東北地理所在好氧堆肥中重金屬的鈍化機(jī)制與調(diào)控研究中取得進(jìn)展
農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。目前，好氧堆肥是最常用的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化技術(shù)。規(guī)模化養(yǎng)殖中重金屬添加劑的大量使用，已成為限制堆肥產(chǎn)品資源化利用的瓶頸。堆肥過程中微生物快速分解有機(jī)質(zhì)，堆肥物料發(fā)生劇烈的物理、化學(xué)和生物變化。重金屬的形態(tài)將發(fā)生怎樣的變化？探明堆肥過程中重金屬形態(tài)變化及關(guān)鍵影響機(jī)制，形成有效降低重金屬生物可利用性及潛在風(fēng)險(xiǎn)的堆肥技術(shù)體系，成為促進(jìn)畜禽廢棄物循環(huán)利用的關(guān)鍵所在。
中科院東北地理所水環(huán)境污染與防治學(xué)科組以畜禽糞便好氧堆肥過程中重金屬為研究對象，系統(tǒng)的分析堆肥過程中重金屬的形態(tài)變化關(guān)鍵影響機(jī)制。研究結(jié)果表明，不同堆肥工藝條件下（不同碳氮比和不同物料配比），有機(jī)質(zhì)是影響重金屬形態(tài)再分配的關(guān)鍵影響因子；為強(qiáng)化重金屬的鈍化效果，篩選了物理化學(xué)型鈍化劑（生物炭和沸石）和營養(yǎng)型鈍化劑（硼泥和磷礦粉），均可提高重金屬的鈍化效率（2%-40%），其中鈍化效果對于不同的金屬作用不一：Cu>Cd>Pb>Zn>Cr。生物炭改變高溫期微生物群落，直接或者間接地影響重金屬的生物可利用性（圖1.A）；磷礦粉通過增加可溶性磷濃度，進(jìn)而改變堆肥高溫期菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)堆肥的腐殖化過程而改變重金屬的生物可利用性（圖1.B）；不同粒徑的外源添加劑可通過增加吸附比表面積和改善堆體孔隙結(jié)構(gòu)，影響堆肥重金屬的鈍化效果；大顆粒的添加劑通過改善堆體孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)腐殖質(zhì)的生成而強(qiáng)化了重金屬的鈍化效率，這也表明堆肥中外源添加劑的作用主要依靠有機(jī)質(zhì)對重金屬的結(jié)合固定而非表面吸附沉淀的作用（圖2）。
圖1 外源添加劑對堆肥微生物群落結(jié)構(gòu)影響（A:生物炭添加；B:磷礦粉添加）
圖2 堆肥過程中重金屬生物有效性的主控因子
該系列研究從堆肥進(jìn)程中微生物群落結(jié)構(gòu)演替、物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化、重金屬吸附共沉淀固定等角度，識別了不同外源添加劑對重金屬的形態(tài)變化的關(guān)鍵影響因子，為深度揭示堆肥進(jìn)程中重金屬鈍化機(jī)制提供理論依據(jù)，并為堆肥及土壤修復(fù)中重金屬的調(diào)控指明了方向。
以上研究由東北地理所崔虎博士生、王莉霞研究員、歐洋副研究員、閻百興研究員等共同完成。研究結(jié)果先后發(fā)表在國際環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域主流學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials, Journal of Environment Management, Waste Management, Journal of Integrative Agriculture, Bioresource Technology上。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0500205）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究（XDA23070502）項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
1.Cui H., Ou Y., Wang L.X.*, Yan B.X., Li Y.X., Bao M.W. Critical passivation mechanisms on heavy metals during aerobic composting with different grain-size zeolite. Journal of Hazardous Materials. 2020, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat. 2020.124313
2.Wang L.X, Liu H.T., Prasher S.O., Ou Y., Yan B.X, Zhong R.Z. Effect of inorganic additives (rock phosphate, PR and boron waste, BW) on the passivation of Cu, Zn during pig manure composting. Journal of Environmental Management, 2021, 285,112101, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112101
3.Cui H., Ou Y., Wang L.X.*, Yan B.X., Li Y.X., Ding D.W. The passivation effect of heavy metals during biochar-amended composting: Emphasize on bacterial communities. Waste Management, 2020, 118:360-368
4.Cui H., Ou Y., Wang L.X.*, Yan B.X., Li Y.X., Ding D.W. Phosphate rock reduce the bioavailability of heavy metals by influencing the bacterial communities during aerobic composting. Journal of Integrative Agriculture, 2021, 20(5): 2–11
5.Wang L.X., Li Y.X., Prasher S. O., Yan B.X., Ou Y., Cui H., Cui Y. Organic matter, a critical factor to immobilize phosphorus, copper, and zinc during composting under various initial C/N ratios. Bioresource Technology, 2019, 289, 121745.
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