有机废弃物好氧发酵过程中腐殖质的形成机制及影响因素

王璐瑶张璐璐

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.陕西地建土地工程质量检测有限责任公司，陕西 西安 710075；4.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；5.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

土壤中的有机质含量高达80%以上，腐殖质(HSs，Humic Substances)是土壤中有机质的主要成分，对土壤理化性质影响显著。根据国际腐殖质学会(IHSS，International Humic Substances Society)的定义，HSs是在自然界经过一系列物理作用和化学反应后，通过腐殖化作用从死亡的植物和微生物残体中衍生出来的。HSs已被广泛用作农业中的土壤修复剂、去除有机污染物和重金属的吸收剂、高储存能力的潜在电池材料以及弹性混凝土等多个领域。目前，有机废弃物的管理已成为全球性的环境挑战，特别是在发展中国家。畜禽粪便、污泥、餐厨垃圾及绿色废弃物均是重要的有机废弃物。中国畜禽粪便年产量约38亿t，随着集约化农牧业的快速发展，预计到2030年，全球畜禽粪便年产量将达到2.3亿t氮当量[1，2]。然而，如果粪便处理不当，会释放病原菌、重金属以及N、P等富营养元素到土壤、空气和地下水中，从而威胁人类健康和环境安全。

好氧发酵是依靠专性和兼性好氧细菌作用在高温条件下对有机废弃物中的有机物进行处理和利用，在好氧发酵过程中，原始有机物料可以被微生物转化为更稳定的物质，这些物质主要是腐殖质(HSs)。同时，易降解的化合物可被矿化为CO2、NH3和H2O。HSs是好氧堆肥的重要产物，也是评价好氧堆肥过程最重要的标准之一，是由胡敏酸(HAs，Humic Acids)、富里酸(FAs，Fulvic Acids)和胡敏素(HUs，Humins)组成的非均相复杂混合物。HAs易溶于碱性溶液，不溶于酸性溶液，FAs在任何pH下均可溶，而HUs在任何pH下均不溶。HSs的形成受多种理化参数的影响，包括原料种类、添加剂、微生物活性、温度、pH、碳氮比、含水率、氧含量、粒径等。因此，好氧发酵的首要目标是将有机质高效转化为HSs，研究腐殖质的形成机制，探明不同功能需求相对应的腐殖质功能群，有助于预测有机肥在农田中的施用效果。本文综述了近年来腐殖质的研究进展，包括腐殖质的形成机制、制备影响因素及功能，以期为有机废物处理技术及现代化农业发展提供理论指导。

1 腐殖质的形成机制

在好氧堆肥过程中，HSs前体物主要在升温阶段和高温阶段形成，而HSs主要在降温阶段和成熟阶段聚合。HSs前体的形成可分为分解和合成。大多有机物被微生物降解，利用多酚、羧基和氨基酸等低分子量化合物通过生化合成生成HS前体。前驱体随后形成HSs。现有关于腐殖质形成机制的研究有很多，主要可分为以下5种[3]。

1.1 木质素理论

Waksman于1936年提出，木质素的外形及结构在土壤中发生一定的变化后形成HSs。腐殖化过程的第一阶段是形成分子量较大的HAs(10000～100000Da)或HUs，再通过微生物作用分解为FAs(600～1500Da)，最终生成CO2及H2O。由于不同植物组分存在差异，木质素在最初的矿化作用中也可能分解成分子量较低的腐殖质，特别是FAs。根据Kulikowska的研究[4]，木质素的部分降解可以形成能作为HSs前体的酚基和醌基。

1.2 多酚理论

Kononova在1966年指出，植物源类有机物可通过微生物的分解作用形成酚类和氨基酸类小分子物质，然后通过化学氧化和聚合作用形成超分子HAs。已有研究表明，预测HAs的单体单元是描述其结构特征的一种好方法。

1.3 糖-氨缩合理论

该理论指出微生物代谢所产生的还原糖和氨基酸物质是合成腐殖质的前体，这2个物质通过非酶聚合作用合成棕色的含氮聚合物。

1.4 细胞自溶理论

该理论指出，游离基对动植物和微生物细胞死亡后自溶产物进行随机缩合或聚合，进而形成HSs。

1.5 微生物合成理论

微生物在细胞体内通过对有机物进行分解并形成各种相对大分子质量的HSs，并在生物体死亡或细胞解体的时候，将HSs释放到环境体系中。

2 影响腐殖质形成的因素

2.1 原材料

常见的好氧发酵原料有畜禽粪便、污泥、餐厨垃圾、绿色废弃物等。畜禽粪便和污泥具有含水率高、低碳氮比、孔隙率低等特点。绿色废弃物具有较低的含水率以及较高的碳氮比、孔隙率和结晶度。餐厨垃圾具有高盐、高脂肪、高碳水化合物和高水分的特点。由于原料的元素组成和性质不同，HAs具有不同的特性。Vasilevich等[5]揭示了植物残体组成的差异调控着HSs的结构和功能特性。此外，以植物为原料的有机肥中HSs高于以粪便为原料的有机肥。餐厨垃圾含水率高，绿化垃圾含氮量低，导致降解效率低，延长堆肥时间，影响腐殖化进程。

2.2 碳氮比和含水率

碳氮比是影响好氧发酵过程和最终产品质量的关键因素之一。高初始C/N比有利于有机物的氧化，促进堆肥熟化进程，而低初始C/N比有利于部分氧化有机物的积累，导致最终熟化不完全和氮损失。因此，适量添加剂可用于调节初始C/N比促进HSs的形成。一般来说，最佳初始C/N比为25～30。Wu等[2]研究表明，初始C/N比为25有利于形成优质低毒堆肥。除了控制初始C/N比外，在加热阶段，可在堆肥中添加氨基酸和还原糖来刺激细菌活性。在高温期和降温期，可向堆肥中添加NH4+-N和NO3--N来补充耗竭的氮源，从而促进堆肥的进行。

2.3 堆体含氧量和原料粒径

基质含氧量是影响好氧堆肥的重要因素之一，HSs的形成需要持续的供氧，可通过曝气和转动实现，这些方法也可以影响温度和蒸发。Manu等[6]研究发现，经过翻堆和曝气处理的堆体产生了比未经翻堆和曝气处理的堆体更高的HAs含量和HAs/FAs比值。Cayuela等[7]也发现，机械翻堆的产物中HAs/FAs比值高于强制通风堆肥，且机械转动可增强木质素的降解和腐殖化。此外，氧气含量也会影响微生物活性和堆肥品质，氧气含量过高会导致原料有机物过度分解，降低HSs含量。相反，氧气不足会导致堆体内部厌氧发酵，从而阻碍HSs的形成。原料粒度也可以显著影响透气性，进而影响氧含量。若原料粒度较大，其比表面积相对较低，不能为微生物生长提供足够的表面积，且颗粒内部可能包覆一层难以穿透的腐殖化的层，导致分解不充分。但若原料粒度过小则会形成致密的团块，降低孔隙率。

2.4 堆肥添加剂

大多数原料因其性质不适宜而无法单独堆肥成功。堆肥添加剂可以提高微生物活性，加速堆肥进程，调节堆肥性质，促进腐殖化。堆肥添加剂种类繁多，可分为膨松剂、调节剂和微生物菌剂。当原料粒径较小，或含水率较高时，添加膨松剂可以增加桩体的孔隙率。应用最广泛的膨松剂有秸秆、木屑、生物炭和废纸。Jindo等[8]发现，生物质炭的添加改善了堆肥的最终质量，尤其是对FAs。当添加纸盒作为膨松剂时，其所含木质纤维素可增强堆肥的持水性，有利于HSs的形成。

2.5 堆肥过程中的温度

堆体温度由环境温度、初始温度和微生物的分解速率决定。堆肥过程按温度可分为4个阶段：升温阶段，嗜热阶段，冷却阶段，成熟阶段。温度可以与优势微生物群落相互作用，影响有机物的降解速率。在嗜热阶段，微生物降解多糖、蛋白质和脂肪效率提升，温度也随之升高。而且，越早出现嗜热阶段，有机质越早被降解和稳定。嗜热阶段对木质素降解至关重要；在高温条件下，木质素的降解导致酚基和醌基的形成，其可以作为腐殖化的前体。

2.6 堆肥pH值

在堆肥过程中有机酸的降解和氨气的释放可导致堆肥pH值的升高，而堆肥pH的降低则是由于有机酸和CO2的释放以及微生物活动引起的NH3挥发，初始基质pH值为6～8最适合堆肥。Wang等[9]研究发现，初始pH为5～6的处理有助于蒸谷类垃圾堆肥的腐熟。堆肥pH值对HSs的粒径分布起着关键作用，当pH值在3.0～7.5范围内时，会导致超分子HSs的不稳定和小分子的富集。根据Liu等[10]研究发现，HAs在被乙酸酸化时转变为小的刚性颗粒。但HAs易溶于碱性溶液，不溶于酸性溶液，因此，若pH值进一步降低至2.0以下时，HAs将聚合形成大分子沉淀物。此外，由于HAs含有丰富的羧基、酚基和烯醇基等酸性官能团，可以根据环境pH而电离和质子化，因此其在较宽的pH范围内具有较大的缓冲能力。

2.7 微生物和酶

一般的酶系统参与主要高分子聚合物的转化，通常参与残余物质的生物降解。阿瓦斯蒂等指出，好氧发酵过程中HAs含量的增加和FAs含量的减少可归因于活跃的微生物酶活性，增强了有机物的分解。Lopez Gonzalez等[11]利用酶学分析发现，约1/3的微生物分离物同时具有淀粉水解和半纤维素水解活性；在与木质纤维素降解相关的活性方面，真菌而不是纤维素分解菌普遍存在。

3 腐植质的功能

好氧发酵的最终产物可作为有机肥和土壤改良剂。其中，HSs发挥着重要的作用，HSs含有不同的官能团，包括酚类、羧酸类、醌类、烯醇类和醚类。这些官能团的存在与其各种农艺效应有关，对于土壤而言，HSs可以用来形成团聚体，增加土壤孔隙度，增强养分保存和持水能力；对于农作物来说，HSs既可以作为营养物质又可以作为储水库。此外，HSs作为天然农药是有用的，因为其可以抑制各种土传植物病原体，并最大限度地减少化学产品的毒性。此外，HSs可以改变土壤的物理、化学和生物条件，从而提高土壤肥力。HSs由于具有酸性官能团，可与金属阳离子(Ca2+、Mg2+及Al3+是植物体内重要的营养元素)螯合，进而影响营养元素的溶解度。这些官能团也可快速与黏土颗粒表面的多价阳离子发生反应，形成腐殖质-金属-黏土复合物。牛粪堆肥具有较高的N、P含量以及Ca2+、Mg2+等交换性阳离子。Wong等[12]研究表明，向土壤中添加粪肥可以增加土壤中大量营养元素(N、P、Mg、Na、Ca、K)和微量营养元素(Cu、Zn和Mn)的含量，也可以增加改良土壤中植物组织营养元素(N、P、K)的含量。HSs还含有大量的营养元素，如N和S，可作为旱地作物的营养支持。液态腐殖质产品的推荐施用量较低，其有机质含量不足以增加土壤碳储量，但腐殖产物可能通过增加根系生长来改善土壤健康。

4 结语

有机废弃物通过好氧发酵处理并进行资源化利用是一种具有广阔应用前景且经济的方式，也是一种进行功能化合物HSs制备的环境友好方法。HSs作为好氧发酵中最重要的功能性物质，被认为是化肥的替代品，不仅可以改善土壤的物理和生物学性质，还可以降低化肥过量使用带来的环境富营养化风险。但是现有以堆肥为代表的好氧发酵由于处理效率低、产品质量可控性差等问题限制了它的推广应用。为了改善堆肥腐殖化过程和提高腐殖质品质，必须进一步探索好氧堆肥过程中腐殖质的形成机制，包括更具前景的添加剂的种类和组合的选择，关于HSs结构模型的预测以及好氧发酵设备的成本控制等。