堆肥科学与技术-第五章

1、第五章第五章 堆肥中物质的降解与转化堆肥中物质的降解与转化 第一节第一节 固体废弃物中复杂有机物组成及生物降解固体废弃物中复杂有机物组成及生物降解 l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。 一、纤维素的结构与微生物降解一、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-

2、50%，是地球上分布最 广、含量最丰富的碳水化合物。 l纤维素分子是由毗喃型葡萄糖分子通过-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800012000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。 纤维素构象式 纤维素结构示意图 Amorphous regionCrystalline region O OH OH HO O HO (H,OH) OH HO OH O Cellobiose (-1,4-glycosidic l

3、inkage) O OH OH HO O OH HO OH O cellulose （二）纤维素的微生物降解（二）纤维素的微生物降解 1. 降解纤维素的微生物 l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。 2 微生物的纤维素酶系统微生物的纤维素酶系统 l微生物的非复合型纤维素酶系统 l微生物的复合型纤维素酶系统 非复合型纤维素酶系统非复合型纤维素酶系统 纤维素酶（催化反应类型）纤维素酶（催化反应类型） l内切纤维素酶内切纤维素酶 l外切纤维素酶外切纤维素酶 l葡萄糖苷水解酶葡萄糖苷水解酶 l

4、氧化纤维素酶氧化纤维素酶 l纤维素磷解酶纤维素磷解酶 内切纤维素酶内切纤维素酶(EG，E.C. 3.2.1.4) Endo-cellulase，又叫内切葡聚糖酶，又叫内切葡聚糖酶 （endoglucanase）、葡聚糖内切酶，功）、葡聚糖内切酶，功 能为分解催化纤维素中段的键结，使单一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。的结构中暴露出来。 外切纤维素酶外切纤维素酶(CBH，E.C. 3.2.1.91) Exo-cellulase ，又叫外切葡聚糖酶，又叫外切葡聚糖酶 （exoglucanase）、葡聚

5、糖外切酶，纤维二）、葡聚糖外切酶，纤维二 糖水解酶（糖水解酶（cellobiohydrolases ），功能为），功能为 作用于葡聚糖内切酶产生的这些还原性和非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（纤维二糖和多聚个葡萄糖分子大小的寡醣（纤维二糖和多聚 寡糖）寡糖） 。 葡萄糖苷水解酶葡萄糖苷水解酶(BGL，E.C. 3.2.1.21) 纤维二糖酶（纤维二糖酶（cellobiase），又叫），又叫-葡萄糖苷葡萄糖苷 水解酶（水解酶（-glucosidase ），功能作用于由葡聚），功能作用于由

6、葡聚 糖内切酶和葡聚糖外切酶分解纤维素产生的纤维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。二糖和一些寡聚糖，将其水解生成葡萄糖。 exoglucanase endoglucanase -glucosidase NRR = glucose = cellobiose l氧化纤维素酶（氧化纤维素酶（oxidative cellulase）：）： 利用自由基对纤维素进行分解。利用自由基对纤维素进行分解。 l纤维素磷解酶（纤维素磷解酶（cellulose phosphorylase）：）： 功能其它酵素不同，是以磷酸根取代水分子来进行功能其它酵素不同，是以磷酸根取

7、代水分子来进行 纤维素的分解。纤维素的分解。 复合型纤维素酶系统复合型纤维素酶系统 纤维小体（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型纤维素酶系统。

8、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。统一般被发现在厌氧环境中。 纤维小体复合物之所以具有高催化效率的原因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，）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；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，）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

9、各成分之间的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；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）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。步加强对纤维素的水解作用。 3 微生物对纤维素物质的降解机制微生物对纤维素物质的降解机制 l纤维素酶系统对纤维素水解的作用机理纤维素酶系统对纤维素水解的作用机理 l纤维素酶系统中经典组分间的

10、协同作用纤维素酶系统中经典组分间的协同作用 l纤维素降解过程中纤维二糖脱氢酶的作用纤维素降解过程中纤维二糖脱氢酶的作用 l其它蛋白因子在纤维素降解过程的作用其它蛋白因子在纤维素降解过程的作用 二、半纤维素结构和微生物降解二、半纤维素结构和微生物降解 （一）半纤维素资源和化学结构（一）半纤维素资源和化学结构 l半纤维素半纤维素(hemicellulose)：指在：指在植物植物细胞壁中与纤维细胞壁中与纤维 素共生、可溶于素共生、可溶于碱碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解溶液，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的那部分植物多糖。因此，半纤维素是一类物质的名 称。各

11、种不同来源的半纤维素在成分上有所不同，木称。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。秆中含量仅次于纤维素。 l半纤维素较集中于初级和次级细胞中，与木质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。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另一方面它与淀粉一样可起到储存碳水化合物 的作用。的作用。 l纤维素纤维素结晶结构、坚韧、不易水解结晶结构、坚韧、不易水解 l半纤维素半纤维素-无定形随机结构、松

12、散、酸或碱液无定形随机结构、松散、酸或碱液 中水解中水解 l半纤维素是由两种或两种以上单糖基组成的不均一聚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糖（异质多糖）。构成半纤维素主链的单糖主要是D- 木糖、木糖、D-葡萄糖、葡萄糖、D-甘露糖；侧链糖基有甘露糖；侧链糖基有D-木糖、木糖、D- 葡萄糖、葡萄糖、D-半乳糖、半乳糖、L-阿拉伯糖、阿拉伯糖、D-半乳糖醛酸、半乳糖醛酸、D- 葡萄糖醛酸、葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、鼠李糖、L-岩藻糖以及各种带有甲氧岩藻糖以及各种带有甲氧 基和乙酰基的中性糖基。基和乙酰基的中性糖基。 半纤维素结构模式图半纤维

13、素结构模式图 半纤维素半纤维素 （二）半纤维素的微生物降解（二）半纤维素的微生物降解 l半纤维素酶是专一性降解半纤维素的一组酶类，属于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（聚糖水解酶（glycanhydrolases，EC3.2.1）。典型的）。典型的 半纤维素酶有半纤维素酶有 D-木聚糖苷酶木聚糖苷酶 L-阿拉伯聚糖酶阿拉伯聚糖酶 D-半乳聚糖酶半乳聚糖酶 D-甘露聚糖酶甘露聚糖酶 产生产生半纤维素酶的微生物半纤维素酶的微生物 l能分解半纤维素的微生物在自然界分布很广，种类也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、酵母很

14、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、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、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。色曲霉、绿色曲霉、绳状青霉、粗糙脉胞菌等。 半纤维素酶半纤维素酶 l内切型内切型-1,4-木聚糖酶（木聚糖酶（1,4-D-木聚糖木聚糖水解酶，木聚糖木聚糖水解酶， EC3.2.1.8）和外切型）和外切型-木糖苷酶（木糖苷酶（1

15、,4-D-木聚糖木木聚糖木 糖水解酶；糖水解酶；EC3.2.1.37），可以水解），可以水解-1,4-木聚糖的主木聚糖的主 链。链。 l内切型内切型-1,4-木聚糖酶从木聚糖酶从-1,4-木聚糖主链的内部切割木聚糖主链的内部切割 木糖苷键，使木聚糖降解为木寡糖，外切型木糖苷键，使木聚糖降解为木寡糖，外切型-木糖苷木糖苷 酶通过切割木寡糖的末端而释放木糖残基。酶通过切割木寡糖的末端而释放木糖残基。 l多数半纤维素酶受末端产物多数半纤维素酶受末端产物D-木糖木糖或或D-阿拉伯糖阿拉伯糖 的抑制。半纤维素酶受多种金属离子所抑制，其的抑制。半纤维素酶受多种金属离子所抑制，其 中中Hg是最强的抑制剂。是

16、最强的抑制剂。 l但也有报道枯草芽孢杆菌（但也有报道枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）和双）和双 孢菇（孢菇（Agaricus bisporus）产生的木聚糖酶受氯化）产生的木聚糖酶受氯化 钠和氯化钙所激活。钠和氯化钙所激活。 木聚糖酶的多样性木聚糖酶的多样性 l微生物能产生多种木聚糖酶，如从微生物能产生多种木聚糖酶，如从Aspergillus niger 11中已经分离纯化中已经分离纯化5种不同的木聚糖酶。种不同的木聚糖酶。 l已有证据表明，来自同一微生物个体的多种木聚已有证据表明，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。这些酶均糖酶中至少有一部分是不同

17、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（因是转译后修饰，糖基化（glycosylation）或蛋白）或蛋白 水解（水解（proteolysis）或二者兼有的转译后修饰作用）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。是木聚糖酶多样性产生的原因。 半纤维素的降解半纤维素的降解 l在自然界中半纤维素被微生物降解较快，在纤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，纤维素基己被分解，但从分

18、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，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。而半纤维素含量却相当高。 三、木质素的结构与微生物降解三、木质素的结构与微生物降解 （一）木质素资源与化学结构木质素资源与化学结构 l1838年，法国农学家年，法国农学家P. Payen从木材中分离纤从木材中分离纤 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仔细分离出这种化合物并命名为 “Lig

19、nin”，中文译为，中文译为“木质素木质素”。 l木质素是植物经光合作用产生的一种含量仅次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，木质素的含量约壁中。其中，在木本植物中，木质素的含量约 为为20-35%，在草本植物中含量约为，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据估算全球每年产生的木质素达61014吨，吨， 主要以造纸工业废水和农作物秸秆形式存在。主要以造纸工业废水和农作物秸秆形式存在。 l在植物体内，细胞壁主要由纤维素、半纤维素和在植物体内，细胞壁主要由纤

20、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，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。防止过多水分和有害菌类渗入细胞壁。 l木质素的结构复杂。一般认为木质素是由苯丙木质素的结构复杂。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烷单元通过醚键和碳键连接而成的聚酚类三维 网

21、状高分子芳香族化合物。网状高分子芳香族化合物。 l在植物体内，首先是由葡萄糖发生芳环化反应在植物体内，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、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紫丁香基结构和对羟苯基结构三种木素的基本 结构结构 。 l最后再由这三种基本结构聚合形成植物体内分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。最常见的有六种子量更大的一些基本成分。最常见的有六种 。 这些基本成分再通过任这些基本成分再通过任 意组合、共聚化后，形意组合、共聚化后，形 成了具有不均匀的、无成了具有不均匀的、无

22、 旋光性的、交差键和高旋光性的、交差键和高 度分散结构的聚合物度分散结构的聚合物 木质素木质素 （二）木质素的微生物降解（二）木质素的微生物降解 . 降解木质素的微生物降解木质素的微生物 l自然界中，木质素的完全降解是真菌、细菌、放线菌自然界中，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。导作用，放线菌降解能力次之，细菌降解能力最弱。 l真菌降解木质素微生物学研究真菌降解木质素微生物学研究 l细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 .木质素生物降解

23、机理研究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：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；）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；）加氧裂解多酚环，产生链烃； （3）水解使脂肪烃缩短。）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（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）和 锰过氧化物酶（锰过氧化物酶

24、（MnP）后，对木质素生物降解机理有了新的认识。）后，对木质素生物降解机理有了新的认识。 木质素生物降解机理研究木质素生物降解机理研究 ）真菌降解木质素机理）真菌降解木质素机理 白腐真菌降解木质素机理 非白腐真菌降解木质素机理 ）细菌降解木质素机理）细菌降解木质素机理 ）真菌降解木质素机理 白腐真菌降解木质素机理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

25、所有的细胞壁都被破坏的过程中几乎所有的细胞壁都被破坏 。 白腐真菌降解木质素发生在白腐真菌降解木质素发生在次级代谢阶段次级代谢阶段，即要在营，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。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，分为利用这些酶根据不同电子受体，分为利用O2的多酚氧化酶系的多酚氧化酶系 和利用和利用H2O2的过氧化物酶系。前者为漆酶（的过氧化

26、物酶系。前者为漆酶（Laccase），）， 后者为后者为LiP和和MnP。 木素在氧化木素酶系的作用下转变芳香环为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。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：因此真菌降解木质素过程中存在第三类酶系统： 纤维二糖纤维二糖/醌还原酶系。醌还原酶系。 ）真菌降解木质素机理 非白腐真菌降解木质素机理非白腐真菌降解木质素机理 最初土壤中常见的一些真菌（半知菌或子囊最初土壤中常见的一些真菌（半知

27、菌或子囊 菌）被认为不能降解木质素，但是近年来，陆续菌）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。有研究者报道这些菌具有木质素降解能力。 褐腐真菌在木材分解早期对纤维素产生弥散性的攻击，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。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软腐真菌

28、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，因此认为间，该菌脱甲基活性较强，因此认为脱甲基作用脱甲基作用是软腐是软腐 真菌降解木质素的主要反应之一。真菌降解木质素的主要反应之一。 ）细菌降解木质素机理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。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

29、程中的催目前，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。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 降解木质素发生在降解木质素发生在初级代谢阶段初级代谢阶段，木质素降解酶的合成时间，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。是在细菌生长的对数期和稳定期。 （三）木质素降解生理学研究（三）木质素降解生理学研究 .真菌降解木质素的生理学研究 .细菌降解木质素的生理学研究 碳源和氮

30、源的影响碳源和氮源的影响 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。降解木质素。 氧的影响氧的影响 大量研究表明纯培养中提高氧浓度水平可促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 纯氧可使黄孢中纯氧可使黄孢中LiP活力提高活力提高50%，但对，但对MnP的的 影响不大。影响不大。 诱导物的添加诱导物的添加 在纸浆木质素降解过程中加入纤维二糖可加在纸浆木质素降解过程中加入纤维二糖可

31、加 强木质素被木质素酶的降解。强木质素被木质素酶的降解。 微量元素的影响微量元素的影响 增加增加Mn2+的含量可使木质素降解率提高。的含量可使木质素降解率提高。 酶活随着酶活随着Zn2+和和Cu2+这两种微量元素的增加这两种微量元素的增加 而增强。而增强。Zn2+对对LiP产生的影响较大。产生的影响较大。 其他作用其他作用 除上述影响因素外，表面活性剂的使用、除上述影响因素外，表面活性剂的使用、 温度、菌丝的固定化、温度、菌丝的固定化、pH值以及摇瓶转速等也值以及摇瓶转速等也 是影响木质素降解酶产生的因素。如添加低浓度是影响木质素降解酶产生的因素。如添加低浓度 的的Tw80可解除振荡培养对酶合

32、成的抑制。黄孢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原毛平革菌的菌丝最适生长温度为37，改为，改为 30发酵培养可较大地提高发酵培养可较大地提高LiP活性。活性。 第二节腐殖质第二节腐殖质 l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 下生成下生成CO2，另一方面，剩下部分有机残渣。随着堆肥进程的发，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

33、的有机分子结构，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。壤的腐殖质物质。 一、腐殖质的基本理论研究一、腐殖质的基本理论研究 lBaffle定义为：定义为：“腐殖质是死亡的有机体腐化后在土壤、水和沉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）积物中形成的一类有机化合物。腐殖质是芳香族

34、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。有高分子量及高稳定性。 l Aiken等将腐殖质成分化分为等将腐殖质成分化分为3部分，部分，胡敏素胡敏素（任何（任何pH条件下都不条件下都不 溶于水）；溶于水）；胡敏酸胡敏酸（酸性（酸性pH条件下溶于水）；条件下溶于水

35、）；富里酸富里酸（任何（任何pH条条 件下都溶于水）件下都溶于水） （一）腐殖质的来源与形成（一）腐殖质的来源与形成 l目前有关腐殖质的形成有以下几种学说推测：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。和微生物合成学说。 二、腐殖质的性质二、腐殖质的性质 （一）腐殖物质（一）腐殖物质 l腐殖物质的颜色一般呈黑色，但会因其组分相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、芳对分子质

36、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。亲水胶体，有强大的吸水能力。 l腐殖物质主要由腐殖物质主要由C，H，O，N，P，S等元素组等元素组 成，并有少量的成，并有少量的Ca，Mg，Fe，Si等灰分元素。等灰分元素。 腐殖物质的含氧功能团，如羧基、酚羟基、醇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

37、质表现羟基、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出离子交换性、配合性、氧化还原性以及生理 活性等。活性等。 l用不同方法测得的腐殖物质的相对分子质量相用不同方法测得的腐殖物质的相对分子质量相 差极大，一般为差极大，一般为400200 000，有的可高达几百，有的可高达几百 万。万。 （二）腐殖质的分组及其性质（二）腐殖质的分组及其性质 l根据在酸和碱溶液中溶解度，可把腐殖质分为三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：种主要组成： l胡敏酸胡敏酸HA ； l富里酸富里酸FA ； l胡敏素。胡敏素。 胡敏酸胡敏酸HA （Humic acid

38、，褐腐酸），褐腐酸） l胡敏酸是黑色腐殖酸，溶于水，其水溶液呈弱酸性胡敏酸是黑色腐殖酸，溶于水，其水溶液呈弱酸性 。 l敏酸由碳、氢、氧、氮四种元素组成。对我国各种土壤胡敏酸由碳、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、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、芳香族的羰基、芳香族的C-H链、酰胺、醇、芳香族醚及脂肪等。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。土壤胡敏酸不具晶体结构，但其大分子有紧密的网络结构。 l胡敏酸能吸收大量水分，有分散和凝聚特性，其溶液胡敏酸能吸收大量水分，

39、有分散和凝聚特性，其溶液pH值值 较富里酸小。较富里酸小。 富里酸富里酸FA （Fulvic acid，黄腐酸），黄腐酸） l对稀碱液提取物酸化后，仍溶于液相的组分，即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，并具有腐蚀矿物很大，无色，水溶液呈强酸性，并具有腐蚀矿物 的能力的能力 。 l富里酸的元素组成，分子结构大致与胡敏酸相似，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

40、子量也较胡敏酸低，在土壤剖但碳原子较少。分子量也较胡敏酸低，在土壤剖 面中具有更高的迁移能力。面中具有更高的迁移能力。 胡敏素胡敏素Hu （Humin） l不能被稀碱和稀酸从土壤样品中提取的腐殖质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。组分，即既不溶于酸又不溶于碱的组分。 l最难溶解的胡敏素组分则大多是与土壤矿物紧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，只密结合的。胡敏素在成分上与胡敏酸近似，只 是含氮量更少。是含氮量更少。 l三者的稳定性为胡敏素高于胡敏酸，胡敏酸又三者的稳定性为胡敏素高于胡敏酸，胡敏酸又 高于富里

41、酸。高于富里酸。 （三）腐殖质的分离与提纯（三）腐殖质的分离与提纯 l腐殖质的分离 l腐殖质的提纯 三、堆肥中影响腐殖物质形成的因素三、堆肥中影响腐殖物质形成的因素 科诺诺娃的观点：科诺诺娃的观点：“胡敏酸和富里酸是腐殖质的统一体，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 分解为分

42、解为CO2，进而富里酸转化为胡敏酸。，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，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。富里酸。 说明腐殖质转化过程是动态的，既有分解，也有合成。说明腐殖质转化过程是动态的，既有分解，也有合成。 四、腐殖物质的作用四、腐殖物质的作用 l在土壤碳库和环境中的作用 l对土壤肥力和植物生长的作用 l腐殖质对生物可利用率的影响 l其它作用 在土壤碳库和环境中的作用在土壤碳库和环境中的作用 腐殖物质是陆地和海洋中最

43、主要的有机碳库。腐殖物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。用。 腐殖物质中活性功能团对农药有很高的吸附活性。现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，土壤对农药吸附的已发现，土壤对农药吸附的74%取决于取决于HA和和FA，FA的的 作用更为突出。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，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

44、属离子形成不溶性配合物，限制动植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。物对它的吸收。 对土壤肥力和植物生长的作用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：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，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，它能溶解土壤某些阴离子养分的固定；同时

45、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。构决定其具有较强的酸碱缓冲能力。 第二，腐殖物质在土壤中以胶膜形式包被在矿质土粒第二，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

46、供土壤更好的好氧空间。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。的缓冲性。 腐殖物质还在一定浓度范围内对植物生长有腐殖物质还在一定浓度范围内对植物生长有 促进作用。促进作用。 FA相对分子质量较小易被生物吸收，功能团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，从而反应性含量高、生理活性大和配合能力强，从而反应性 高。高。FA处理对于提高发芽率、出苗率，增加茎处理对于提高发

47、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、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。抗旱和提高产量方面都具有较好的效果。 第三节第三节 堆肥化过程中氮素的损失及控制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。 一、堆肥化过程中

48、氮素转化机理一、堆肥化过程中氮素转化机理 l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。 l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。 堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥化过程中的主要氮素转化反应 l含氮有机物的氧化 CsHtNuOvaH2O + bO2CwHxNyOzcH2O（堆肥）+ dH2O（水）+ eH2O（气）+ fO2 + gNH3 + 能量 堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥化过

49、程中的主要氮素转化反应 l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 堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥化过程中的主要氮素转化反应 l细胞质的氧化 C5H7NO2 （细胞质）+ 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 +能量 堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥化过程中的主要氮素转化反应 l堆肥中的硝化过程 NH4+ + 2O2 亚硝化菌 NO2- + 4H+ + O2 NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + O2

50、 2NO2- + O2 硝化菌 NO3- 堆肥化过程中的主要氮素转化反应堆肥化过程中的主要氮素转化反应 l堆肥中的反硝化过程 HNO3 + 2H+ 反硝化菌 HNO2 + H2O HNO3+8H+ 反硝化菌 NH3 + 3H2O 2NO3+5H2 反硝化菌 N2 + 2OH- + 4H2O 硝化过程包括两个阶段硝化过程包括两个阶段 l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（Nitr oso Lobus）等等。 l

51、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（Nitr obacteria），硝化球菌属（Nitrococcus），硝化囊菌 属（Nitrocystis）等等。 l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。 l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。 l堆肥过程中硝化作用、反硝化作用相互转化，互相 依存

52、，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。 二、堆肥化过程中氮素转化规律二、堆肥化过程中氮素转化规律 l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。 l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。 lKizchmann（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

53、损失总氮达7%16%。 l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。 l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。 三、影响堆肥化过程氮素损失的因素三、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。 温度温度 l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，5560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。 l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。 pH值值