3.3　堆肥过程腐殖质还原菌电子转移能力分析

3.3.1　腐殖质还原菌群对Fe（Ⅲ）还原能力的稳定性

将不同物料三代腐殖质还原菌群接种于Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐液体培养基中，培养15d得到Fe（Ⅲ）的还原率见表3-2。通过三代菌体的Fe（Ⅲ）的还原率可以反映腐殖质还原菌的稳定性。由表3-2可知，增加代时，对21种不同来源腐殖质还原菌的还原能力均存在影响，呈略微下降趋势，然而其Fe（Ⅲ）的还原率仍能保持在70%～90%，说明腐殖质还原菌群还原能力较为稳定，传代对其影响不大。

表3-2　不同物料中腐殖质还原菌群Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原率

注：1—升温期；2—高温期；3—腐熟期。

3.3.2　腐殖质还原菌对Fe（Ⅲ）还原的动力学特征

绝大部分腐殖质还原菌具有还原Fe（Ⅲ）的功能^［13］。如图3-6所示，不同物料类型堆肥过程中腐殖质还原菌的还原能力呈现不同的变化趋势。利用一级动力学方程^［15］进行拟合，求得不同堆肥中腐植酸还原菌还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的常数，结果见表3-3。方程的表达式：

Fe_t=Fe₀［1-exp（-kt）］

式中　Fe_t——t时刻Fe（Ⅱ）的生成量，mmol/L；

Fe₀——Fe（Ⅱ）的潜在生成量，mmol/L；

t——培养时间，h；

k——反应速率常数，h^-1。

图3-6

图3-6　不同物料腐殖质还原菌及S.oneidensis MR-1对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原的影响

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；MR-1—胞外呼吸菌

表3-3　Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原能力的一级动力学方程拟合结果

注：1—升温期；2—高温期；3—腐熟期。

与对照组比较，不同来源堆肥过程中的腐殖质还原菌均能明显还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐（图3-6）。一级动力学方程可以较好地描述Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原动态变化（表3-3），方程拟合的相关系数均达到显著水平（P<0.1）。不同堆肥物料在堆肥三个阶段的k值变化不显著，而在堆肥的升温期，果蔬与杂草中腐殖质还原菌氧化还原反应速率显著高于其他物料（P<0.05）。

与S.oneidensis MR-1的还原能力相比，堆肥腐熟期（鸡粪、牛粪、果蔬、杂草、枯枝、秸秆和污泥）中腐殖质还原菌的还原能力分别是模式菌株S.oneidensis MR-1还原能力的1.22倍、1.23倍、99%、97%、92%、71%和1.3倍，由此可以说明，部分堆肥中腐殖质还原菌电子转移能力更强。根据堆肥过程中Fe（Ⅱ）的累积量可知（图3-7），不同物料的变化趋势较为类似，三个堆肥阶段的还原能力从大到小依次是：腐熟期>高温期>升温期，这一结果与堆肥过程中腐殖质还原菌数量变化一致。对不同物料堆肥腐殖质还原菌还原能力比较表明，鸡粪、牛粪、果蔬、杂草及污泥中腐殖质还原菌的还原能力变化趋势较为类似，随堆肥过程呈明显增加趋势，这是由于堆肥过程使与电子转移能力相关的功能基团逐渐增加，导致腐殖质还原菌逐渐被驯化，其电子转移能力至堆肥腐熟期达到最高值，分别为2.81mmol/L、2.82mmol/L、2.27mmol/L、2.23mmol/L及2.99mmol/L。枯枝与秸秆中腐殖质还原菌的还原能力随堆肥过程中变化不显著，且还原能力相对其他物料较低，分别为2.11mmol/L和1.63mmol/L，上述结果进一步证实物料组成显著影响腐殖质还原菌数量，致使其还原能力发生相应改变。

图3-7　不同堆肥腐殖质还原菌与S.oneidensis MR-1还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的能力

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；MR-1—胞外呼吸菌

图3-7为不同堆肥三阶段还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐变化的箱图，从总体看，鸡粪、牛粪、果蔬、杂草在不同阶段的腐殖质还原菌还原能力差异较大，枯枝、杂草、污泥的腐殖还原菌的还原能力差异较小，这主要与堆肥自身的环境特征（温度、微生物数量、有机组分、C/N、pH值）有关^［16］，进而影响堆肥中腐殖质还原菌的还原能力。不同来源的腐殖质还原菌平均还原能力从大到小依次为污泥>牛粪>鸡粪>枯枝>杂草>果蔬>秸秆。

为探明哪一种微生物对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原起主要作用，分别对不同物料不同阶段的腐殖质还原菌百分含量与其还原能力做相关性分析，结果表明，34个种属的腐殖质还原菌与其还原能力均无显著相关性，无单独某一种腐殖质还原菌与其还原能力显著相关，由此可以说明，对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原是34个种属的腐殖质还原菌的综合作用。