合在一起，以增强细胞壁的强度。另一方面它与淀粉一样可起到储存碳水化合物的作用。纤维素—结晶结构、坚韧、不易水解半纤维素---无定形随机结构、松散、酸或碱液中水解第30页，共134页，2023年，2月20日，星期四半纤维素是由两种或两种以上单糖基组成的不均一聚糖（异质多糖）。构成半纤维素主链的单糖主要是D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖；侧链糖基有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-岩藻糖以及各种带有甲氧基和乙酰基的中性糖基。第31页，共134页，2023年，2月20日，星期四半纤维素结构模式图第32页，共134页，2023年，2月20日，星期四半纤维素第33页，共134页，2023年，2月20日，星期四（二）半纤维素的微生物降解半纤维素酶是专一性降解半纤维素的一组酶类，属于聚糖水解酶（glycanhydrolases，EC3.2.1）。典型的半纤维素酶有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页，共134页，2023年，2月20日，星期四产生半纤维素酶的微生物能分解半纤维素的微生物在自然界分布很广，种类也很多有几十个属，一百多种，包括细菌、真菌、酵母菌、放线菌等，代表性菌株有卵形拟杆菌、嗜孢枯菌、粘液球菌、纤维单胞菌、白色隐球酵母、丝饱酵母、高温单胞菌、产黄纤维单孢菌、黑曲霉、焦曲霉、烟色曲霉、绿色曲霉、绳状青霉、粗糙脉胞菌等。第35页，共134页，2023年，2月20日，星期四半纤维素酶内切型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-木聚糖的主链。内切型β-1,4-木聚糖酶从β-1,4-木聚糖主链的内部切割木糖苷键，使木聚糖降解为木寡糖，外切型β-木糖苷酶通过切割木寡糖的末端而释放木糖残基。第36页，共134页，2023年，2月20日，星期四多数半纤维素酶受末端产物D-木糖或D-阿拉伯糖的抑制。半纤维素酶受多种金属离子所抑制，其中Hg是最强的抑制剂。但也有报道枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）和双孢菇（Agaricusbisporus）产生的木聚糖酶受氯化钠和氯化钙所激活。第37页，共134页，2023年，2月20日，星期四木聚糖酶的多样性微生物能产生多种木聚糖酶，如从Aspergillusniger11中已经分离纯化5种不同的木聚糖酶。已有证据表明，来自同一微生物个体的多种木聚糖酶中至少有一部分是不同基因产物。这些酶均来自不同的前体，它们之间也无相关性。另一原因是转译后修饰，糖基化（glycosylation）或蛋白水解（proteolysis）或二者兼有的转译后修饰作用是木聚糖酶多样性产生的原因。

第38页，共134页，2023年，2月20日，星期四半纤维素的降解在自然界中半纤维素被微生物降解较快，在纤维素开始分解以前，一般已有较多的半纤维素己被分解，但从分解的最终结果看，纤维素基本能完全分解，而半纤维素则往往会残留一些难分解部分，腐殖质或泥炭中几乎没有纤维素，而半纤维素含量却相当高。第39页，共134页，2023年，2月20日，星期四三、木质素的结构与微生物降解（一）木质素资源与化学结构1838年，法国农学家P.Payen从木材中分离纤维素时发现了一种含碳量较高的化合物，后来F.Schulze仔细分离出这种化合物并命名为“Lignin”，中文译为“木质素”。第40页，共134页，2023年，2月20日，星期四木质素是植物经光合作用产生的一种含量仅次于纤维素的生物多聚体，广泛存在于植物细胞壁中。其中，在木本植物中，木质素的含量约为20-35%，在草本植物中含量约为15-25%。据估算全球每年产生的木质素达6×1014吨，主要以造纸工业废水和农作物秸秆形式存在。第41页，共134页，2023年，2月20日，星期四第42页，共134页，2023年，2月20日，星期四在植物体内，细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成，它们对细胞壁的物理作用分工有所区别，纤维素是细胞壁的骨架结构，半纤维素是基体物质，而木质素是给壳物质或硬固物质，木质素的存在给植物组织以强度和硬度，防止过多水分和有害菌类渗入细胞壁。

第43页，共134页，2023年，2月20日，星期四木质素的结构复杂。一般认为木质素是由苯丙烷单元通过醚键和碳键连接而成的聚酚类三维网状高分子芳香族化合物。在植物体内，首先是由葡萄糖发生芳环化反应形成莽草酸，再由莽草酸合成愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构三种木素的基本结构。第44页，共134页，2023年，2月20日，星期四最后再由这三种基本结构聚合形成植物体内分子量更大的一些基本成分。最常见的有六种。第45页，共134页，2023年，2月20日，星期四这些基本成分再通过任意组合、共聚化后，形成了具有不均匀的、无旋光性的、交差键和高度分散结构的聚合物——木质素

第46页，共134页，2023年，2月20日，星期四（二）木质素的微生物降解１.降解木质素的微生物自然界中，木质素的完全降解是真菌、细菌、放线菌及相应微生物群落共同作用的结果，其中真菌起着主导作用，放线菌降解能力次之，细菌降解能力最弱。真菌降解木质素微生物学研究细菌降解木质素微生物学研究第47页，共134页，2023年，2月20日，星期四第48页，共134页，2023年，2月20日，星期四２.木质素生物降解机理研究以前根据木质素降解产物分析，认为木质素降解可分为以下几步：（1）脱甲基和羟基化以形成多酚结构；（2）加氧裂解多酚环，产生链烃；（3）水解使脂肪烃缩短。H2O2及其他易扩散的有活性氧的物质，如羟基、分子氧的产生在真菌降解木质素中起着关键作用。随着发现了木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP）后，对木质素生物降解机理有了新的认识。第49页，共134页，2023年，2月20日，星期四木质素生物降解机理研究１）真菌降解木质素机理

①白腐真菌降解木质素机理②非白腐真菌降解木质素机理２）细菌降解木质素机理第50页，共134页，2023年，2月20日，星期四１）真菌降解木质素机理①白腐真菌降解木质素机理白腐菌对木质素的水解可以表现为选择性或非选择性两种途径，选择性水解木质素的过程中几乎没有纤维素的损失，在非选择性水解木质素的过程中几乎所有的细胞壁都被破坏。第51页，共134页，2023年，2月20日，星期四白腐真菌降解木质素发生在次级代谢阶段，即要在营养耗尽（主要是氮源限制）情况下启动木质素降解的酶催化系统。依靠酶的催化产生具有化学不稳定性的木质素自由活性中间体，然后发生一系列自发的降解反应。这些酶根据不同电子受体，分为利用O2的多酚氧化酶系和利用H2O2的过氧化物酶系。前者为漆酶（Laccase），后者为LiP和MnP。第52页，共134页，2023年，2月20日，星期四第53页，共134页，2023年，2月20日，星期四第54页，共134页，2023年，2月20日，星期四木素在氧化木素酶系的作用下转变芳香环为芳环自由基和醌类，为防止这类活性中间体再聚合，须立即还原成稳定性高、易进入细胞的氢醌。因此真菌降解木质素过程中存在第三类酶系统：纤维二糖/醌还原酶系。第55页，共134页，2023年，2月20日，星期四１）真菌降解木质素机理②非白腐真菌降解木质素机理最初土壤中常见的一些真菌（半知菌或子囊菌）被认为不能降解木质素，但是近年来，陆续有研究者报道这些菌具有木质素降解能力。

第56页，共134页，2023年，2月20日，星期四褐腐真菌在木材分解早期对纤维素产生弥散性的攻击，能使纤维素、半纤维素聚合度显著下降，对木质素降解有限，主要发生木质素的改性增溶作用，能使木质素分子中甲氧基含量降低，留下褐色的残留物。软腐真菌降解木质素能力介于白腐真菌和褐腐真菌之间，该菌脱甲基活性较强，因此认为脱甲基作用是软腐真菌降解木质素的主要反应之一。

第57页，共134页，2023年，2月20日，星期四２）细菌降解木质素机理关于细菌降解木质素的机理，存在较多的争议，目前的研究主要局限于一系列木质素类模型化合物的降解，以此来推测木质素降解可能的机理，而且很多研究工作不具有重复性。目前，已肯定木质素降解酶在细菌降解木质素过程中的催化作用，但有关产生酶的种类和能力还存在着许多争议，这方面的研究有待继续。另外，与白腐真菌在次级代谢阶段降解木质素不同，细菌降解木质素发生在初级代谢阶段，木质素降解酶的合成时间是在细菌生长的对数期和稳定期。第58页，共134页，2023年，2月20日，星期四（三）木质素降解生理学研究１.真菌降解木质素的生理学研究２.细菌降解木质素的生理学研究第59页，共134页，2023年，2月20日，星期四碳源和氮源的影响发现木质素降解本身不提供菌生长和维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质素。第60页，共134页，2023年，2月20日，星期四氧的影响

大量研究表明纯培养中提高氧浓度水平可促进黄孢原毛平革菌对木质素的降解。实验发现通纯氧可使黄孢中LiP活力提高50%，但对MnP的影响不大。第61页，共134页，2023年，2月20日，星期四诱导物的添加

在纸浆木质素降解过程中加入纤维二糖可加强木质素被木质素酶的降解。第62页，共134页，2023年，2月20日，星期四微量元素的影响增加Mn2+的含量可使木质素降解率提高。酶活随着Zn2+和Cu2+这两种微量元素的增加而增强。Zn2+对LiP产生的影响较大。第63页，共134页，2023年，2月20日，星期四其他作用除上述影响因素外，表面活性剂的使用、温度、菌丝的固定化、pH值以及摇瓶转速等也是影响木质素降解酶产生的因素。如添加低浓度的Tw80可解除振荡培养对酶合成的抑制。黄孢原毛平革菌的菌丝最适生长温度为37℃，改为30℃发酵培养可较大地提高LiP活性。第64页，共134页，2023年，2月20日，星期四第65页，共134页，2023年，2月20日，星期四第66页，共134页，2023年，2月20日，星期四第67页，共134页，2023年，2月20日，星期四第68页，共134页，2023年，2月20日，星期四第69页，共134页，2023年，2月20日，星期四第70页，共134页，2023年，2月20日，星期四第71页，共134页，2023年，2月20日，星期四第二节腐殖质在堆肥过程中，物料中简单的有机分子如糖、碳水化合物等组分被迅速分解，一方面被用于合成微生物菌体，在菌体的呼吸作用下生成CO2，另一方面，剩下部分有机残渣。随着堆肥进程的发展，不同颜色和颗粒大小的有机质转化成复杂的有机分子结构，颜色呈深色，分子颗粒小，富含酚类、羧基和胺等化学组分。伴随堆肥进程的结束，微生物的活动变得缓慢，堆肥产物类似于土壤的腐殖质物质。第72页，共134页，2023年，2月20日，星期四第73页，共134页，2023年，2月20日，星期四第74页，共134页，2023年，2月20日，星期四一、腐殖质的基本理论研究Baffle定义为：“腐殖质是死亡的有机体腐化后在土壤、水和沉积物中形成的一类有机化合物。腐殖质是芳香族化合物（多酚型）和含氮化合物（多肽型）在少量还原物质（多糖醛酸苷型）参与下缩合而成的高分子化合物；它是土壤中能被碱、中性盐溶液或有机溶剂提取出来的咖啡色、褐色及黄色有机化合物的总称，它有高分子量及高稳定性。第75页，共134页，2023年，2月20日，星期四

Aiken等将腐殖质成分化分为3部分，胡敏素（任何pH条件下都不溶于水）；胡敏酸（酸性pH条件下溶于水）；富里酸（任何pH条件下都溶于水）

第76页，共134页，2023年，2月20日，星期四（一）腐殖质的来源与形成目前有关腐殖质的形成有以下几种学说推测：依次为糖一胺缩合学说、多酚学说、起源于木质素的多酚学说、木质素学说、细胞自溶学说和微生物合成学说。第77页，共134页，2023年，2月20日，星期四第78页，共134页，2023年，2月20日，星期四第79页，共134页，2023年，2月20日，星期四第80页，共134页，2023年，2月20日，星期四二、腐殖质的性质第81页，共134页，2023年，2月20日，星期四（一）腐殖物质腐殖物质的颜色一般呈黑色，但会因其组分相对分子质量大小或发色基团（如共轭双键、芳香环、酚基等）组成比例的不同而不同。其颜色与相对分子质量大小或分子芳构化程度呈正相关，与脂族链烃含量呈负相关。腐殖物质是亲水胶体，有强大的吸水能力。第82页，共134页，2023年，2月20日，星期四腐殖物质主要由C，H，O，N，P，S等元素组成，并有少量的Ca，Mg，Fe，Si等灰分元素。腐殖物质的含氧功能团，如羧基、酚羟基、醇羟基、甲氧基、羰基和醌基等使腐殖物质表现出离子交换性、配合性、氧化还原性以及生理活性等。用不同方法测得的腐殖物质的相对分子质量相差极大，一般为400~200000，有的可高达几百万。第83页，共134页，2023年，2月20日，星期四（二）腐殖质的分组及其性质根据在酸和碱溶液中溶解度，可把腐殖质分为三种主要组成：胡敏酸HA；富里酸FA；胡敏素。第84页，共134页，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、氢、氧、氮四种元素组成。对我国各种土壤胡敏酸的红外光谱研究查明，其化学结构组成部分有羟基、羰基、芳香族的C-H链、酰胺、醇、芳香族醚及脂肪等。土壤胡敏酸不具晶体结构，但其大分子有紧密的网络结构。胡敏酸能吸收大量水分，有分散和凝聚特性，其溶液pH值较富里酸小。第85页，共134页，2023年，2月20日，星期四富里酸FA（Fulvicacid，黄腐酸）对稀碱液提取物酸化后，仍溶于液相的组分，即既溶于酸又溶于碱的组分；富里酸在水中溶解度很大，无色，水溶液呈强酸性，并具有腐蚀矿物的能力。富里酸的元素组成，分子结构大致与胡敏酸相似，但它比胡敏酸有更多的羧基，较多的氢及氧原子，但碳原子较少。分子量也较胡敏酸低，在土壤剖面中具有更高的迁移能力。

第86页，共134页，2023年，2月20日，星期四胡敏素Hu（Humin）不能被稀碱和稀酸从土壤样品中提取的腐殖质组分，即既不溶于酸又不溶于碱的组分。最难溶解的胡敏素组分则大多是与土壤矿物紧密结合的。胡敏素在成分上与胡敏酸近似，只是含氮量更少。三者的稳定性为胡敏素高于胡敏酸，胡敏酸又高于富里酸。第87页，共134页，2023年，2月20日，星期四（三）腐殖质的分离与提纯腐殖质的分离腐殖质的提纯第88页，共134页，2023年，2月20日，星期四第89页，共134页，2023年，2月20日，星期四三、堆肥中影响腐殖物质形成的因素第90页，共134页，2023年，2月20日，星期四第91页，共134页，2023年，2月20日，星期四第92页，共134页，2023年，2月20日，星期四科诺诺娃的观点：“胡敏酸和富里酸是腐殖质的统一体，在土壤中存在着富里酸转变成胡敏酸，或者是相反过程的可能性”。黄孢原毛平革菌对木质素的降解主要发生氧化反应，它能使稻草秸秆首先转化成分子量相对较小的富里酸或直接被分解为CO2，进而富里酸转化为胡敏酸。栗褐链霉菌主要是在一定程度上使木质素结构发生改性，产生分子量相对较大的胡敏酸，而后转化为结构相对简单的富里酸。说明腐殖质转化过程是动态的，既有分解，也有合成。第93页，共134页，2023年，2月20日，星期四第94页，共134页，2023年，2月20日，星期四第95页，共134页，2023年，2月20日，星期四第96页，共134页，2023年，2月20日，星期四四、腐殖物质的作用在土壤碳库和环境中的作用对土壤肥力和植物生长的作用腐殖质对生物可利用率的影响其它作用第97页，共134页，2023年，2月20日，星期四在土壤碳库和环境中的作用腐殖物质是陆地和海洋中最主要的有机碳库。腐殖物质在降低农药影响和吸附重金属离子方面起着重要的作用。腐殖物质中活性功能团对农药有很高的吸附活性。现已发现，土壤对农药吸附的74%取决于HA和FA，FA的作用更为突出。腐殖物质能与某些重金属离子形成水溶性配合物使之随水排出土体，减少危害和污染；在某些环境条件下，它也可与某些重金属离子形成不溶性配合物，限制动植物对它的吸收。第98页，共134页，2023年，2月20日，星期四对土壤肥力和植物生长的作用腐殖物质能提高土壤肥力，主要表现在：第一，能增强土壤的保肥和供肥能力。腐殖物质的表面负电荷能吸附阳离子养料和与多价金属离子配合，在粘粒矿物表面形成胶膜，或参与竞争吸附点位，减少某些阴离子养分的固定；同时作为弱酸，它能溶解土壤矿质部分，提高了土壤养分的有效性。腐殖质的生化结构决定其具有较强的酸碱缓冲能力。第99页，共134页，2023年，2月20日，星期四第二，腐殖物质在土壤中以胶膜形式包被在矿质土粒的外表，能促进团粒结构的形成，改善土壤的透水性、蓄水性及通气性。腐殖物质还是亲水胶体，可作为土壤的保水剂。腐质化过程中微生物产生大量粘性分泌物，可粘附颗粒结构，提供土壤更好的好氧空间。第三，腐殖物质的深色使土壤吸热升温快，有利于春播作物的早发速长。另外，腐殖物质的功能团能增强土壤的缓冲性。第100页，共134页，2023年，2月20日，星期四腐殖物质还在一定浓度范围内对植物生长有促进作用。FA相对分子质量较小易被生物吸收，功能团含量高、生理活性大和配合能力强，从而反应性高。FA处理对于提高发芽率、出苗率，增加茎粗、主根长，提高叶绿素、可溶性总糖和可溶性蛋白含量，降低丙二醛含量，以及防病、防虫、抗旱和提高产量方面都具有较好的效果。

第101页，共134页，2023年，2月20日，星期四第102页，共134页，2023年，2月20日，星期四第三节堆肥化过程中氮素的损失及控制畜禽粪便在堆制过程中会散发恶臭，恶臭的释放，不仅影响人类健康，还污染环境，造成资源浪费，堆肥产品含氮量的高低决定了堆肥的品质，堆肥氮素的大量损失阻碍了堆肥化产业的发展。如何在堆肥过程中减少氮素的损失已经成为近年来堆肥研究的热点之一。第103页，共134页，2023年，2月20日，星期四第104页，共134页，2023年，2月20日，星期四一、堆肥化过程中氮素转化机理堆肥过程中氮素转化主要包括两方面：氮素固定和氮素释放。在堆肥结束后，氮素通常有一定的损失，这主要是由于有机氮的矿化和持续性氨的挥发以及硝态氮的反硝化作用。堆肥中有机氮主要分布在不同的微生物群落和腐殖质中，有机氮作为堆肥过程中全氮的主要组成部分，在堆肥过程中与全氮有相同的变化趋势。第105页，共134页，2023年，2月20日，星期四堆肥化过程中的主要氮素转化反应含氮有机物的氧化CsHtNuOv·aH2O+bO2→CwHxNyOz·cH2O（堆肥）+dH2O（水）+eH2O（气）+fO2+gNH3+能量第106页，共134页，2023年，2月20日，星期四堆肥化过程中的主要氮素转化反应细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3为氮源）nCxHyOz+NH3+（nx+ny/4-nz/2-5x）O2

→C5H7NO2

（细胞质）+（nx-5）CO2+1/2（ny-4）H2O+能量第107页，共134页，2023年，2月20日，星期四堆肥化过程中的主要氮素转化反应细胞质的氧化C5H7NO2

（细胞质）+5O2→5CO2+2H2O+NH3↑+能量第108页，共134页，2023年，2月20日，星期四堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥中的硝化过程NH4++2O2{亚硝化菌}→NO2-+4H++O2NH4++2O2

→NO3-+2H++O22NO2-+O2{硝化菌}→NO3-第109页，共134页，2023年，2月20日，星期四堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥中的反硝化过程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页，共134页，2023年，2月20日，星期四第111页，共134页，2023年，2月20日，星期四第112页，共134页，2023年，2月20日，星期四硝化过程包括两个阶段第一阶段，在亚硝化细菌的作用下，氨被氧化成亚硝酸，这类菌的形态多样，包括有亚硝化单胞菌属（Nitrosomonos），亚硝化球菌属（Nitrosocoxous），亚硝化螺菌属（Nitrosospira），亚硝化叶菌属（NitrosoLobus）等等。第二阶段，在硝化细菌作用下，亚硝酸被氧化为硝酸，这类菌的形态也多样，包括有硝化杆菌属（Nitrobacteria），硝化球菌属（Nitrococcus），硝化囊菌属（Nitrocystis）等等。第113页，共134页，2023年，2月20日，星期四反硝化菌在有氧情况下，以氧为最终电子受体，没有反硝化作用。但在缺氧条件下，则以NO3-为最终电子受体，并能将NO3-还原为NO2-最终还原为N2和N2O挥发，使堆肥中的氮素大量损失。反硝化作用是造成堆肥化过程氮素损失的重要原因之一。在通气情况不好时，大量的硝酸盐被还原为游离的N2挥发，并且在还原过程中形成N2O会污染大气。堆肥过程中硝化作用、反硝化作用相互转化，互相依存，是一个复杂的微生物活动过程。因此，要控制堆肥化过程条件，防止反硝化作用的发生。

第114页，共134页，2023年，2月20日，星期四二、堆肥化过程中氮素转化规律堆肥过程通常分为两个阶段，第一阶段是升温和微生物增加阶段，通常持续几天到几周，在这个阶段铵态氮会快速积累并使pH值提高，这样在高温条件下导致铵态氮以氨的形式大量损失。第二阶段是保温后腐熟阶段，主要特点是腐殖酸的形成，由于铵态氮形成量减少，而硝态氮形成数量增加并且会以渗滤液的形式淋溶流失。第115页，共134页，2023年，2月20日，星期四Kizchmann（1985）报道，未覆盖粪堆通过渗液可使N素损失10%~14%。Christrensen（1983）报道，生活垃圾堆肥通过渗滤液损失总氮达7%~16%。不同堆肥化工艺、不同原料、不同过程和条件等都会影响堆肥化过程氮素的转化，但对于高温好氧堆肥化过程，氮素的转化呈现一定的规律性。

第116页，共134页，2023年，2月20日，星期四第117页，共134页，2023年，2月20日，星期四在堆肥化初期，与其他形态氮素相比，NH4+-N呈增加趋势。高温期，由于硝化细菌被抑制，此时期主要以NH4+-N为主，堆肥化后期急剧下降。硝态氮主要在堆肥后期出现，高温期不出现NO3--N。成品堆肥中氮素主要以有机态形式存在。第118页，共134页，2023年，2月20日，星期四三、影响堆肥化过程氮素损失的因素堆肥材料、堆肥环境条件、调理剂对NH3的吸附性能以及微生物的种类等，都会影响堆肥过程中氮素转化。畜禽粪便堆肥化过程氮素损失是一个普遍的问题。堆肥化过程中，影响NH3的形成和氮素损失的因素主要有：温度、pH、通风量、C/N、微生物活动以及添加剂等。第119页，共134页，2023年，2月20日，星期四温度在堆肥的高温时期，在这个阶段铵态氮会快速积累，从而使pH值提高，如有过量的有效氮就会以氨的形式释放出来。一般堆肥化都是高温堆肥，55℃~60℃微生物的生物量和种类最为丰富，降解速率最大，这个时期氮素损失率也大。不同环境条件下堆肥过程中NH3释放量也有不同，如在低温的冬季和高温的夏季堆肥时NH3的释放量有明显差别，夏季释放量大，而冬季堆肥NH3释放量小。第120页，共134页，2023年，2月20日，星期四pH值Nakasaki（1993）研究了控制pH值能极大的加快反应速率，可避免反应引起的臭味问题；微生物增长速率和蛋白质分解速率在pH值为7~8时最佳，而葡萄糖分解速率在pH为6~9时最佳。一般堆肥化原料的pH值在中性条件下堆制效果较好。当pH≥8时，在高氮混合物中，铵盐向氨气转化，以造成氮素的损失。当pH值在5~6之间时保氮效果好；在6~7之间次之；呈碱性时不利于保氮。

第121页，共134页，2023年，2月20日，星期四第122页，共134页，2023年，2月20日，星期四C/N比碳和氮的变化是影响堆肥化过程氮素转化的重要因素之一。堆肥物料碳氮比的变化在堆肥中有特殊意义，在微生物的新陈代谢和细胞物质的合成中需要大量的营养元素和微量元素，如碳、磷、钾、氮、锰、镁、铜和钙等。碳在微生物新陈代谢过程中约有2/3变成二氧化碳而被消耗掉，1/3用于细胞质的合成，所以一部分碳被称为微生物的能源，而氮主要用于细胞原生质的合成。第123页，共134页，2023年，2月20日，星期四堆肥过程中最佳C/N比为25~35。若C/N比超过40，可供消耗的碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长受到限制，有机物分解速度慢，堆肥化过程长。如初始C/N比高容易导致堆肥产品的C/N比过高，这种堆肥