厨余生化机产物的种子发芽指数及影响因素研究

周欣 熊传教 李子东 张俊文 刘可星

摘要： 【目的】确定厨余生化机产物腐熟度及Na+、小分子有机酸与种子发芽指数（Seed germination index，GI） 的关系，促进厨余生化机产物的资源化利用及推广，同时，开拓固碳于土壤达到碳中和目标的新技术途径。【方法】利用萝卜Raphanus sativus 种子测定厨余生化机产物的GI，并模拟不同浓度Na+、小分子有机酸溶液，分析其对GI 的影响。【结果】厨余生化机产物的GI 为1.53%，不满足堆肥基本腐熟的标准（GI≥50%），厨余生化机产物浸提液稀释10 倍时，溶液中Na+质量浓度为75.25 mg/L，GI 为43.73%。模拟试验结果显示，随着Na+浓度的升高，GI 呈下降趋势，当Na+质量浓度为1 200 mg/L 时，GI 为52.86%。随着小分子有机酸浓度的增加，GI 呈下降趋势，当乙酸和乳酸质量浓度高于100 mg/L、丙酸和丁酸质量浓度高于50 mg/L 时，GI 小于50%。丙酸、丁酸对GI 的影响强于乙酸、乳酸。【结论】厨余生化机产物的GI 未达到堆肥基本腐熟的标准，制约其未达标的主要影响因素是厨余垃圾降解产生的小分子有机酸，而非其含盐量。

关键词： 厨余垃圾；资源利用；种子发芽指数；Na+；小分子有机酸

中图分类号： X799文献标志码： A 文章编号： 1001-411X（2023）02-0239-06

我国厨余垃圾产量居世界第一，随着垃圾分类政策实施，分出量剧增的厨余垃圾急需高效、合理的处理方式[1-2]。厨余生化机采用好氧堆肥原理，通过添加菌种，控制温度、湿度等堆肥优化条件[3]，可将厨余垃圾处理时间缩至24 h，促进厨余垃圾就地处理，减少运输过程中产生的二次污染[4]，已在国内城市中得到广泛应用。相较于周期为14～60 d 的常规有机废弃物堆肥[5-8]，厨余生化机处理时间大幅缩短，其产物是否达到堆肥基本腐熟标准鲜见报道。种子发芽指数（Seed germination index，GI） 既考虑了种子的发芽率，也考虑了毒性物质对种子生根的影响[ 9 ]，是检验和评价腐熟度的综合性生物学指标。同时，种子发芽指数是最新修订的有机肥标准《有机肥料NY/T 525—2021》新增指标之一，也是有机废弃物资源化利用的前提[10-12]。因此，研究厨余生化机产物的GI 具有十分重要的意义。

厨余垃圾因食盐（NaCl） 的添加而含有较高的盐分，有别于其他有机废弃物，其盐分易在堆肥降解过程中积累[13]。利用NaCl 模拟盐碱地的盐分浓度，通过种子发芽试验和育苗栽培试验发现，在NaCl 胁迫下，不同种子的发芽和根系的生长均受到影响[14-17]，当Na+浓度过高时，直接抑制植物发芽阶段的生长和分化[18-19]，但目前研究中，对于厨余垃圾中盐分是否直接限制GI 的研究鲜见报道。此外，厨余垃圾中易生物降解性有机质（如蛋白质、淀粉和脂肪等） 在堆肥前期被迅速降解，导致堆体中的小分子有机酸（乙酸、丙酸、丁酸和乳酸） 大量积累[20-21]。小分子有机酸通常对种子发芽有抑制作用，Levi-Minzi 等[22] 的研究表明，经不同有机酸（挥发性脂肪酸、酚酸等） 处理的小麦种子，其种子发芽率均受到不同程度的抑制。秸秆厌氧发酵产物（乙酸、丙酸、丁酸等）[23] 和植物根系分泌的小分子有机酸[24] 也对种子发芽和根系的生长具有显著抑制作用。

厨余生化机快速堆肥研究多集中于工艺改善，而对其产物腐熟效果鲜有关注。因此，本试验以厨余生化机产物为研究对象，测定其种子发芽指数，评估腐熟程度。在此基础上，通过模拟试验，分析不同浓度Na+、小分子有机酸对GI 的影响，为厨余生化机产物后续资源化利用提供理论依据，开拓固碳于土达到碳中和目标的新技术途径。

1 材料与方法

1.1 材料

供试萝卜Raphanus sativus 种子的品种为‘翡翠二号，购于兴宁市庆丰盈科种子有限公司。厨余生化机产物取自广州市番禺区大石镇，由某餐厨降解设备有限公司提供。厨余生化机产物的基本理化性质：有机质质量分数为62.56%，pH 为6.05，含水率（w） 为13.63%，电导率为5 767 μS/cm，总氮（Total nitrogen， TN） 质量分数为4.26%，P2O5 质量分数为2.59%，K2O 质量分数为0.68%，GI 为1.53%，As、Hg、Cr、Cd 和Pb 的质量分数分别为0.17、0.01、6.76、0.25 和2.03 mg/kg，每千克杂草种子活性为0 株，蛔虫卵死亡率为100%，每克粪大肠菌群数为0 个。

氯化钠（NaCl），分析纯，广州化学试剂厂生产；小分子有机酸： 乙酸（ C H 3 C O O H ） 、丙酸（CH3CH2COOH）、丁酸（C4H8O2） 和乳酸（C3H5O3），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产。

1.2 方法

1.2.1 厨余生化机产物的种子发芽指数试验 将10.00 g 厨余生化机产物（鲜样） 置于250 mL 的塑料瓶中，按固、液质量比为1︰10 添加100 mL 蒸馏水，于振荡器以150 r/min 振荡1 h 后过滤，过滤所得即为浸提液。将该浸提液稀释5、10 和50 倍，测定各稀释液的GI，测定方法参见文献[25]。

同时，测定上述溶液的电导率和N a +浓度。Na+浓度采用火焰光度计（FP6410 型） 测定，电导率我国厨余垃圾产量居世界第一，随着垃圾分类政策实施，分出量剧增的厨余垃圾急需高效、合理的处理方式[1-2]。厨余生化机采用好氧堆肥原理，通过添加菌种，控制温度、湿度等堆肥优化条件[3]，可将厨余垃圾处理时间缩至24 h，促进厨余垃圾就地处理，减少运输过程中产生的二次污染[4]，已在国内城市中得到广泛应用。相较于周期为14～60 d 的常规有机废弃物堆肥[5-8]，厨余生化机处理时间大幅缩短，其产物是否达到堆肥基本腐熟标准鲜见报道。种子发芽指数（Seed germination index，GI） 既考慮了种子的发芽率，也考虑了毒性物质对种子生根的影响[ 9 ]，是检验和评价腐熟度的综合性生物学指标。同时，种子发芽指数是最新修订的有机肥标准《有机肥料NY/T 525—2021》新增指标之一，也是有机废弃物资源化利用的前提[10-12]。因此，研究厨余生化机产物的GI 具有十分重要的意义。

厨余垃圾因食盐（NaCl） 的添加而含有较高的盐分，有别于其他有机废弃物，其盐分易在堆肥降解过程中积累[13]。利用NaCl 模拟盐碱地的盐分浓度，通过种子发芽试验和育苗栽培试验发现，在NaCl 胁迫下，不同种子的发芽和根系的生长均受到影响[14-17]，当Na+浓度过高时，直接抑制植物发芽阶段的生长和分化[18-19]，但目前研究中，对于厨余垃圾中盐分是否直接限制GI 的研究鲜见报道。此外，厨余垃圾中易生物降解性有机质（如蛋白质、淀粉和脂肪等） 在堆肥前期被迅速降解，导致堆体中的小分子有机酸（乙酸、丙酸、丁酸和乳酸） 大量积累[20-21]。小分子有机酸通常对种子发芽有抑制作用，Levi-Minzi 等[22] 的研究表明，经不同有机酸（挥发性脂肪酸、酚酸等） 处理的小麦种子，其种子发芽率均受到不同程度的抑制。秸秆厌氧发酵产物（乙酸、丙酸、丁酸等）[23] 和植物根系分泌的小分子有机酸[24] 也对种子发芽和根系的生长具有显著抑制作用。

厨余生化机快速堆肥研究多集中于工艺改善，而对其产物腐熟效果鲜有关注。因此，本试验以厨余生化机产物为研究对象，测定其种子发芽指数，评估腐熟程度。在此基础上，通过模拟试验，分析不同浓度Na+、小分子有机酸对GI 的影响，为厨余生化机产物后续资源化利用提供理论依据，开拓固碳于土达到碳中和目标的新技术途径。

1 材料与方法

1.1 材料

供试萝卜Raphanus sativus 种子的品种为‘翡翠二号，购于兴宁市庆丰盈科种子有限公司。厨余生化机产物取自广州市番禺区大石镇，由某餐厨降解设备有限公司提供。厨余生化机产物的基本理化性质：有机质质量分数为62.56%，pH 为6.05，含水率（w） 為13.63%，电导率为5 767 μS/cm，总氮（Total nitrogen， TN） 质量分数为4.26%，P2O5 质量分数为2.59%，K2O 质量分数为0.68%，GI 为1.53%，As、Hg、Cr、Cd 和Pb 的质量分数分别为0.17、0.01、6.76、0.25 和2.03 mg/kg，每千克杂草种子活性为0 株，蛔虫卵死亡率为100%，每克粪大肠菌群数为0 个。

氯化钠（NaCl），分析纯，广州化学试剂厂生产；小分子有机酸： 乙酸（ C H 3 C O O H ） 、丙酸（CH3CH2COOH）、丁酸（C4H8O2） 和乳酸（C3H5O3），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产。

1.2 方法1.2.1 厨余生化机产物的种子发芽指数试验 将10.00 g 厨余生化机产物（鲜样） 置于250 mL 的塑料瓶中，按固、液质量比为1︰10 添加100 mL 蒸馏水，于振荡器以150 r/min 振荡1 h 后过滤，过滤所得即为浸提液。将该浸提液稀释5、10 和50 倍，测定各稀释液的GI，测定方法参见文献[25]。

同时，测定上述溶液的电导率和N a +浓度。Na+浓度采用火焰光度计（FP6410 型） 测定，电导率用电导率仪（雷磁 DDS-11C 型） 测定。

1 . 2 . 2 钠离子的种子发芽指数试验 根据“1.2.1”试验所得厨余生化机产物的Na+浓度，设置Na+溶液浓度梯度水平。本试验中Na+质量浓度梯度设为400、800、1 200、1 600 和2 000 mg/L，测定不同浓度下的GI。

1.2.3 小分子有机酸的种子发芽指数试验 参照丁杰等[21] 的研究，试验选用乙酸、丙酸、丁酸、乳酸4 种小分子有机酸，每种小分子有机酸质量浓度梯度均设定为10、50、100、500 和1 000 mg/L，测定不同浓度小分子有机酸条件下的GI。

1.3 种子发芽指数测定方法[25]

种子发芽指数的测定步骤：吸取5 mL 浸提液或试验溶液于垫有2 张滤纸（直径70 mm） 的培养皿（直径90 mm） 中，均匀地放入籽粒饱满、大小一致的10 颗萝卜种子，并以加去离子水为对照（CK），每个处理重复3 次。在（25±2） ℃ 的培养箱中避光培养48 h，记录种子发芽（以胚芽突破种皮2 mm 为准） 的个数，并测定根长。

种子发芽指数GI 的计算公式：

GI = X1X2=Y1Y2 _100%，

式中：X1 为浸提液或试验溶液的种子发芽率，%；X2 为浸提液或试验溶液的种子根长，mm；Y1 为去离子水的种子发芽率，%；Y2 为去离子水的种子根长，mm。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019 软件进行处理，SPSS26.0 软件进行数据间多重比较，Originpro 2021 进行作图。

2 结果与分析

2.1 厨余生化机产物的种子发芽指数

目前用于堆肥腐熟评价的种子发芽指数（GI），已有了可参考的量化标准，一般认为：当G I≥50% 时，堆肥达到基本腐熟的标准；GI≥80%，则堆肥完全腐熟[10]。最新版修订的有机肥标准中新增了GI 指标，首次规定堆肥产物 GI≥70% 的安全施用标准。由表1 可知，厨余生化机产物的GI 为1.53%，既未达到有机肥新标准，也不满足堆肥基本腐熟的标准。

将测定种子发芽指数的浸提液进行稀释，分析不同稀释倍数浸提液的Na+浓度和对应的GI 变化。由表1 可以看出，随着稀释倍数的升高，溶液中Na+含量下降，而GI 呈上升趋势，且各处理间的GI 均有显著性差异。浸提液稀释10 倍时，Na+质量浓度为75.25 mg/L，GI 为43.73%，仍小于50%，3 个稀释倍数的GI 中，仅稀释50 倍的GI 大于50%。依据厨余生化机产物浸提液Na+质量浓度为752.44 mg/L，由此可得，厨余生化机产物的含盐量（w） 为1.66%。随着稀释倍数的增加，电导率呈下降趋势，Na+浓度与电导率正相关。

2.2 不同浓度钠离子的种子发芽指数

图1 为不同浓度Na+ 的GI 结果，由图1 可知，随着Na+浓度的升高，GI 呈下降趋势。与400 mg/L Na+相比，800 和1 200 mg/L Na+的GI 分别下降了10.54% 和25.20%，但400 和800 mg/L Na+的GI 无显著差异，而1 200 mg/L Na+的GI 则显著低于400mg/L Na+的GI；1 600 mg/L Na+与2 000 mg/L Na+的GI 无显著性差异，且均显著低于其他Na+浓度的GI，GI 小于50%。整体来看，Na+浓度水平与GI 负相关（r＝?0.912，P < 0.05）。当Na+质量浓度为1 200mg/L 时，其GI 为52.86%，高于堆肥基本腐熟标准（GI≥50%）。假定厨余垃圾的Na+质量浓度为1 200mg/L，由此，可推算厨余垃圾的含盐量（w） 应为2.66%。

2.3 不同浓度小分子有机酸的种子发芽指数

小分子有机酸的GI 测定结果见图2，随着小分子有机酸浓度的增加，GI 整体变化趋势大致相同，均呈下降趋势。不同浓度乙酸的GI 结果见图2A，10 mg/L 乙酸的GI 显著高于其他浓度乙酸的GI，50 和100 mg/L 乙酸的GI 无显著性差异，但两者的GI 均大于50%，500 和1 000 mg/L 乙酸的GI 之间无显著性差异，且GI 均小于50%。不同浓度丙酸的GI 测定结果见图2B，除500 和1 000 mg/L丙酸的GI 之间无显著差异以外，10、50、100 和500m g / L 丙酸的G I 之间均有显著性差异；与1 0m g / L 丙酸相比， 5 0 m g / L 丙酸的G I 下降了39.34%，但GI 大于50%。图2C 结果显示，10 和50mg/L 丁酸的GI 大于100%，两者之间无显著差异，但显著高于其他3 个丁酸浓度的GI。不同浓度乳酸的GI 測定结果见图2D，10 mg/L 乳酸的GI 显著高于其他浓度乳酸的GI，与10 mg/L 乳酸相比，50 和100 mg/L 乳酸的GI 分别下降了26.02% 和4 3 . 0 4 % ， 但两者之间差异不显著，仅5 0 0 和1 000 mg /L 乳酸的GI 小于50%。

乙酸、乳酸质量浓度高于100 mg/L 时，GI 小于50%，而丙酸、丁酸质量浓度高于50 mg/L 时，其GI 小于50%。可见，丙酸、丁酸对GI 的影响强于乙酸、乳酸。

3 讨论与结论

Na+通过渗透效应、离子毒性或两者结合影响种子发芽，在较高盐度的环境中，水势的下降和Na+的积累可以构成限制种子发芽和幼苗形成的胁迫因子，细胞内高浓度的Na+可抑制细胞分裂和新陈代谢，阻碍种子发芽 [26-27]。本研究模拟试验及不同稀释倍数浸提液试验中，Na+浓度均与种子发芽率呈负相关。不同Na+浓度的模拟试验结果表明，当Na+质量浓度为1 200 mg/L 时，GI 为52.86%。浸提液稀释10 倍的GI 为43.73%，其Na+质量浓度为75.25 mg/L。厨余生化机产物浸提液是含有多种成分（Na+、小分子有机酸和NH4+等） 的混合液，与单一Na+模拟试验相比，在GI 相近的情况下，浸提液的Na+浓度远低于模拟试验，这表明，制约厨余生化机产物GI 的主要影响因子不是Na+，而是其他因子。本研究供试厨余生化机产物含盐量（ w） 为1 . 6 6 %，文献中报道的厨余垃圾含盐量一般在0.24%～1.34%[19， 28-30]，两者均低于模拟试验条件下达到基本腐熟标准（ G I ≥ 5 0 % ） 的含盐量（ w 为2.66%）。由此可知，厨余垃圾的含盐量不是制约厨余生化机产物腐熟的主要影响因子。

本研究中不同种类小分子有机酸的GI 变化趋势大致相同，随着小分子有机酸浓度的增加，GI 均呈下降趋势，但不同浓度的小分子有机酸对GI 的影响不同，乙酸、乳酸质量浓度高于100 mg/L 和丙酸、丁酸质量浓度高于5 0 m g / L 的G I 均小于50%。其他研究也表明，低浓度小分子有机酸对种子发芽率具有抑制作用，当乙酸、丙酸和丁酸质量浓度分别高于60、37 和144 mg/L 时，滇水金凤Brassica oleracea 种子发芽率受到抑制，随着浓度的增加而抑制作用逐渐加强[24]，这与本研究模拟试验GI 变化趋势一致，且开始抑制滇水金凤种子发芽率的小分子有机酸浓度与达到基本腐熟的小分子有机酸浓度相近。当有机酸浓度过高时，甘蓝Impatiens uliginosa 种子仅经过丙酸、乳酸浸泡0.5 h，复水后，其发芽率明显下降[31]。丁杰等[21]研究了厨余垃圾堆肥过程中小分子有机酸含量的变化，堆肥第1 天，产生的乙酸、丙酸、丁酸和乳酸质量浓度分别为1 709、1 371、1 405 和1 703 mg/L，至堆肥第17 天结束时，乙酸、丙酸、丁酸和乳酸质量浓度仍分别高达760、656、788 和880 mg/L，然而该试验仅研究小分子有机酸的变化，未对GI 的变化进一步研究。本研究通过小分子有机酸的种子发芽指数模拟试验发现，乙酸、丙酸、丁酸和乳酸质量浓度1 0 0 m g / L 的G I 分别为5 7 . 3 7 % 、3 4 . 9 0 % 、42.38% 和53.45%，厨余生化机堆肥降解产生的各小分子有机酸易达到模拟试验条件下基本腐熟的小分子有机酸浓度，因此，小分子有机酸是抑制厨余生化机产物腐熟的主要影响因子。

本试验研究表明，厨余生化机产物的GI 仅为1.53%，未达有机肥新标准（GI≥70%），也不满足堆肥基本腐熟标准（GI≥50%），而未腐熟的厨余生化机产物施到土壤中会对植物生长产生不良影响，因此，当前工艺条件下的厨余生化机产物，其资源化利用途径受限。本研究供试厨余生化机产物除腐熟指标GI 外，其他指标均满足有机肥新标准。模拟试验结果表明，小分子有机酸是制约厨余生化机产物腐熟的主要影响因素。为促进厨余生化机产物小分子有机酸降解，后续可通过适当延长厨余生化机处理时间、添加菌种加速小分子有机酸降解等工艺的研究，或者对厨余生化机产物进行常规好氧堆肥，进而消除小分子有机酸对GI 的影响，以此使厨余生化机产物满足有机肥标准。本研究的模拟试验仅考虑单一因素的影响，而厨余生化机产物含有有机酸、Na+、油脂等危害物质，后续的研究中，应考虑多种危害物质的叠加抑制作用对种子发芽指数的影响，这对于促进厨余生化机产物腐熟更有实际意义。将厨余生化机产物以有机肥的形式施入土壤中，可增强土壤固碳能力，提高土壤有机质含量，解决我国土壤有机质含量普遍不高的问题[32]，从而开拓固碳于土的碳中和新技术途径，促进土壤健康，实现农业绿色发展。

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【责任编辑 李晓卉】