基于电子转移的生物炭促导堆肥腐殖质生成机制研究

The low humification degree and the less yield of final humus were the weaknesses for the agricultural waste composting. The main reason was not enough time for compost and the unbalance between mineralization process and humification process. Therefore, the crucial step of agricultural waste treatment is to improve the humification degree of composting. Biochar increased the humification and enhanced the quality of final compost products based on our previous results. In this project, the surface functional groups and electron transfer capacity of the different biochar types will be investigated; the electron transfer capacity, redox potential, enzymatic activity and humus quantity & structure of compost products will be evaluated during the process of composting. The results are helpful to claim the procedure of humus precursor accepting electron, transferring them to electron acceptor, and producing final humus in the biochar-amended composting system. Furthermore, the results are beneficial to understanding the relation between electron transfer characteristics and humus formation efficiency under the biochar-amended composting. Biochar is not only confined to physical functions and chemical reactions, but also involved in the biochemical reactions in composting. The mechanism that biochar improving the humus formation based on electron transfer is to be illuminated in this project.

目前堆肥技术处理农业废物存在腐殖化程度低、腐殖质得率相对较低等问题，主要原因是堆置时间短以及堆肥过程中的矿化和腐殖化进程不平衡，因此提高腐殖化程度是堆肥有效处理农业废物的关键。本项目拟在研究不同种类生物炭的表面官能团结构和电子转移能力的基础上，评估生物炭对堆肥过程中的电子转移能力、氧化还原能力、酶活性以及腐殖质数量和结构的影响，揭示生物炭促进腐殖质单体从微生物或其它还原性物质接受电子，并将电子转移给相应的电子受体，最终缩合/聚合成稳定度高的腐殖质过程，阐明生物炭改善电子转移性能与提高堆肥腐殖质生成效率之间的内在联系，从而深入解析生物炭促进堆肥腐殖质生成的电子转移机制。本项目把生物炭促进堆肥腐殖化的机制从物理、化学作用机制拓展到基于电子转移的生化反应机制，进一步揭示生物炭促进堆肥腐殖质生成的内在机制。

本项目研究不同种类生物炭的电子转移能力特性，评估生物炭对农业废物堆肥过程中的电子转移能力、氧化还原能力以及腐殖质的数量和结构的影响，弄清外源生物炭促进腐殖质单体从微生物和生物炭接受电子，并将电子转移给相应的电子受体，最终缩合/聚合成稳定度高的腐殖质发生过程，解析生物炭促进堆肥腐殖质生成的电子转移机制。. 本项目采用介导电化学的方法测定了秸秆、竹子、木屑和猪粪等八种常见代表性生物质在三个热解温度（300、500和700oC）条件下制备的生物炭的供电子能力（EDC）和得电子能力（EAC）。结果表明，生物炭得供电子能力在0.20～1.80 mmol e-(g 生物炭)-1范围内，得电子能力在0.20～0.67 mmol e-(g 生物炭)-1范围内。植物源生物质炭（秸秆类等）相对于畜禽粪污源生物质炭具有较高的供电子能力。低热解温度（300～500oC）制备的生物质炭，其供电子能力占主导作用；较高热解温度（700oC）制备的生物质炭的得电子能力占主导作用。.秸秆生物炭为供试生物炭辅以猪粪堆肥，随秸秆炭添加量的增加，堆肥物料中水溶性有机物中DOC/DN比值降低、SUV254/DOC增加。秸秆炭添加组的DOC/DN比值和SUV254/DOC相比对照分别提高了0.5～18.0%和1.8～15.8%，表明堆肥的腐殖化程度增加。堆肥物料中的纤维素和半纤维素含量不断减少。秸秆炭添加组的纤维素和半纤维素含量比对照分别减少了12.8～41.5%和8.7～35.9%，表明物料中的有机质发生降解。生物炭处理的EDC较CK处理增加11.4～31.2%；促进了堆肥DOM的电子转移能力。秸秆炭添加组较对照处理的速效磷、速效钾、EC、水溶性Ca2+和Mg2+含量分别增加了5.0～24.7%、6.2～31.3%、7.0～51.2%、24.8～83.5%和19.7～44.5%，表明生物炭对养分离子有吸附作用。