除臭菌株對NH3和H2S釋放及物質轉化的影響
引言
黑龍江是畜牧業大省，隨著奶牛業迅速發展，牛糞已成為農村的主要污染，若處理不當,將對大氣、水源和土壤造成嚴重污染,影響畜牧業的健康可持續發展[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,對有機物分解、轉化使之達到減量化、腐殖化和無害化,是畜禽糞便資源化利用的有效途徑，同時畜禽糞便含有豐富的N、P、K 等營養元素,是農業生產中良好的有機肥源[3，4]。
畜禽糞便在高溫堆肥過程中會產生大量有害氣體，其中NH3 和H2S 是最主要的惡臭物質，這些氣體不但污染環境，還對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生和排放，使其轉化成可利用的物質，是畜禽糞便無害化處理亟待解決的問題。
堆肥時加入選育的除臭菌株，研究對NH3 和H2S 有害氣體釋放量的影響，揭示氮和硫轉化，為畜禽糞便無害化處理及資源化利用提供理論依據及菌種資源。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
新鮮牛糞、稻草取自香坊農場，所用菌株均為本實驗室篩選。
1.2 試驗方法
新鮮牛糞和稻草混合均勻后接入5%菌液，含水量調至65%左右，堆成2m×1.5 m×1.2m的堆體。每一個菌株設二個處理，處理Ⅰ：堆體瓶內放置裝有硼酸溶液的燒杯,用以吸收NH3;處理Ⅱ：堆體瓶內放置裝有鋅銨絡鹽溶液的燒杯，用以吸收H2S，以不接種菌劑為對照，每個處理重復3 次。
1.3 測定項目及方法
NH3 采用酸堿滴定法[5]；H2S 采用鋅銨絡鹽吸收比色法[6]；水分含量采用重量法[7]；pH 值用pH 計測定[7]；全氮采用硫酸-過氧化氫消煮和凱氏定氮法測定[7]；有機氮采用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 間接絡合滴定法[9]；總硫采用灼燒法測定[10]。
1.4 數據分析
采用 EXCEL2003 和SPSS17.0 進行數據處理和統計分析。
2 結果與分析
2.1 不同菌株對臭味氣體釋放量的影響
2.1.1 不同菌株對 NH3 釋放量的影響
堆肥初期隨著溫度上升，大量有機物質分解，轉化成NH4+-N，進一步轉化為NH3，所有處理NH3 釋放量迅速增加，并在第7d 達到最高，隨著溫度逐漸下降及微生物礦化作用減弱，有機態氮降解為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控NH3 釋放的關鍵時期。
NH3 釋放量變化見圖1，不同菌株在堆肥過程一直有NH3 釋放，對照NH3 釋放量一直較菌株處理高，釋放高峰期均出現在高溫階段。堆肥結束時對照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，較對照分別降低了68.59%、61.00%和54.01%。
2.1.2 不同菌株對 H2S 釋放量的影響
隨著堆肥時間延長及溫度上升，易分解有機物質快速分解產生大量的含硫化合物，H2S釋放量逐漸上升，第7d 時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 時已基本無H2S 釋放，而對照一直有H2S 釋放，并且各時期均較單菌株高，堆肥結束時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%，表明有很強的除臭能力。
2.2 溫度對氣體釋放量的影響
相關分析表明，溫度與NH3 和H2S 釋放量之間呈極顯著的正相關（r2=0.928），即溫度越高，氣體釋放量越多，反之，則越少。因此應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，減少NH3 和H2S 的釋放，有效地保留氮素和硫素，提高堆肥產品品質。
不同菌株處理與對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發揮作用，有效地控制氣體釋放，抑制臭味產生。
2.3 不同菌株對物質轉化影響
2.3.1 不同菌株對含氮物質轉化影響
（1）NH4+-N 與NO3-N 變化堆肥結束時 NH4+-N 含量均比堆肥前略有提高，pH 值上升，說明有機氮礦化為NH4+-N 的速率大于NH4+-N 向其它形態轉化的速率。堆肥結束時對照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含量較對照低是由于NH4+-N 進一步轉化為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 在堿性條件下揮發。
初期反硝化作用較強，部分NO3-N 通過反硝化作用轉化成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 含量比對照略有提高但變化幅度相對較小，原因是降溫期時間較短硝化細菌數量較少、硝化作用較弱。
（2）全氮與有機氮變化隨著溫度升高,有機氮在微生物的作用下礦化為NH4+-N，一部分被轉化為NO3-N和NH3，NH3 揮發導致全氮降低；一部分被微生物利用合成細胞中的有機氮。
由可知，不同處理全氮、有機氮含量較堆肥前均有下降。堆肥結束時菌株B1、A1與A2較對照全氮增加了19.81%、18.80%和18.20%，有機氮增加了28.99%、27.42%和25.45%；對照全氮和有機氮較堆肥前減少了5.73 g/kg 和5.01 g/kg。可見，除臭菌株可以促NH4+-N 向有機氮和NO3-N 轉化, 有效控制NH3 揮發，減少氮素大量損失，防止惡臭擴散。
2.3.2 不同菌株對含硫物質轉化影響
目前，國內對高溫堆肥中H2S 物質轉化研究未見報道。堆肥時釋放的H2S 被自養微生物作為營養物質和能源吸收、利用,在生物體內經生化反應最終轉化為硫酸鹽以及單質硫[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，原因是有機硫化物氧化過程中釋放的H2S 被硫化細菌氧化為硫酸鹽。堆肥結束時菌株A1、B1 和B3 全硫含量較對照增加了29.05%、22.64%和17.91%，硫酸鹽含量增加了40.77%、36.49%和30.18%；對照全硫較堆肥前減少了2.64g/kg。含硫惡臭氣體作為營養物質被微生物轉化為硫酸鹽，保留硫素同時達到了去除惡臭的目的。
2.4 養分損失與形態轉化
2.4.1 氮素損失與形態轉化的關系
堆肥過程中氮素形態間的轉化主要包括兩個方面：氮素的固定和釋放。通常在堆肥過程中,氮素有一定的損失，這主要是由于有機氮的礦化和持續性NH3 的揮發以及NO3-N 的可能反硝化作用所導致[12]。
畜禽糞便中含有的氮類物質，主要為NH4+-N、NO3-N 和有機氮。隨著微生物快速生長和繁殖，有機氮礦化為NH4+-N，部分NH4+-N 進一步轉化為NO3-N 和有機氮，未被轉化的NH4+-N 在堿性條件下以NH3 的形式揮發，pH 較高時，不僅造成堆肥的氮素損失，也是惡臭產生的主要因素。
相關性分析見，NH3 釋放量與H2S 釋放量、pH 呈極顯著正相關，與全氮、有機氮和硫酸鹽變化趨勢則相反；pH 與NH4+-N 呈極顯著正相關，與全氮、有機氮、NO3-N 和硫酸鹽的變化趨勢則相反。表明有機氮礦化為NH4+-N 含量越高，pH 值越高，NH3 釋放越多；NH4+-N 轉化為NO3-N、有機氮含量越多，全氮含量也越高，NH3 揮發則越少，表明選育的菌株能夠有效調控氮素轉化，達到控制臭味和提高氮素的目的。有機硫化物主要以含硫氨基酸和硫胺素、生物素等形態存在，而一般蛋白質的氨化過程伴隨有脫硫過程[13]，因此微生物在降解蛋白質等化合物產生NH3 的同時也會生成H2S，表明NH3 與H2S 揮發是正相關的，與一些學者研究結果一致。因此降低物料pH 值、促進NH4+-N 向其它形態氮轉化是控制NH3 揮發的有效途徑。
2.4.2 硫素損失與形態轉化
堆肥過程中硫素形態間轉化是一個復雜的過程，硫素主要以元素硫、硫化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽和有機硫等形式存在。在堆肥過程中,隨著溫度升高，含硫有機化合物在異養微生物作用下分解生成含硫氣體，是堆肥中硫素損失和臭味產生的主要原因。
相關性分析見表2-1，H2S 釋放量與pH 呈顯著正相關，與全硫、全氮和硫酸鹽變化趨勢則相反。表明含硫有機化合物被異養微生物分解生成H2S 部分揮發到空氣中，部分被異養微生物轉化為硫酸鹽，轉化的越多，全硫減少的越少，H2S 釋放越少；NH3 與H2S 揮發是顯著正相關，而NH3 揮發越多全氮含量越少，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控硫素轉化,減少含硫有機化合物分解和H2S 揮發，控制臭味產生保留更多的硫素。
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，而與H2S 釋放量呈顯著正相關，表明選育的菌株能在較寬的pH 范圍控制NH3 釋放。
3 結論
（1）牛糞堆肥加入選育的菌株均有較強的除臭效果，菌株B1 與A1 除臭效果最好，對NH3 與H2S 去除率分別能達到60%與80%以上，有效地控制NH3 與H2S 揮發。
（2）近幾年來有關堆肥中氮素損失及氮素轉化已有文獻報道,但目前有關硫素轉化的研究未見報道，本文對硫素轉化進行了初探。
（3）測定堆肥前后原料養分含量變化，研究了NH3 與H2S 物質轉化。菌株B1、A1 可以促使氮類物質向有機氮和NO3--N 轉化,同時可以降低H2S 釋放，促使其向硫酸鹽類轉化，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，不同菌株處理與對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 揮發呈顯著正相關，pH 對NH3 釋放的影響比對H2S 釋放的影響顯著。
（6）相關性分析表明，有機氮被微生物礦化為NH4+-N 含量越高，pH 值越高，NH3 釋放越多，而NH4+-N 被微生物轉化為NO3-N、有機氮含量越多，NH3 揮發越少；有機硫化物被微生物大量分解生成的H2S 越少，而H2S 轉化為硫酸鹽的含量越多，硫素損失的越少。
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