表1(Table 1)
2. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049;
3. 江苏省农业科学院循环农业研究中心, 江苏 南京 210014;
4. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081
2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Circular Agricultural Research Center, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;
4. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
好氧发酵(aerobic composting)是有机物料中的有机物向更稳定的腐殖质(humic substance, HS)转化的过程, 产物是有机肥料和土壤改良剂[1]。好氧发酵的有机物料主要为畜禽粪便、城市污泥和餐厨垃圾, 在中国年产量分别约为40亿[2]、4 300万(以质量含水率80%计)[3]和6 000万t[4]。上述3种主要的有机类废物量约占有机废物总量的70%, 如能将其富含的有机质和植物养分转化为有机肥, 使资源循环利用率提高的潜力将十分巨大。在中国, 由于化肥的推广和粮食增产的需求, 有机肥施用比例从1949年的99.9%下降到2007年的23%[5], 但是化肥的过量施用和营养元素施用比例不科学导致的土壤板结、环境污染问题日趋严重。有机肥养分相对齐全, 肥效稳且长, 有利于改善土壤结构和地力, 因此利用有机废物开发有机肥有很大的应用前景[6]。
腐殖质是动植物残体经细菌、放线菌、真菌和原生动物等分解而形成的高分子有机物, 由含氮化合物和芳香族有机化合物缩合而成, 颜色一般为暗褐色, 呈酸性[7]41。根据HS的功能不同, 可将其划分为富里酸(fulvic acid, FA)、胡敏酸(humic acid, HA)和胡敏素(humins, HU)3类。HS的存在形式分为结合态和游离态, 大多以结合态存在[7]43。HS广泛存在于土壤和有机类废物中, 其占土壤中有机质总量的60%[8]6-11。HS是好氧发酵过程中最重要的产物, 也是评价好氧发酵效果的重要标准[9]。HS的农学效应十分显著:对于土壤, HS可以改善土壤结构, 增强土壤的营养保持能力和持水能力; 对于植物, HS可以作为其营养库和水库, 提供必需的N、S、P等营养元素和水分。HS对于改善土壤理化性质、促进植物生长具有重要意义[10]。
因此, HS是好氧发酵的核心产物, 是各项有益功能的最终来源, 在好氧发酵过程中最重要的一步就是将有机质转化为HS。但影响HS形成的因素复杂, 对HS官能团和与之相对应的具体农学效应尚不十分明确, 研究腐殖化规律和HS农学效应具有重要意义。笔者总结了国内外在HS结构特征、好氧发酵过程中HS形成机理及变化规律、影响好氧发酵的重要物理化学因素和HS的农学效应等方面的最新研究进展。
1 腐殖质结构特征关于HS结构的研究, 由于原料、微生物、环境参数和转化时间的复杂性, 难以找到统一的HS结构。普遍的观点是HS由两亲性(亲脂性和亲水性)化合物通过氢键、库仑力、范德华力、CH—π键和π—π键连接而成[11-12]。最初形成的HS由于不同程度的聚合作用, 其分子量范围为500~1×106 Da[13]。但从定性角度来看, HS呈现出相似类型的官能团和结构排列规律[14]。HA作为超分子, 平均分子量范围为1×104~1×105 Da, FA平均分子量范围为600~1 500 Da[15]。目前, 可以通过元素分析、傅里叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)和核磁共振碳谱(13C-NMR)等检测技术刻画出HA单体二维结构模型, 从而推测HA内部排列方式[16-18]。
根据结构模型, 可得HA分子量比FA大, 芳香化程度高而解离程度小; FA分子量小, 含有更多的羟基和羧基[19]。HA和FA外部都有大量酚羟基、醇羟基和羧基等亲水基团, 内部则含大量苯环结构, 所以具有内部疏水、外部亲水的性质[20]。FISCHER[21]指出, 在HS超分子层面上, 极性强的亚结构掩蔽极性弱的亚结构, 通过不断形成弱极性层来形成超分子, 使之具有极性表面和非极性内核。但二维结构模型提供的的拓扑信息有限, 难以还原HS内部的立体骨架结构。在元素分析、核磁共振、质谱法和红外光谱等技术方法探测出的HS元素组成、分子碎片结构以及分子间作用力的基础上, 利用计算机实现从二维到三维的空间转化, 可以更好地理解真实的化学环境和分子间的化学反应[15]。
2 好氧发酵过程中腐殖质形成机理和变化规律 2.1 腐殖质形成机理有机质在微生物作用下, 将简单有机化合物转化为更复杂、更稳定的HS的过程称为腐殖化过程。腐殖化过程与矿化过程对立而统一, 矿化过程的中间产物是形成HS的重要前体之一[22]。好氧发酵是一个有机质降解、腐殖质增加且逐渐趋于稳定化的过程, 发酵后碳素腐殖化特征明显[23]。在好氧发酵过程中, 大分子有机质被分解为小分子有机化合物, 例如羧酸、多酚、多糖、氨基酸和还原糖, 这些小分子物质可以在微生物作用下形成HS[9]。好氧发酵过程主要分为2个阶段:在第1阶段, 在微生物作用下, 结构较为简单的有机质(约占10%[24]), 例如蛋白质、有机酸和可溶糖等率先被分解, 同时释放CO2、H2O、NH4+和热量[1]; 在第2阶段, 剩下的较难分解的有机质(约占90%[25]), 例如纤维素、半纤维素和木质素[23], 被分解并聚合为腐殖质类物质。
关于HS的形成途径有8种学说:木质素学说、木质素多酚学说、微生物合成学说、微生物多酚学说、细胞自溶学说、糖-酰胺缩合学说、煤化学说和厌氧发酵学说[26-27]。不同学说有不同的侧重点, 比如强调植物的作用(木质素学说)、微生物作用(微生物合成学说、微生物多酚学说、厌氧发酵学说)及微生物和植物共同作用(木质素多酚学说、细胞自溶学说、糖-酰胺缩合学说、煤化学说)[27-28]。总的来说, 关于HS来源的学说分为2类:一是以木质素为原料和骨架, 和蛋白质一起构成HS; 二是死亡的细胞成分在微生物作用下, 将包括多酚和氨基酸在内的单体聚合成HS[8]191-205。KELLEHER等[29]指出, HS包含蛋白质、碳水化合物、聚脂肪烃和木质素。
2.2 腐殖质变化规律腐熟是一个芳烃含量和聚合程度增加, 脂肪族基团、碳水化合物、肽含量减少, HS大量生成的过程[30]。JOURAIPHY等[31]通过傅里叶红外光谱分析, 发现HS在好氧发酵后芳香结构增多, 其来源于发酵原料和微生物合成。
在好氧发酵过程中, HS结构发生明显变化。在好氧发酵中期, HS释放大量脂质化合物，但随后脂质化合物被分解, HS最终由富含氮的烷基结构、肽类和其他难氧化的化合物组合而成[32]。HARDIE等[33]指出, 羧基作为HS生成过程中的中间产物, 在增加脂质化合物数量和HS不饱和度中起重要作用。WU等[9]研究表明, 羧基大多来自芳香结构化合物。AMIR等[32]通过元素分析得出, 在好氧发酵过程中HA的H含量减少, 氢碳比(H/C)和碳氮比(C/N)下降, N和S含量上升; C和O含量在发酵中期上升, 在末期恢复至初始含量水平。
发酵前后大分子和小分子HS所占比例有明显变化。张雪英等[34]研究表明, 污泥在腐熟后小分子量HS(＜1 000 Da)含量下降64%, 大分子量HS(＞25 000 Da)含量提高58%。好氧发酵生成的HS分为HA和FA 2大类, 其中HA是重组分, FA是轻组分。研究表明, 部分FA是生成HA的原料[35]。ZHOU等[36]发现, 腐熟度不高的物料中FA含量高于HA含量, 而腐熟物料中HA含量占优势。因此, 腐殖化程度可以用HA和FA比值(H/F, 称为胡富比)表示, H/F越高, 腐殖化程度越高[26]。在好氧发酵过程中, H/F呈增加趋势[37]。
电导率(electrical conductivity, EC)可以表征有机废物发酵产品中可溶性盐含量[38]。在发酵初期, 有机质矿化作用产生大量无机盐离子(主要是Mg2+和Ca2+[39]), 导致EC值上升; 由于在发酵过程中NH3的挥发、无机盐的沉淀和浸出以及小分子有机酸和盐类缩合成大分子HS, 导致EC值下降[40-41]。可以说, EC值与HS的形成关系紧密, 在一定程度上, 可以侧面说明腐殖化的进程。EC值波动越大, 腐殖化程度越高, 即前期上升速度快, 后期下降幅度大, 表明微生物代谢旺盛, 有机废物降解剧烈[42-43]。
3 有机废物好氧发酵腐殖质形成的影响因素HS的形成受多种因素的综合影响, 发酵堆体中复杂的物理化学环境影响着微生物群落的活力和更替, 而微生物是腐殖化过程的执行者, 从而决定了HS的合成进程。这些物化条件包括好氧发酵的物料和辅料类型、温度、水分、C/N、氧含量、pH值、孔隙度[9, 44]。这些因素互相影响, 决定了微生物活性, 因此可以通过调节这些参数来促进HS的生成, 提高好氧发酵产品质量。
3.1 物料和辅料类型发酵原料一般来自畜禽粪便、城市污泥、餐厨垃圾和秸秆垃圾, 不同原料的木质纤维素含量、初始pH、孔隙度、含水率不同, C、N、H、O元素比例差异大, 微生物种类也不尽相同, 导致HS的合成速率和元素组成有很大差异[45]。植物源HS的C/N一般比污泥或土壤HS要高。畜禽粪便和城市污泥水分高, 质地细, 孔隙度低[46]; 秸秆垃圾和园林垃圾水分低, 孔隙度高, 木质化程度高, 主要由木质素、纤维素和半纤维素构成[26]; 餐厨垃圾水分高, 盐分高, 油脂高, 有机质含量高[4]。一般来说, 不加辅料的物料不适宜直接进行好氧发酵。KUMAR等[47]指出, 餐厨垃圾中的高水分和园林垃圾中的低含氮量会延长发酵时间, 降低好氧发酵效率。
根据辅料用途可将辅料分为接种剂、调理剂、特定目的调节剂和起爆剂[46]。接种剂指向堆体中接种的细菌或真菌, 可促进腐殖化进程。JURADO等[44]在堆体上接种细菌和真菌, 发现半纤维素、纤维素和木质素降解率比未接种堆体分别高28%、21%和25%, 接种剂可以增加HS的聚合度和数量, 从而加快腐殖化进程, 使最终发酵产品更加稳定。AWASTHI等[48]研究表明, 接种真菌处理HS芳香化程度比未接种处理更高。
调理剂可以调节含水率、C/N和孔隙度, 提高发酵效率, 维持正常的腐殖化过程[46]。锯末、生物炭、中药残渣、废弃纸屑和酒糟等含有大量木质素, 是调理剂的理想材料。中药残渣经过煎煮, 其中的木质素含量比锯末更高, 所以更利于HS的形成[35]。生物炭的加入可使HS含碳量增加, 并使其化学结构更稳定[49]。废弃纸屑含有大量木质素, 作为调理剂可以促进HS生成, 并使发酵产品具备良好的持水能力[39]。
除了传统材料外, 越来越多的材料被发现有改善腐殖化进程的潜力, 被应用于调理剂的开发。ZHANG等[42]在园林废弃物中添加鱼塘底泥和磷矿粉, 可以加速腐殖化进程, 使发酵时间从90~270 d缩短至22 d。GUO等[10]发现, 在牛粪+甘蔗渣堆体中加入一种烟气脱硫石膏作为调节剂可以使HS中链烃减少, 提高HS中芳香化合物和含氮化合物含量, 有助于HS的生成。
3.2 温度在好氧发酵过程中, 复杂的生化反应使堆体产生自热效应[50]。温度反映了有机质降解的速率, 发酵过程中温度升高越快, 表明有机质降解越剧烈[48]。随着时间的推移, 堆体分别经历升温期(15~45 ℃)、高温期(＞50 ℃)和降温期, 与之对应的主导菌群分别是嗜温菌群、嗜热菌群和嗜温菌群[51]。与畜禽粪便、餐厨垃圾相比, 由于秸秆垃圾和园林垃圾含有大量纤维素, 微生物难以降解, 所以更早进入降温期[45]。发酵温度过低或过高都会推迟腐熟时间[46]。在发酵过程中产生的高温可以杀死病原菌, 但温度超过70 ℃会使微生物进入休眠状态, 导致腐殖化进程延缓甚至终止, 使堆温降低[52]。好氧发酵是一个放热过程, 堆温取决于环境温度、堆体初始温度和微生物活性[53], 发酵温度又牵制着微生物活性, 从而影响腐殖化进程。尽管温度是发酵进程的表象形式, 但适合的外部环境温度条件会显著提高发酵效率。
3.3 水分水分是发酵过程中微生物的基础条件。含水率可以影响好氧发酵过程的耗氧速率、气体流通空间、微生物活性和温度, 最佳含水率为50%~60%[54]。含水率过低(＜30%)会影响微生物正常生理活动, 含水率过高(＞65%)则会降低堆体孔隙率, 阻碍氧气进入堆体内部, 影响好氧微生物活性, 导致厌氧发酵[55]。HUET等[56]研究表明, 含水率可以影响污泥堆体初始密度、透气性指数、自由空域和导热率。
人工调控含水率的途径以添加辅料、通风为主, 以匀翻为辅。好氧发酵过程中, 堆体产水途径主要有微生物产水和外界输水, 脱水途径主要有水分蒸发和渗滤液析出[57-58]。产水速率可以反映有机质降解难易程度和微生物活性, 产水率越高, 说明易降解有机质降解量越高, 微生物活动越旺盛[59]。含水率是影响好氧发酵的重要因子之一, 堆体在不同阶段的产水量和脱水量不断变化, 与HS的形成密切相关。在好氧发酵过程中, 可以通过全程监控实时控制含水率使堆体达到最佳水分平衡状态, 提高HS生成效率。
3.4 C/N在发酵原料中, C和N是最重要的2种元素。C为微生物提供能源, 而N建造微生物细胞结构[60]。C/N对有机质分解速率影响较大, 它牵制着有机质的降解程度, 影响HS的形成。当C/N过高时, 氮源不足会影响微生物活动; 当C/N过低时, 堆体倾向于积累“部分氧化”的有机质, 而不是进一步腐熟生成HS, 因此不利于堆体的稳定[61-62]。合适的C/N质量比(25：1~30：1)有利于有机质的降解和腐殖化, 可以通过添加调理剂至最佳初始C/N。SILVA等[62]通过比较不同C/N的堆体对HS生成的影响, 发现C/N为24.1：1的堆体有机物芳香化程度和聚合程度最高, 生成的HA含量也最高。董存明等[63]研究表明, 当C/N为25：1时, 堆体环境有利于微生物活动, 堆体达到最高温度且高温持续时间最长。
3.5 pH微生物群落的活性决定了HS的形成, 而微生物的生理活动受pH的影响, pH值为7.5~8.5最适合微生物的降解活动[43]。一般情况下堆体pH前期升高, 后期下降[45]。前期pH上升源于蛋白质的分解释放出NH3及有机酸的降解, 后期pH下降可能归因于微生物降解有机物, 导致乳酸、乙酸和丁酸等酸类的形成及硝化作用[54]。
HS的结构稳定性也与pH密切相关。PÉDROT等[64]研究表明, 在弱碱性环境下(pH=7.5), HS以超大分子结合的形式存在, 随着pH的降低(3.0＜pH＜7.5), 部分大分子HS分解成小分子HS, 并且移动性增强, 表明HS的聚合程度与pH呈正相关。但是HA具有溶于碱而不溶于酸的性质, 当pH继续降低(pH＜2.0)时, HA会发生聚合, 形成大分子沉淀。
3.6 氧含量和孔隙度氧气直接决定了好氧微生物的活性, 从而影响HS生成量。一般认为堆体氧浓度为50~150 mL·L-1比较适宜发酵进程, 过低会导致厌氧环境[55], 过高会使微生物活动过于旺盛, 有机质分解过快, 导致HS生成量减少[26]。
好氧发酵需要持续的氧气供给, 一般通过持续通风和翻堆实现, 可以使微生物和氧气充分接触, 加速物质转化成HS, 从而缩短好氧发酵时间[54]。MANU等[19]发现通风并翻堆的堆体产生的HA含量明显比不通风且不翻堆的堆体高, 并且前者的H/F高于后者, 表明通风和翻堆有利于提高腐殖化程度。
孔隙度决定了堆体的通风效率、密度和保水性[39]。孔隙过小会影响氧气在堆体中的扩散, 抑制氧供给; 孔隙过大虽有利于通风供氧, 但会使颗粒比表面积减小, 导致总降解面积变小, 延缓降解速度[65]。合适的粒径在好氧发酵完成时使得腐熟指标更好, 对腐熟度贡献更多[66]。
3.7 好氧发酵工艺好氧发酵工艺主要有条垛式系统、强制通风静态垛系统和反应器好氧发酵3种, 主要通过控制供氧量调控发酵进度。条垛式多采用自然通风、机械翻堆方式, 腐熟周期长; 强制通风静态垛采用强制曝气方式, 周期较条垛式短。反应器好氧发酵多采用强制通风方式, 腐熟快[67]。部分发酵工艺及其腐殖化情况见表 1[19, 36, 43, 48-49, 55, 68-69]。
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表 1 部分好氧发酵工艺及其腐殖化情况 Table 1 Some aerobic fermentation processes and its humification degree |
腐殖化系数(E4/E6, 即样品在465和665 nm处吸光度的比值)可以表示HS中芳香组分的缩合程度, 其值越小, 有机质聚合程度越大[68]; 腐殖化比率为HA和FA含量的比值(H/F, 即胡富比), 其值越高, 腐殖化程度越高[43]。由表 1可知, 条垛式高温期较长, 反应器好氧发酵腐熟时间比条垛式更短, 反应器+条垛式的二次发酵技术可以明显缩短腐熟时间, 使堆体更早地进入高温期, 其腐殖化程度良好。总的来说, 翻堆处理的条垛式可以最终达到和反应器好氧发酵同样的腐殖化程度, 但腐熟效率低, 周期更长。反应器+条垛式加上调理剂的辅助, 可以在短时间内达到理想的腐殖化效果[43, 68]。
4 腐殖质的农学效应HS是有机高分子聚合物, 主要官能团有羟基、醌基、羧基、酚羟基和甲氧基等, 酚类结构和羧酸类结构最多, 这些官能团可以影响土壤保水能力、pH和营养物动态, 并影响植物的生理过程[20]。分析HS特征性官能团, 明确HS官能团与包括保肥性、保水性和抗病性在内的效应, 将有机废物HS与农业生产直接关联起来, 可改进有机废物类有机肥的施用效果[35]。
4.1 促生长性能HA可以促进植物吸收营养, 增加生物量。TAHIR等[70]发现土壤中HA(60 mg·kg-1)可以使小麦干重提高18%, 并指出HA可以增加细胞膜的渗透率, 从而促进植物吸收和积累营养。MAJI等[71]研究表明, 与施用普通蚯蚓粪相比, 施用HA含量高的蚯蚓粪可以使豌豆根部生物量提高21.39%。
HS有助于植物改善土壤状况, 改良植物生长环境。CANELLAS等[12]认为, 植物主要通过改变pH值来改变矿物的风化速率, 改变pH值的途径是通过H+-ATP酶向根际土壤释放H+, 而HS可以刺激植物增强H+-ATP酶的表达, 从而改良植物的生长环境。ZANDONADI等[72]研究表明, HA也可以通过刺激植物增强H+-ATP酶的表达来促进植物根毛生长。
HS的酚羟基和羧基具有促生长性能, 酚羟基和醌基可以增强植物根部的呼吸作用[20]。HS中的酚羟基和醌基构成一个氧化还原系统, 醌基可以接受电子并产生活性氧(reactive oxygen species, ROS), 转化为半醌结构, 再接受电子进一步生成稳定的对苯二酚(图 1)[20]。通过酚羟基和醌基的互相转化来促进作物的呼吸作用[26]。HS在增加植物生物量、改善土壤状况和增强植物呼吸作用方面均有增强效果, 促生长性能特征显著。
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图 1 苯醌、半醌和对苯二酚的氧化还原转化 Figure 1 Quinone, semiquinone and hydroquinone structures and their redox reactions |
植物生长吸收的养分(例如Ca2+、Mg2+和K+)大多呈阳离子形式, 在土壤偏碱性情况下, HS中的羧基和羟基中质子的解离使HS产生负电荷, 可以吸附阳离子, 从而使土壤具有保肥性[73-74]。
土壤阳离子交换能力可以用阳离子交换量(cation exchange capacity, CEC)表示, 土壤CEC＞20 cmol·kg-1被认为保肥力较强[7]83, 而HA和FA的CEC高达200~400 cmol·kg-1[75], 所以HS含量高的土壤保肥性好。詹其厚等[73]研究发现, 施用有机物料(分别为秸秆、秸秆堆肥和牛粪)的土壤比对照可吸附更多的NH4+, 这是因为HS增加了土壤保蓄氮素的能力。ZHANG等[68]指出CEC可用以衡量堆体羧基官能团的数量, 并研究发现蘑菇渣含有大量羧基, 与带负电的生物炭一起加至园林垃圾中可明显提高CEC, 从而增加发酵产品的保肥能力。
4.3 保水性HS在土壤中属于亲水胶体, 可以胶结土壤中的黏粒, 增加土壤孔隙; 水分子可以填充在微孔隙中, 形成氢键, 从而构成稳定的网络。研究结果表明, 含有大量HS的秸秆腐熟物吸水率为500%~600%, 能有效改良砂质土的持水能力[76]。
HS的孔隙度在其持水能力中起着重要作用。在微观层面上, KUČERÍK等[77]通过对HA和FA量进行热扫描分析, 发现在HS结构中, 疏水部分通过非特异性弱相互作用形成“疏水支架”, 这种多孔系统被更灵活、膨胀的亲水基团填充; HA的内部结构比FA更复杂, 高孔隙度HA使水分子更容易与之接触。CIHLÁŘ等[78]通过甲醛交联过程来增加HA孔隙度, 使之持水能力提高3倍。因此, HS的孔隙度可以作为表征持水能力的一个重要指标。
官能团及元素组成可以影响HS中水含量[79]。例如, HS中亲水基团含量越高, 其持水能力就越强[74]。HS的亲水性可以用碳氧比(C/O)判断。CIHLÁŘ等[78]指出, C/O越低, 表示含氧官能团越多, 因此亲水性越高。碳含量也可以影响HS的含水量和水稳性。覃国乐等[80]发现HS中水含量与HS中有机碳含量呈显著正相关; 刘威等[81]也表明HS中碳含量与水稳性团聚体(粒径＞0.25 mm)含量均呈极显著正相关。
4.4 抗病性发酵腐熟的有机废物可以增强植物的抗病性, 除了堆体自带的菌群可以与土壤中病菌形成营养竞争、捕食和抗生关系外, 另一个重要因素是HS可起到杀菌作用, 比如酚基[82]。LOFFREDO等[83]通过实验证明, HA可以抑制终极腐霉菌(Pythium ultimum)和尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporumf sp. callistephi)的生长。EL-GHAMRY等[84]研究表明, HA的施用显著减轻锈病和赤斑病对蚕豆的危害程度。
HS的浓度、化学结构、元素组成和官能团决定了其对植物的抗病效果，HS浓度越高, 抗病性越强[85]。LOFFREDO等[85]研究表明, HA对2种尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)的抑制性与C、H含量呈正比, 与总酸度、羧基含量和O含量呈反比, 因此推断HA中疏水部分比亲水部分更能抑制菌丝生长。不同于抑制效应和羧基含量之间的关系, SIDDIQUI等[86]发现HA的抑制作用和羧基含量呈正相关, 指出羧基、羟基和醌基的C＝O结构可以抑制笄霉菌(Choanephora cucurbitarum)菌丝的生长, 并强调羧基有较强的杀菌能力。虽然上述结果相互有所冲突, 但都强调了羧基含量在抗病性方面的重要作用。CAO等[2]指出, 不同来源的HS对病原体的抑制能力差异可能是HS化学结构不同所致。HS中苯酚、羧酸和苯醌结构与抗病性关联度较高[20]。醌基产生的活性氧有助于伤口愈合, 并且具有灭杀细菌和真菌的功能; 酚类可以清除自由基, 从而具有抗氧化功能。羧基和酚类在中性和碱性环境中发生去质子化反应, 具有抗氧化和抗炎性能[87]。HS中以酚类、羧基和醌基结构官能团等为代表, 在植物抗病中起到重要作用。
5 展望 5.1 探明好氧发酵腐殖质形成路径HS的形成机制复杂且影响因素众多, 目前研究主要集中在控制原料和辅料的搭配、发酵工艺、水分和温度等变量对腐熟程度的影响, 一般通过HS(HA、FA)含量、官能团(羧基、酚基)含量以及E4/E6、H/F等指标获得HS的信息。这些指标各有侧重, 但大多数研究只采用1~2种来描述HS的芳香化程度或结构信息。在好氧发酵过程中, 有机质如何逐步分解、聚合成为腐殖质的具体过程尚不清楚, HS结构的变化和分子间的化学反应有待探明。可以在好氧发酵不同时期探测多种特征性指标来获取HS的综合信息, 探究如何更清晰地刻画有机废物好氧发酵过程HS形成的典型路径, 对于调控HS的形成具有重要的参考价值。
5.2 利用同步辐射显微CT(SR-μCT)技术探测腐殖质形态信息HS团聚体的形成是一个复杂过程, 但是HS团聚体内部三维结构和孔隙分布尚不明确。对于HS官能团和骨架构型的研究多采用FT-IR、1H-NMR和13C-NMR方法, 但这些方法已无法满足对空间结构高分辨率分析的要求; 采用高亮度、高光子通量和高准直性的SR-μCT技术可从微观尺度无损、原位研究HS内部微观结构, 对于探索HS的细节特征和固体废物的快速降解机理十分必要。未来可以通过SR-μCT技术, 获得好氧发酵过程中HS团聚体的立体孔隙结构和分布, 包括孔隙的形状、空间分布和连通性等三维形貌特征, 获得孔隙数量和面积等形态学信息, 将好氧发酵过程HS结构研究推向新的高度。
5.3 利用软X射线谱学技术探测腐殖质化学信息软X射线谱学显微光束线具有高分辨能力和高化学态分辨能力, 可以进行元素识别和化学态分析。相较于其他元素识别技术, 软X射线谱学技术具有更快、更灵敏的优势[88]。因此, 软X射线谱学技术对于探索HS的化学元素组成和官能团信息十分有益:可以得到有机质在腐殖化过程中元素组成和芳香化程度变化等相关信息, 推测HS的变化过程; 明确HS特征性官能团对应和表征的保肥性、保水性和抗病性等农学效应, 为有机废物好氧发酵处理的资源化效果增加新的内涵。
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