1.1　堆肥过程有机组分及官能团变化特征

1.1.1　堆肥过程多酚化合物变化特征

不同物料中多酚化合物浓度如图1-1所示。由图1-1可知，不同物料中多酚化合物在堆肥升温期存在明显差异：杂草含量最高，为0.256mg/g；秸秆含量最低，为0.12mg/g。这主要是由于杂草含有丰富的纤维素和半纤维素，而秸秆主要成分为木质素。酚主要以结合态形式存在，游离态酚含量较低。然而，从整体看，鸡粪、果蔬、杂草、秸秆、枯枝及污泥中酚浓度的变化规律基本一致。高温期多酚化合物的含量达到最高值，但随堆肥进行逐渐降低。在整个堆肥过程中，果蔬下降幅度最高，为87.4%；其次为鸡粪和杂草，分别下降了66.9%和65.8%，这是由于相对鸡粪、果蔬、杂草中纤维素含量较高。而秸秆、枯枝与其他物料相比下降幅度最小，分别为34.5%和55.3%。纤维素在堆肥过程中可被微生物降解生成酚基，酚基作为腐植酸的前体物质会在堆肥后期与氨基化合物缩合形成腐植酸^［1］。而木质素在降解过程中一部分降解单元苯丙烷基团转化成酚再由酚形成醌，一部分直接形成醌作为腐植酸合成的聚合组分，还有一部分微生物难降解网状结构成为腐植酸的核心基团与其他小分子基团通过化学交联作用形成腐植酸分子^［2］。因此，在腐熟期，纤维素（杂草、果蔬）、蛋白类物料（鸡粪）中多酚化合物的降解量大于木质素类（秸秆、枯枝）。

图1-1　不同物料中多酚化合物浓度

CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥；

1—升温期；2—高温期；3—腐熟期

1.1.2　堆肥过程氨基酸变化特征

蛋白质是微生物进行胞外呼吸过程中电子向胞外传递必不可少的载体物质^［3］。在土壤中测得总有机质的含量中，微生物的活体蛋白含量仅占总含量的1%～2%^［4］，然而，微生物的新陈代谢是一个快速且不断重复的过程，会在整个堆肥过程中积累大量的代谢产物及微生物残体，可达总量的50%～80%^［5］。因此，氨基酸可作为腐植酸形成的重要因素^［6］，可能对堆肥腐殖质还原菌及腐植酸电子转移能力具有一定的影响。

尽管不同堆肥物料结构组成不同，但氨基酸的分解普遍存在于任何堆肥过程中。不同物料中游离氨基酸浓度如图1-2所示。由图1-2可知，升温期鸡粪与牛粪中氨基酸浓度最高，均大于1500μmol/g；其次为污泥，含量为825.59μmol/g；秸秆与枯枝含量最低，分别为1.03μmol/g和1.14μmol/g。这主要是由于鸡粪、牛粪及污泥在升温期有机质易被微生物利用产生较高含量的氨基酸，但随堆肥进行氨基酸含量逐渐降低；秸秆与枯枝的主要成分为木质素，易降解有机质含量较少。微生物在堆肥初期新陈代谢缓慢，数量较低，仅产生较少的氨基酸，然而到达高温期，可利用纤维素、半纤维素及木质素的微生物数量逐渐增多，代谢加快，其代谢产物可能导致氨基酸的含量上升^［7］。果蔬与杂草中氨基酸明显高于秸秆与枯枝，这是由于富含纤维素与半纤维素的物料相对木质素较容易被微生物利用，微生物代谢加速，其总体含量相对较高。而在腐熟期，部分氨基酸作为合成腐植酸的前体物质与腐植酸的中心基团结合，因此含量均有所降低^［8］。

图1-2　不同物料中游离氨基酸浓度

CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥；

1—升温期；2—高温期；3—腐熟期

1.1.3　堆肥过程多糖与还原糖变化特征

不同物料中多糖、还原糖浓度如图1-3所示。由图1-3（a）可知，果蔬与杂草中多糖含量显著高于其他物料，这两种物料中含有大量的纤维素类物质，这类物质结构简单，主要是由多糖链接而成的高级结构，堆肥升温期微生物逐渐增多，易释放出大量的多糖，而随着堆肥进行多糖又会被进一步分解为还原糖等更小的分子^［2］。因此，到达堆肥腐熟期，多糖含量有明显降低。而鸡粪、牛粪中含有大量的蛋白类物质，微生物的分解产物以多肽、氨基酸等物质为主，所以多糖整体含量较低。然而不同物料相比可知，堆肥过程多糖含量整体上的变化并不稳定。这主要是由于多糖作为有机质分解的中间产物，其浓度的变化处于动态平衡的状态：微生物不断地分解有机质生成多糖，而多糖又作为碳源以及能源被微生物利用或作为前体物质合成腐植酸。

图1-3　不同物料中多糖、还原糖浓度

CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥；

1—升温期；2—高温期；3—腐熟期

如图1-3（b）所示，鸡粪、牛粪及杂草中还原糖呈逐渐升高的趋势，堆肥腐熟期还原糖浓度分别增加了4.3%、6.3%和12.6%。而秸秆与枯枝的变化则相反，分别降低了2.35%、17.6%。堆肥中的还原糖主要是以葡萄糖和果糖为主的一些单糖，在升温期，微生物将一些淀粉、纤维素等物质快速分解成小分子糖类物质进而被利用^［9］。易被微生物利用降解的纤维素类和蛋白质类物质的还原糖呈现上升的趋势，这主要是由于物质的快速分解能够满足微生物的消耗和腐植酸的合成，因此在堆体中仍存在没有被利用的还原糖。而在木质素类物料（秸秆、枯枝）中，由于物料中易降解成分含量较低，因此在堆肥过程中降解所产生的还原糖直接为微生物活动提供能源或参与到腐植酸的合成途径中。

1.1.4　堆肥过程羧基变化特征

羧基对腐植酸的形成具有重要意义^［8］，连接到腐植酸结构上的羧基基团对降解及吸附污染物具有重要作用^［10］。有研究表明，羧基在一定程度上影响了有机质的电子转移能力^［11］。如图1-4所示，鸡粪与牛粪在堆肥高温期羧基浓度有明显降低，分别下降了55.5%和61.2%。鸡粪与牛粪中有机质较容易被微生物利用，其中蛋白类物质在堆肥的初期被微生物降解并形成大量的羧基基团，羧基作为合成腐植酸的大分子物质可与腐植酸核心基团结合^［10］。果蔬、杂草、秸秆、枯枝均呈现先升高后降低的趋势，至堆肥腐熟期分别降低了63.6%、35.7%、15.8%及25.1%。在升温期，微生物较难利用纤维素与木质素，因此仅有少量羧基生成，然而高温期后，纤维素与木质素被微生物逐渐降解，羧基含量也随之升高。也就是说，在蛋白类的物料中，羧基含量升高速度较快，而在纤维素、木质素类较难降解的有机质中，相对升高速度较慢。污泥中的羧基在腐熟期含量相比升温期增加了32.3%，这是由于污泥堆肥中重金属含量较高^{［12，13］}，金属离子可优先与腐植酸中的官能团结合，导致游离的羧基含量随堆肥进行逐渐升高。

图1-4　不同物料中羧基浓度

CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥；

1—升温期；2—高温期；3—腐熟期