不同預處理玉米秸稈對豬糞厭氧發酵重金屬鎘鈍化效果

李 軼，宮興隆，郭敬陽，曲壯壯，張 鎮，易維明

（1. 沈陽農業大學工程學院，沈陽 110866；2. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255049）

0 引 言

隨著規?；B殖業的快速發展，畜禽糞便的產量也逐年增加。2017 年全國畜禽糞便產量為35 億t，經預測2020 年全國畜禽糞便排放量將達到48 億t[1]。大量排放未經處理的畜禽糞便為環境帶來了極其嚴重的危害。而且在畜禽養殖的過程中，由于飼料中重金屬添加劑的使用，導致畜禽糞便中重金屬元素含量較高[2-3]。施用于土壤后會引起土壤和農作物重金屬污染，最終通過食物鏈危及人體健康[4-5]。鎘（Cd）作為人體非必需的重金屬元素，它對身體的危害是嚴重的，微量的Cd 通過食物鏈進入體內，即可通過生物放大和積累，對人的腎臟、免疫、神經、心血管和骨骼等系統造成損傷，嚴重時會產生致癌效應[6-7]。。另外，中國是農業比較發達的國家，每年大約有4.5 億t 玉米秸稈產生[8]。大量的玉米秸稈隨意丟棄和焚燒，既造成資源浪費，也污染環境。

沼氣厭氧發酵是中國政府大力倡導的處理畜禽糞污的方式，豬糞在畜禽糞污中占比較大。目前全國戶用沼氣池總數達到4 193.3 萬戶，以畜禽糞污為主要原料的沼氣工程110 517 處，因此沼肥產量巨大[9]。為保證施用沼肥的安全性，開展畜禽糞污沼氣發酵過程沼肥中重金屬形態、結構及增加重金屬穩定機制的研究極為迫切。在沼氣發酵處理畜禽糞便的過程中，添加秸稈能在一定程度上減少重金屬的危害。白帆等[10]研究表明在豬糞厭氧發酵過程中添加玉米秸稈能減少Cu 和Zn 在沼渣中的可交換態含量和生物有效性百分含量；張輝等[11]的研究也表明，添加玉米秸稈有助于提高豬糞中重金屬有效態的鈍化效果。在豬糞厭氧發酵中添加玉米秸稈不僅可以改善玉米秸稈由于廢棄、焚燒引起的環境污染，還可以滿足沼氣發酵對合理C/N 的要求。然而，由于秸稈中木質素、纖維素和半纖維素等大分子物質不易被微生物降解，添加玉米秸稈作為厭氧發酵的原料存在著發酵時間長、降解率低、易結殼影響發酵進行等問題[12]。因此有必要對玉米秸稈進行預處理，而且研究成果也表明，經過NaOH、H2SO4等預處理后，可以有效促進玉米秸稈中木質素、纖維素的分解，提高物料中腐殖質的生成，對重金屬的鈍化有較好的效果[13]。

目前，關于添加預處理玉米秸稈在畜禽糞便厭氧處理對重金屬的影響及對厭氧發酵前后有機物的結構變化的影響研究報道的較少。傅立葉紅外光譜法（FTIR）由于具有測量所需樣品量小，靈敏度高，測量速度快等特點，可以用于檢測分析畜禽糞便中有機質的官能團及結構變化特征[14]。因此本文通過BCR 連續提取法探究不同預處理玉米秸稈對豬糞厭氧發酵過程中重金屬Cd 的形態變化及鈍化效果的影響，同時采用FTIR 技術，研究不同預處理玉米秸稈對豬糞厭氧發酵后物料中有機物的結構變化的影響，以期揭示重金屬鈍化與有機物腐殖化程度的關系，為豬糞減害化處理、資源化利用提供新的途徑和方法，為減少畜牧養殖重金屬污染提供科學依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮豬糞取自于遼寧省沈陽東陵郊區養豬場，接種物取自于沈陽農業大學實驗基地正常運行的戶用沼氣池，豬糞和接種物取回后放置于實驗室馴化。玉米秸稈取自于沈陽農業大學實驗田，自然風干，粉碎備用。表1為豬糞和秸稈的主要化學成分表。

表1 豬糞和秸稈主要成分表 Table 1 Main ingredient list of pig manure and corn stalk

1.2 不同預處理條件下玉米秸稈的制備

酸處理秸稈：2%的稀H2SO4以固液比1∶10（g·mL-1）在室溫條件下浸泡72 h。堿處理秸稈：2%的NaOH 以固液比1∶10（質量（g）體積（mL）比）在室溫條件下浸泡72 h?？瞻讟悠诽幚斫斩挘喝ルx子水浸泡72 h。處理完畢后，用去離子水反復沖洗秸稈至濾液為中性，60 ℃烘干樣品，密封保存。

1.3 試驗方案

本試驗以新鮮豬糞為發酵原料，采用厭氧發酵方法，一次進料，發酵周期為90d。試驗設置3 個處理組，每個處理重復4 次，試驗結果取平均值。4 個試驗處理分別為，T1：單獨以豬糞為發酵原料（CK）；T2：以豬糞為發酵原料，添加經過物理粉碎方法處理的玉米秸稈；T3：以豬糞為發酵原料，添加稀H2SO4處理的玉米秸稈； T4：以豬糞為發酵原料，添加NaOH 處理的玉米秸稈。根據文獻，厭氧發酵的條件為溫度35 ℃，接種物量30%，TS為10%，pH 值為7.0 發酵效果較好[15]。豬糞發酵時添加不同處理的玉米秸稈，添加量按玉米秸稈與豬糞C/N 為25∶1（秸稈與豬糞干物質質量比為1∶2）進行配比，這樣的C/N 比滿足厭氧發酵過程中微生物對營養物質的最佳需求[16]。

1.4 主要測定項目與方法

沼渣的采?。簠捬醢l酵后經過濾取出沼渣，用去離子水洗滌2～3 次，離心后的沉淀物在40 ℃條件下烘干，研磨并通過100 目尼龍篩。

重金屬形態形態提取及含量測定：采用1987 年歐共體標準司提出的BCR 連續提取法，將重金屬形態按生物可利用性的大小順序分為可交換態、可還原態、可氧化態和殘渣態[17]；再采用電感耦合等離子光譜法（ICP）測定干燥基沼渣中重金屬各形態含量。

FTIR 分析：將發酵后的沼渣按照1∶400 與光譜純的干KBr 混合，用研缽精細研磨并壓成薄片，用FTIR 光譜儀在4 000～1 000 cm-1區間進行掃描，記錄其光譜。根據測定結果計算以下指標[18-19]

1.5 數據分析

采用Office Excel 2013 對試驗數據進行整理，采用SPSS24.0 軟件對數據進行單因素方差分析和多重比較，采用Omnic 軟件繪制紅外光譜圖。

2 結果與分析

2.1 添加玉米秸稈對豬糞厭氧發酵沼渣中重金屬形態的影響

豬糞厭氧發酵前后各處理沼渣中重金屬Cd各形態變化如表2 所示。

由表2 可知，豬糞厭氧發酵前重金屬Cd 以可還原態（42.78%）為主，可交換態（30.77%）次之。豬糞單獨厭氧發酵（T1）結束后，可交換態、可還原態Cd 降低，可氧化態、殘渣態Cd 增加。說明豬糞厭氧發酵處理能有效降低重金屬Cd 的有效性和流動性，降低重金屬的污染風險。與豬糞單獨發酵處理（T1）相比，添加不同預處理玉米秸稈厭氧發酵過程中，可交換態、可還原態Cd 含量占比均有所下降，可氧化態、殘渣態Cd 含量占比均有所上升。說明在豬糞厭氧發酵過程中添加玉米秸稈有助于重金屬Cd 從有效態轉化為穩定態。

重金屬對環境及生態系統形成污染危害主要取決于重金屬的化學形態[20]。不同形態重金屬的可移動性和生物可利用性不同，生物毒性也不同[21]。其中有效態重金屬Cd 包含的可交換態和可還原態對環境變化較為敏感，在土壤—植物系統中遷移較為活躍，這兩種形態對環境和生物危害最大。可氧化態和殘渣態的性質較為穩定，不易被植物吸收，對環境影響較小，屬于穩定形態[22]。因此降低重金屬可利用態對于重金屬污染治理具有重要意義。

2.2 添加玉米秸稈對豬糞厭氧發酵沼渣中重金屬有效態鈍化效果的影響

不同處理對重金屬的鈍化效果不同，圖1 是添加玉米秸稈對豬糞厭氧發酵有效態重金屬Cd 鈍化效果的影響。

圖1 各處理沼渣中重金屬Cd 有效態鈍化效果 Fig.1 Passivation effect of effective state of heavy metal Cd in biogas residue of each treatment

如圖1 所示，對照組處理對有效態Cd 鈍化效果為21.22%，說明豬糞單獨厭氧發酵可以降低有效態Cd 的生物有效性。豬糞添加不同預處理玉米秸稈厭氧發酵結束后重金屬Cd 有效態鈍化效果有所提高，有效態鈍化效果由高到低依次為：添加NaOH 處理秸稈（32.38%）>添加稀H2SO4處理秸稈（32.00%）>添加不經過處理的秸稈（29.60%）>對照組（21.22%）。通過對重金屬Cd 的有效態鈍化效果進行方差分析顯示，添加玉米秸稈對豬糞厭氧發酵重金屬 Cd 有效態鈍化效果有極顯著的影響（P<0.01）。通過多重比較分析結果表明，添加稀H2SO4處理玉米秸稈和NaOH 處理玉米秸稈的鈍化效果顯著高于添加不經過處理的玉米秸稈組（P<0.05）；添加NaOH處理玉米秸稈和稀H2SO4處理玉米秸稈的鈍化效果無顯著差異（P>0.05）。

2.3 添加玉米秸稈對豬糞厭氧發酵沼渣紅外光譜的影響

本試驗使用傅里葉紅外光譜法（FTIR），通過特定波段吸收峰位置來確定厭氧發酵前后物料中官能團變化信息，反映發酵過程中有機物和腐殖質的變化情況[23]。厭氧發酵前后沼渣的紅外光譜的變化情況如圖2 所示。根據相關報告，3 408～3 450 cm-1波段表示-OH 伸縮振動，來源于有機物中碳水化合物、蛋白質、水分、酰胺化合物的羥基吸收；2 850～2 922 cm-1波段代表碳水化合物或脂肪族化合物中甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）的不對稱和對稱拉伸；1 600～1 653 cm-1的吸收帶可能是由于苯環、烯烴上的-C=C-振動或羧酸、酰胺上的-C=O-的拉伸振動造成的；1 420～1 430 cm-1的條帶對應于羧酸鹽、木質素的-OH、-CH2的彎曲振動、-COO-的對稱振動；1 240～1 264 cm-1表示芳醚、酚類、酯類等物質C-O-C、C-O 伸縮振動峰：1 105～1 160 cm-1是脂肪族化合物、碳水化合物、氨基酸鹽的C-O-C、C-O、C-N 伸縮振動峰；1 037～1 053 cm-1是碳水化合物C-O 伸縮、-OH 彎曲振動峰[24-26]。

圖2 豬糞添加玉米秸稈厭氧發酵前后紅外光譜圖 Fig.2 Infrared spectrum before and after anaerobic fermentation of pig manure and pig manure adding maize stover

由圖2 可知，豬糞厭氧發酵前后不同處理物料具有類似的結構組成和官能團，僅在相對強度上存在一些差異。這可能是因為雖然添加了不同預處理方式的玉米秸稈，但其主要發酵原料仍是豬糞，這一結果與欒潤宇等的研究結果一致[27]。其中，強度變化較為明顯的峰值分別是3 408～3 422、2 850～2 922、1 642～1 653、1 240～1 264 和1 105～1 160 cm-1。

在3 408～3 414 cm-1，即碳水化合物、酰胺化合物、蛋白質的-OH 伸縮振動峰處，厭氧發酵后各處理在該處吸收峰的相對強度均有所降低。這表明豬糞中的碳水化合物、蛋白質和酰胺化合物逐漸分解，導致羥基基團不斷減少，物料的化學成分發生了明顯變化。在2 850～2 922 cm-1，即脂肪族化合物和碳水化合物亞甲基中C-H伸縮振動峰處相對強度也有所降低。表明物料中碳水化合物和脂肪族化合物等大分子有機物在微生物的作用下發生水解，導致其含量減小。在1 105～1 160 cm-1，即氨基酸鹽的C-O-C、C-O、C-N 伸縮振動峰處，各處理在該處的吸收峰有一定的增強。表明蛋白質類物質在微生物的作用下水解為氨基酸，這一特征與厭氧發酵過程中將復雜有機物水解產生可溶性物質的過程一致[28]。在1 642～1 653 cm-1處，即羧酸類的C=O 伸縮、-COO-伸縮以及芳香族和烯烴的C=C 伸縮、N-H 伸縮振動峰，和1 240～1 264cm-1，即芳醚、酚類、酯類等物質C-O-C、C-O 伸縮振動峰處，厭氧發酵后各處理組在該處吸收峰的相對強度均有所提高。表明厭氧發酵過程中隨著纖維素、木質素等有機物料的降解，木質素的降解產物如酚類、酯類等含量提高，且木質素殘體與其他分解生成的有機中間產物聚合生成腐殖質，導致芳香環類、烯烴類等腐殖質含量增加。綜上所述，在豬糞發酵過程中，含有-OH、-CH3和-CH2基團的物質相對減少，含有C-O-C、C-O、C=O、-COO-和芳香環基團的物質含量增加。說明豬糞厭氧發酵可以促進大分子有機物的分解和腐殖質的形成。

另外，在1 647 cm-1（芳香族化合物）處的特征峰強度與2 974 cm-1（脂肪族化合物）、1 406 cm-1（羧酸）、3 435 cm-1（碳水化合物）的比值可以表示物料中有機物的結構變化，評價豬糞厭氧發酵有機物腐殖化的程度[29]。比值越高表明有機物中碳水化合物、脂肪族化合物、羧酸類物質含量減少，芳香族化合物含量增加，物料中有機物腐殖化程度越高。厭氧發酵前后各處理的特征參數如表3 所示，a 是芳香族化合物/脂肪族化合物，b 表示芳香族化合物/羧酸鹽，c 是芳香族化合物/碳水化合物。

表3 各處理沼渣中FTIR 特征參數比值 Table 3 The ratio of FTIR specific parameters in biogas residues of each treatment

由表3 可知，豬糞厭氧發酵前物料中a 值為0.827，對照組中a 值為0.829，添加玉米秸稈處理組中a 值為0.853～0.932；發酵前物料中b 值為1.137，發酵后各處理組中b 值從大到小依次為添加NaOH 處理玉米秸稈（1.160）、添加稀H2SO4處理玉米秸稈（1.159）、添加玉米秸稈（1.159）、對照組（1.156）；發酵前物料中c值為0.596，發酵后除豬糞添加不經過處理玉米秸稈組的c 值略有降低外，添加不同預處理玉米秸稈中的c 值均增加。

由表3 官能團及特征參數比值的變化表明，豬糞厭氧發酵后物料中脂肪族化合物、碳水化合物、羧酸等有機物減少，芳香族類物質相對增加，腐殖化程度有所提高，添加玉米秸稈處理強化了有機物腐殖化程度。這可能是因為：1）添加玉米秸稈提高了物料的孔隙率，為微生物分解碳水化合物、脂肪族、多糖等有機物提供更適宜的環境和更多的附著位點；2）玉米秸稈中含有較多的木質素，經過厭氧發酵分解生成腐殖質，增加物料中腐殖質濃度，有利于吸附固定更多的重金屬Cd，提高重金屬的鈍化效果。因此，豬糞厭氧發酵中重金屬的形態變化和鈍化效果與物料中有機質的減少和腐殖質的形成具有一定的相關性[30]。

豬糞單獨厭氧發酵及添加玉米秸稈可有效地鈍化重金屬，增加腐殖化程度，可從以下方面加以理解：1）腐殖質是有機物腐殖化的最終產物，具有高穩定性和強吸附性，其主要組成元素為碳、氫、氧、氮、硫、磷等[31]。通過腐殖質中大量的羧基、羰基等絡合官能團與螯合官能團的絡合吸附作用，使具有高活性的有效態Cd 大幅減少。腐殖質的形成與木質素降解有著密切的關系[32]。木質素及其降解產物如酚型化合物、醌型化合物及脂肪族化合物是腐殖質形成的主要前提物質，它們通過復雜的反應機制形成腐殖質[33]。添加玉米秸稈提高了發酵原料中木質素含量，增加了物料中腐殖質含量，從而有利于降低重金屬Cd 的生物有效性；2）沼氣發酵是微生物參與的生物過程，從沼氣發酵的工藝條件出發，理論上沼氣發酵最適宜的C/N 比為25∶1。C/N 比過低，導致微生物所需的氮素營養缺失，C/N 比過高，則限制微生物分解有機質。本試驗通過添加玉米秸稈調節沼氣發酵中的C/N比為25∶1，為厭氧微生物分解有機物和合成腐殖質提供了最適宜的環境，從而提高了對重金屬Cd 的鈍化效果，但其機理有待進一步研究。3）秸稈是一種結構致密的木質纖維素類生物質，在厭氧條件下難以被微生物分解[34]。秸稈經稀H2SO4、NaOH 處理后，會破壞細胞壁中半纖維素與木質素形成的共價鍵，破壞纖維素的結晶結構，有效促進玉米秸稈中木質素、纖維素和半纖維素的分解，且蛋白質、糖類等有機物的降解率也得到了提高，并被轉化成了易被厭氧微生物利用的可溶性物質，從而促進其厭氧發酵水解階段及聚合生成腐殖質階段的進行[35-36]。而添加NaOH 處理的玉米秸稈發酵后對Cd 鈍化效果與添加稀H2SO4處理的玉米秸稈的效果差異不顯著（P>0.05）的原因可能是稀H2SO4對木質纖維素的降解作用弱于NaOH，這方面有待進行進一步的試驗及機理研究。

3 結 論

1）豬糞經厭氧發酵及添加玉米秸稈，重金屬Cd 的可交換態、可還原態降低，而可氧化態、殘渣態增加；

2）豬糞厭氧發酵及添加玉米秸稈有利于降低有效態重金屬Cd 的含量占比，提高Cd 的有效態鈍化效果。顯著性分析表明，玉米秸稈對豬糞厭氧發酵Cd 有效態鈍化效果有極顯著影響（P<0.01），添加酸堿處理玉米秸稈對Cd 鈍化效果顯著優于添加只進行物理粉碎處理的玉米秸稈（P<0.05）；添加稀H2SO4處理玉米秸稈對Cd 鈍化效果與添加NaOH 處理玉米秸稈差異不顯著（P > 0.05）。豬糞厭氧發酵過程中添加稀H2SO4和NaOH 處理秸稈可降低重金屬的危害。

3）FTIR 及其特征參數比值顯示，豬糞厭氧發酵及添加秸稈各處理沼渣中有機物含量減少，芳香族類化合物含量增加，有機物腐殖化程度增加。添加玉米秸稈處理可以提高沼渣中腐殖質含量，強化腐殖化程度。顯著性分析表明，添加酸堿處理玉米秸稈處理沼渣中腐殖化程度明顯高于豬糞單獨發酵及添加物理粉碎玉米秸稈處理（P<0.05），且以添加NaOH 處理玉米秸稈為最佳，添加稀H2SO4處理玉米秸稈次之。