凹凸棒添加堆肥过程中的重金属形态变化与生物毒性研究

摘要

随着我国规模化、专业化、集约化养殖业的迅速发展，含有大量重金属添加剂的饲料被广泛应用，这导致禽畜粪便中重金属元素严重超标。以此作为有机肥在农耕过程中长期施用，不仅会导致重金属在土壤和植物中的累积，处理不当会造成严重的环境问题，危及人类健康。因此，研究重金属形态在鸡粪堆肥发酵过程中的动态变化规律，探明凹凸棒的钝化机理，分析重金属形态的生物毒性对指导畜禽养殖业废弃物的资源化利用和凹凸棒在堆肥过程中的应用具有现实意义。
　　本研究以采自甘肃省张掖市甘州区祥翔养殖农民专业合作社的鸡粪和由甘肃双泰凹土科技有限公司提供的凹凸棒为实验材料。设定6个处理，分别在鸡粪中添加不同比例的凹凸棒，进行好氧堆肥实验。通过测定在鸡粪堆肥发酵过程中，Cd、Cr、Cu、Ni和Zn五种重金属在不同处理中各个取样时间点（第1、4、12、20、25、32天）上的总量、BCR连续提取法的形态分布，以及分析各形态间不同重金属的相关性、不同重金属各形态与种子萌发特性的相关性，来研究凹凸棒添加堆肥发酵过程中的重金属形态变化和生物毒性。实验结果表明：
　　（1）在凹凸棒添加的鸡粪堆肥发酵过程中，堆肥32天腐熟后，各个处理中Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的浓度均大于堆肥前，且随着凹凸棒添加比例的增高，表现出更为显著的相对浓缩效应。
　　（2）在凹凸棒添加的鸡粪堆肥发酵过程中，堆肥32天腐熟后，各个处理中重金属Cd、Cr、Ni和Zn的形态变化均表现出由不稳定形态向稳定形态转化的趋势。重金属Cu则表现出由不稳定形态酸溶态和稳定形态残渣态向其它形态转化的趋势。各处理不同的配比方案，对鸡粪堆肥发酵过程中重金属的钝化效果，因重金属元素的不同而各异，A3（凹凸棒：鸡粪为3:20）处理对重金属Cd和Cr的钝化效果最佳；A9（凹凸棒：鸡粪为9:20）处理对重金属Cu和Ni的钝化效果最佳；A6（凹凸棒：鸡粪为6:20）处理对重金属Zn的钝化效果最佳。
　　（3）凹凸棒的添加对堆肥中重金属的形态具有显著影响。对酸溶态 Cd、Cr、Cu、Ni和Zn而言，同一时间下，随凹凸棒添加比例的增加其浓度逐渐降低；同一凹凸棒添加比例的处理中，其浓度随时间的延长而降低。对还原态Cd、Cr、Cu、Ni和Zn而言，同一时间下，随凹凸棒添加比例的增加其浓度逐渐降低。同一凹凸棒添加比例的处理中，还原态Cr浓度随时间的延长而降低；还原态Cd、Cu、Ni和Zn浓度随时间的延长而升高。对氧化态Cr、Cu、Ni和Zn而言，同一时间下，随凹凸棒添加比例的增加其浓度逐渐降低；而氧化态Cd随凹凸棒添加比例的增加其浓度逐渐升高。同一凹凸棒添加比例的处理中，氧化态Cd、Cr、Cu和Ni浓度随时间的延长而升高；氧化态Zn浓度随时间的延长而降低。对残渣态Cd、Cr、Ni和Zn而言，同一时间下，随凹凸棒添加比例的增加其浓度逐渐降低；同一凹凸棒添加比例的处理中，其浓度随时间的延长而升高。对残渣态Cu而言，同一时间下，随凹凸棒添加比例的增加其浓度逐渐升高；同一凹凸棒添加比例的处理中，其浓度随时间的延长而降低。说明凹凸棒在鸡粪堆肥发酵过程中的添加，对重金属稳定形态浓度的升高和不稳定形态浓度的降低具有促进作用；对重金属稳定形态浓度的降低和不稳定形态浓度的升高具有抑制作用。
　　（4）凹凸棒添加的鸡粪堆肥发酵过程中，综合六个处理，在不同的重金属形态中各重金属之间皆具有显著相关性。
　　（5）对植物种子而言，与重金属形态变化的相关性排序依次为：白菜、小麦、豌豆、玉米；对种子的萌发指标而言，与重金属形态变化的相关性排序依次为：发芽指数、活力指数、发芽率、发芽势；对不同重金属而言，重金属在鸡粪堆肥发酵过程中其生物毒性的大小依次为Zn、Cd、Cu、Cr、Ni；对重金属不同形态而言，有效性较高的重金属形态对植物种子的萌发具有一定的抑制作用。

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1 前言

1.1禽畜粪便的污染现状与资源化利用技术

1.2重金属存在形态与生物毒性

1.3凹凸棒在堆肥过程中的应用

1.4研究的内容、目的及意义

2 材料与方法

2.1实验材料

2.2实验方法

2.3数据处理

3 结果与分析

3.1凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属总量的变化

3.2凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属Cd形态的变化

3.3凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属Cr形态的变化

3.4凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属Cu形态的变化

3.5凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属Ni形态的变化

3.6凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属Zn形态的变化

3.7凹凸棒添加对堆肥中重金属Cd形态的影响

3.8凹凸棒添加对堆肥中重金属Cr形态的影响

3.9凹凸棒添加对堆肥中重金属Cu形态的影响

3.10凹凸棒添加对堆肥中重金属Ni形态的影响

3.11凹凸棒添加对堆肥中重金属Zn形态的影响

3.12凹凸棒添加堆肥中酸溶态重金属的相关性

3.13凹凸棒添加堆肥中还原态重金属的相关性

3.14凹凸棒添加堆肥中氧化态重金属的相关性

3.15凹凸棒添加堆肥中残渣态重金属的相关性

3.16凹凸棒添加堆肥中重金属Cd形态与种子萌发特性的相关性

3.17凹凸棒添加堆肥中重金属Cr形态与种子萌发特性的相关性

3.18凹凸棒添加堆肥中重金属Cu形态与种子萌发特性的相关性

3.19凹凸棒添加堆肥中重金属Ni形态与种子萌发特性的相关性

3.20凹凸棒添加堆肥中重金属Zn形态与种子萌发特性的相关性

4 结论与讨论

4.1凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属总量的变化

4.2凹凸棒添加堆肥发酵过程中重金属形态的变化

4.3凹凸棒添加对堆肥中重金属形态的影响

4.4凹凸棒添加堆肥中重金属形态变化的相关性

4.5凹凸棒添加堆肥中重金属形态变化的生物毒性

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果