污泥蚯蚓堆肥中水溶性有机物的变化及其对土壤N转化的影响研究

摘要

城市生活污泥含有丰富的营养物质，经蚯蚓处理后可以作为农用有机肥。蚯蚓堆肥过程中会产生大量的水溶性有机物(DOM)，随污泥施用于土壤中会对氮素循环系统造成影响。因此对污泥蚓粪中DOM施入土壤后氮素转化的研究是至关重要的。
　　本文用蚯蚓堆肥法处理城市生活污泥，对堆肥前后污泥中水溶性有机物的分子量分布、极性组分和光谱学的变化进行了研究。并选取污泥蚓粪DOM中的代表性单糖和氨基酸施于土壤中，探讨了培养过程中土壤理化性质、氮素指标以及土壤潜在硝化速率(PNR)的变化，并利用实时荧光定量PCR方法分析了外源有机物对土壤氨氧化菌氨单加氧酶基因（amoA）丰度的影响，进一步探讨了外源有机物对氮素转化的作用机制，为污泥的资源化再利用提供理论基础。主要结论如下:
　　(1)极性分析、分子量分级结果表明，蚯蚓处理后污泥DOM中小于300Da的组分含量高出对照组污泥6.5％，大于8000Da的组分则少了56.3％;疏水性组分比例高出对照组50.8％。光谱分析表明，试验组中均存在羧酸、芳香族物质等，且经蚯蚓处理后污泥的DOM中蛋白质含量及分子量降低，多糖和芳香族物质含量增加。荧光光谱显示原始污泥中含有大量蛋白质和腐殖质，经过120天降解生成色氨酸、酪氨酸、葡萄糖等物质，且处理组腐殖化程度高于对照组。污泥中DOM经蚯蚓处理后浓度更小，污泥降解速度更快。通过上述分析，选取处理污泥（蚓粪）DOM中典型物质酪氨酸、葡萄糖作为后续土壤氮素转化试验的外源添加物。
　　(2)外源有机物添加至土壤结果表明，与无蚓粪的土壤(BK)相比，施加蚓粪能有效提升土壤肥力，降低土壤pH值，显著提高土壤电导率。酪氨酸的施加对土壤中有机氮的矿化作用产生了抑制，矿化量与酪氨酸添加量成反比;而添加葡萄糖则有促进作用，且矿化量随葡萄糖剂量的增加而增大。添加酪氨酸和葡萄糖均对土壤硝化率产生抑制，且同剂量添加的葡萄糖的抑制作用高于酪氨酸62.2％。研究表明蚓粪中DOM成分和含量对土壤矿化量和硝化率的影响均有显著性差异(P＜0.05)，体系中有机物的添加可以减少硝酸盐淋洗损失，促进土壤对氮素的保肥作用。
　　(3)添加外源水溶性有机物后对土壤的PNR和微生物群落中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的amoA基因拷贝数的分析结果显示，外源DOM可以显著抑制土壤PNR;土壤PNR与土壤矿化量有显著的正相关(P＜0.05)，但与硝化率无显著性关系。土壤中AOA和AOB amoA基因丰度远高于对照组(CK)，说明外源DOM可以显著促进土壤中AOA和AOB氨氧化过程的转录水平。添加葡萄糖的土壤AOA与AOB表现出相似的变化趋势，而添加酪氨酸的趋势则不同。酪氨酸组AOA、AOB与土壤硝化率之间均存在显著性负相关、而与酪氨酸添加量成显著性正相关，葡萄糖组仅AOB与矿化量、PNR等存在显著正相关(P＜0.05)。同一外源有机物的不同添加剂量对土壤PNR抑制率和amoA基因拷贝数的影响均有极显著差异(P＜0.01)。

目录

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．1．1 污泥处置现状与技术

1．1．2 水溶性有机物对环境的影响

1．2 有机物对氮素转化的研究进展

1．3 研究意义、研究内容和技术路线

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容及技术路线

第二章 蚯蚓堆肥对城市生活污泥水溶性有机物的影响

引言

2．1 材料和方法

2．1．1 供试材料

2．1．2 试验方法

2．1．3 数据统计与分析

2．2 结果与讨论

2．2．1 污泥堆肥前后DOM含量及极性组分变化

2．2．2 污泥堆肥前后DOM分子量分布变化

2．2．3 污泥堆肥前后DOM光谱学分析

2．3 结论

第三章 外源有机物对土壤氮素转化的影响

引言

3．1 材料和方法

3．1．1 供试材料

3．1．2 试验方法

3．1．3 数据统计与分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 外源有机物对土壤pH值和EC的影响

3．2．2 外源有机物对土壤NH4+-N、NO2--N、NO3--N含量的影响

3．2．3 外源有机物处理对土壤氮素矿化量及硝化率的影响

3．3 结论

第四章 外源有机物对土壤PNR和amo A基因的影响

引言

4．1 材料与方法

4．1．1 供试材料

4．1．2 试验方法

4．1．3 数据统计与分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 PNR的动态变化及抑制率

4．2．2 AOA和AOB amoA基因拷贝数的变化

4．3 结论

第五章 总结与展望

5．1 本研究的主要结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

附表

致谢

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