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        不同原料環(huán)保酵素對土壤全氮影響的試驗研究

        2020-12-24 03:11:12佟玉潔
        鹽科學(xué)與化工 2020年12期
        關(guān)鍵詞:酵素全氮火龍果

        佟玉潔

        (天津職業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300000)

        1 概述

        泰國樂素昆博士(Dr. Rosukon Poompanvong)將新鮮水果和蔬菜的廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵制成環(huán)保酵素[1],也被稱為“垃圾酶”(Garbage Enzyme)。環(huán)保酵素含有多種活性酶和微生物群落[2]。環(huán)保酵素的制作過程簡單易得,廣泛應(yīng)用于家居環(huán)境,特別是在東南亞地區(qū)和日本[3]。利用廚余鮮垃圾制作環(huán)保酵素既經(jīng)濟又對環(huán)境友好,因此也被稱為“廚房的公益”。關(guān)于環(huán)保酵素對土壤的影響作用,國內(nèi)有其對土壤有效氮、全氮和有機質(zhì),以及鉀元素的影響研究[4-5]。有報道殘余農(nóng)藥被環(huán)保酵素降解[6],也有研究表明環(huán)保酵素可提高土壤肥力,并發(fā)現(xiàn)在試驗土樣中存在更多的蚯蚓[7-9]。

        土壤氮元素含量是土壤養(yǎng)分的重要部分。土壤養(yǎng)分指土壤提供植物生長所必需的營養(yǎng)元素,主要取決于土壤含有的礦物質(zhì)及有機質(zhì),包括有機質(zhì)、氮、磷,以及鉀、硫、鐵、鎂等物質(zhì)。土壤中的氮元素含量稱為全氮,全氮包括有機氮和無機氮。無機態(tài)氮約占全氮量的5%,可以被植物吸收利用;其余的有機氮被微生物礦化分解后,才能被植物利用。不同于環(huán)保酵素在實際制作中的混合發(fā)酵,研究采用不同果蔬皮分別發(fā)酵制作環(huán)保酵素,以比較其對土壤全氮含量的作用;并進一步分析冰箱存放對其提高土壤全氮含量的影響。

        2 研究方法

        2.1 環(huán)保酵素制作

        選擇新鮮蔬果皮為蘋果皮、火龍果皮和蔬菜皮(茄子皮和胡蘿卜皮),切成塊狀置于容器內(nèi)。將紅糖、鮮蔬果皮、水(蒸餾水),比例為1 ∶3 ∶10(重量比)混合置于容器中,發(fā)酵3個月至6個月。在發(fā)酵過程的最初1個月,需每天開瓶蓋放氣;之后,視氣體量多少,逐漸減少開蓋頻率至完全沒有氣體產(chǎn)生,將其放置陰涼處。以火龍果為例,在第10周時,開蓋已基本無氣體放出;將其置于陰涼處至6個月。第1周至第10周的觀察如下:

        (1)第1周~5周,需每天開蓋放氣,氣味輕微刺鼻,混合液顏色逐漸變紅。

        (2)第6周,開蓋時仍有氣體,氣味濃郁香味,混合液呈火龍果皮色。

        (3)第7周,開蓋時氣體量有所減少,氣味中略有酸味,顏色無明顯變化。

        (4)第8周,開蓋時氣體量繼續(xù)減少并維持穩(wěn)定,有明顯的發(fā)酵酸味,混合液顏色逐漸變深。

        (5)第9周,開蓋時有微弱氣體產(chǎn)生,其它方面與第8周相比無變化。

        (6)第10周,開蓋時基本無氣體產(chǎn)生,其它方面與第9周相比無變化。

        發(fā)酵成功的環(huán)保酵素成品無異味,溶液顏色清透不渾濁,原料沉淀在底部,無腐爛跡象。不同原料制得的環(huán)保酵素成品的感官特征具有各自的特點(表1)。

        表1 不同原料制作的環(huán)保酵素成品特征Tab.1 Characteristics of garbage enzyme made from different raw materials

        2.2 土樣采集

        試驗用土樣采自校外河岸土,采樣方法為網(wǎng)格法,采樣深度為10 cm。采樣后將土樣放在陰涼通風(fēng)的地方風(fēng)干,將其置于5個長、寬、高均為7 cm的透氣塑料花盆中(分別編號0、1、2、3、4)。

        2.3 試驗方法

        試驗編號0、1、2、3、4(表1);分別為對照組、蘋果皮酵素(發(fā)酵6個月)、火龍果皮酵素(發(fā)酵6個月)、蔬菜皮酵素(發(fā)酵6個月)、蔬菜皮酵素(發(fā)酵6個月后,置于冰箱保存1 a)。用紗布過濾環(huán)保酵素,分別取0.5 mL的4種環(huán)保酵素置于4個錐形瓶中,加蒸餾水500 mL,使環(huán)保酵素與水的體積比為1 ∶1 000。0組為對照,僅用蒸餾水澆灌土樣。用上述編號澆灌編號0、1、2、3、4組的試驗土樣。試驗時間為 28 d,每次的澆灌體積為20 mL, 2 d澆灌1次土壤。在每周的固定時間測定全氮,全氮測定方法為《土壤質(zhì)量 全氮的測定 凱氏法》(HJ 717—2014)[10]。

        2.4 儀器和試劑

        凱氏法測氮的試驗儀器包括:研磨機,玻璃研缽;土壤篩:孔徑2.0 mm、0.25 mm;分析天平:精度為0.000 1 g和0.001 g;帶孔專用消解器或電熱板;凱氏氮蒸餾裝置;凱氏氮消解瓶(50 mL);酸式滴定管(25 mL);錐形瓶(250 mL);小花盆(長、寬、高均為7 cm)。

        試劑包括:無氨水、濃硫酸(優(yōu)級純)、濃鹽酸、高氯酸、無水乙醇、硫酸鉀、五水合硫酸銅、二氧化鈦(優(yōu)級純)、五水合硫代硫酸鈉、氫氧化鈉(優(yōu)級純)、硼酸(優(yōu)級純)、無水碳酸鈉(基準(zhǔn)試劑)、催化劑;還原劑、10 mol/L氫氧化鈉溶液、硼酸溶液(2%)、碳酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.050 0 mol/L)、甲基橙指示劑(0.5 g/L)、鹽酸標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液(0.05 mol/L)、鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.01 mol/L)、混合指示劑。

        3 結(jié)果與分析

        各種蔬果皮發(fā)酵后的混合液呈酸性。大腸桿菌Escherichiacoli和總大腸菌群totalcoliform未被檢出。大腸桿菌和總大腸菌群是檢測樣品是否被污染的重要指標(biāo)[2],表明自制環(huán)保酵素在制作過程中未被污染。

        試驗土樣全氮背景值是1.78 g/kg。試驗結(jié)果表明:除對照組,所有試驗土樣的全氮含量均高于試驗土樣全氮背景值(圖1)。隨著灌溉時間的增長,1組~4組試驗土樣的全氮含量均逐漸增加,而且在3周后明顯增長,并于灌溉4周后達到最大值,分別為4.02 g/kg,4.53 g/kg,3.05 g/kg和4.72 g/kg;均大于對照土樣4周后的全氮含量(1.76 g/kg),說明環(huán)保酵素稀釋液澆灌土壤可有效提高土壤全氮含量。

        圖1 不同原料和保存期環(huán)保酵素澆灌土壤全氮含量變化圖Fig.1 Total nitrogen variation of soil irrigated by garbage enzyme made by various materials with different storage time

        發(fā)酵后6個月的蘋果皮、火龍果皮和蔬菜皮環(huán)保酵素(1組、2組、3組)中,2組(火龍果皮)全氮最高(4.53g/kg),其次是1組(蘋果皮,4.02 g/kg),最低是3組(茄子皮,3.05 g/kg)(圖2)。發(fā)酵6個月后置于冰箱保存1 a的蔬菜皮環(huán)保酵素(4組),其全氮含量最高,為4.72 g/kg;對應(yīng)的3組同樣原料環(huán)保酵素(發(fā)酵6個月)全氮含量為3.05 g/kg。表明:由同樣蔬菜皮制得的環(huán)保酵素,置于冰箱內(nèi)存放1 a再使用,對土壤全氮的增加量提高1.30倍。說明冰箱存放并不影響環(huán)保酵素活性,而且活性增強。

        圖2 不同原料和保存期環(huán)保酵素澆灌土壤全氮含量比較圖Fig.2 Total nitrogen comparison of soil irrigated by garbage enzyme made by various materials with different storage time

        對照組土樣的全氮含量在試驗期間輕微變化,并于第4周后達到1.76 g/kg,接近背景值(1.78 g/kg)。第1周,對照組0組的全氮含量(1.48 g/kg)低于背景值(1.78 g/kg),是因為澆灌的沖淋作用導(dǎo)致土壤全氮含量一定程度的流失。隨后,全氮含量逐漸回升,并于第1周后,接近試驗土樣背景值,這種變化僅與澆灌效應(yīng)有關(guān)。

        4 討論

        環(huán)保酵素中的生物活性酶包括水解酶、淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶。微生物菌群主要為乳酸菌、酵母菌、霉菌,其中功能菌有纖維素降解菌、硝化細菌等[11]。用一定比例的環(huán)保酵素稀釋液澆灌土樣,可提高土壤全氮含量,因為土壤中存在兩種相對的作用[12]。環(huán)保酵素含有的厭氧菌具有反硝化作用可減少土壤全氮。通過反硝化作用,硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽,進一步在微生物的作用下生成氨氣。另一方面,環(huán)保酵素中的微生物可進行氨化作用,即有機質(zhì)被礦化,有機氮被分解為氨氣(或銨離子形式),進而提高土壤全氮含量。在這兩方面的共同作用下,用具有一定稀釋比的環(huán)保酵素稀釋液澆灌土樣,試驗土樣的全氮含量隨澆灌時間的增長表現(xiàn)出逐漸提高的趨勢,并在四周后達到最高值。制作環(huán)保酵素的原料不同,發(fā)酵產(chǎn)物的微生物種群和活性酶的組成和含量也不同。三種原料中,由火龍果皮制作的環(huán)保酵素具有較高活性。環(huán)保酵素制成后,置于冰箱存放(1 a)并不影響環(huán)保酵素活性。在低溫保存過程中,環(huán)保酵素仍持續(xù)釋放活性物質(zhì),所以一定的保存期可增加其活性。

        5 總結(jié)

        研究結(jié)果表明:環(huán)保酵素可以有效影響土壤全氮含量;隨著澆灌時間的延長,土壤全氮含量逐漸增長。發(fā)酵6個月后于冰箱內(nèi)保存1 a的蔬菜皮環(huán)保酵素,澆灌四周后全氮含量最高,其對土樣全氮含量的影響最大。發(fā)酵6個月的3種環(huán)保酵素中,火龍果皮環(huán)保酵素具有較高的活性,其次是蘋果皮,最后是蔬菜皮。由同樣蔬菜皮制得的環(huán)保酵素,發(fā)酵6個月后使用和冰箱內(nèi)存放1 a再使用,后者對土壤全氮含量的影響變強,說明存放并不影響環(huán)保酵素中的活性酶活性。

        環(huán)保酵素與環(huán)境相容,其制作方法簡單、且制造過程不使用任何化學(xué)合成物質(zhì),無二次污染。自制環(huán)保酵素使生活垃圾減量化、資源化。環(huán)保酵素在生活中有很多用途,更可被應(yīng)用于環(huán)境污染治理領(lǐng)域。環(huán)保酵素具有生態(tài)效益和社會效益,適宜大力推廣。

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