2.2 堆肥过程富里酸的电子转移能力
2.2.1 基于微生物法的富里酸电子转移能力特征
堆肥过程中富里酸介导S.oneidensis MR-1还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐如图2-3所示。由图2-3可知，不同样品中富里酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原作用各不相同，鸡粪堆肥仅腐熟期的富里酸促进了Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原，升温期与高温期的鸡粪中富里酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原作用并不明显，说明在鸡粪中，随着堆肥的进行，富里酸的电子转移能力呈增加趋势。牛粪中富里酸的电子转移能力与污泥较为类似，均未起到明显的电子转移作用，这是由不同物料堆肥过程中形成的富里酸中与电子转移能力相关的功能基团的含量差异而导致的［10］。从图2-3中还可以看出，升温期与腐熟期的富里酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原存在抑制作用，这可能是由于微生物降解有机质形成中间产物与Fe（Ⅲ）竞争电子，导致其还原量相比对照组有所降低。
图2-3
图2-3 堆肥过程中富里酸介导S.oneidensis MR-1还原Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐
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
果蔬、杂草、枯枝及秸秆三个阶段中富里酸对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原均有促进作用，说明纤维素与木质素降解过程中产生的富里酸具有一定的电子转移能力［11］，果蔬、杂草中Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原量为（2.5～3.5mmol/L），是CK1的0.5～2.0倍，要明显高于枯枝与秸秆，说明纤维素类样品中产生的富里酸电子转移能力强于木质素，这与其化学结构有直接关联。光谱结果表明，果蔬与杂草中富里酸的羧基、酚基及芳香基团含量要明显高于枯枝与秸秆中富里酸。对于果蔬，堆肥过程中富里酸介导Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐还原量的顺序依次是：高温期>腐熟期>升温期；而在杂草中，其还原量的顺序大小依次为：腐熟期>高温期>升温期。在枯枝与秸秆中，不同阶段富里酸的电子转移能力无明显差异。
由此可以看出，在微生物作电子驱动力条件下，并非所有堆肥过程中产生的腐植酸（胡敏酸与富里酸）都具有明显的电子转移功能。蛋白类含量较高的物料（鸡粪、牛粪），无论是胡敏酸还是富里酸，其电子转移能力均未对Fe（Ⅲ）-柠檬酸盐的还原起到明显的促进作用，反而对其产生抑制作用，这是由于蛋白类物质形成的腐植酸结构相对简单［12］，堆肥周期较短，尚未形成具有稳定结构的功能基团；纤维素类物料在堆肥过程中的腐植酸（胡敏酸与富里酸）电子转移能力最强，说明此类物料中更易形成具电子转移能力的功能基团，且不易被微生物降解。
2.2.2 基于电化学法的富里酸电子转移能力特征
富里酸中电子供给能力在堆肥三个阶段的变化及分布如图2-4（a）所示，平均值从大到小依次是：鸡粪>牛粪>污泥>杂草>果蔬>枯枝>秸秆，这与胡敏酸中电子供给能力的变化趋势较为类似，蛋白类物料形成的富里酸结构中供电子基团（酚基、羧基）较多，对富里酸电子供给能力影响显著。不同物料富里酸电子供给能力在堆肥过程中均呈现先升高后降低的趋势，这与前文结果一致，即供电基团（羧基、酚基）在堆肥的高温期含量最高。由于羧基、酚基及游离氨基酸是腐植酸形成的重要前体物质［13］，在腐植酸大量形成的腐熟期，此类功能基团含量较少。图2-4（b）为不同物料堆肥过程中富里酸电子接受能力变化，从图中可以看出，不同物料电子接受能力相差不大，并且堆肥不同阶段电子接受能力值也无明显的变化规律。这可能是由于富里酸中含有大量的酸性基团，且芳香性相对较弱，并且酸性基团组成具有更多的随机性［14］。
图2-4 7种物料堆肥过程中富里酸的电子转移能力
—升温期；
—高温期；
—腐熟期；
CM—鸡粪；DCM—牛粪；FVW—果蔬；WW—杂草；SW—秸秆；GW—枯枝；SS—污泥
胡敏酸的电子接受能力在高温期最高，这可能与胡敏酸的结构和功能基团有关。由于堆肥是有机质降解与腐殖化共存的过程，在该过程中糖类和蛋白质能够优先被微生物降解利用，形成简单的有机小分子物质，而后小分子物质再进一步合成酚基、氨基酸及醌基等功能基团，致使电子接受能力增强。高温期后，醌基、酚基、羧基及氨基酸等基团可以自我缩合转化为结构更为复杂的大分子物质，导致氧化还原功能基团数量减少［15-17］，电子接受能力随之降低。并且堆肥腐熟期胡敏酸结构更为复杂，其中接受外源电子的氧化还原基团对外源电子供体的敏感程度不一致，导致腐熟期胡敏酸电子转移能力有所降低。这结论也进一步证实了胡敏酸电子转移能力与酚羟基、羧基及醌基等芳香化基团含量呈正相关，而与芳香性呈负相关［18］。与胡敏酸不同，富里酸中电子供给能力与电子接受能力均呈逐渐上升的趋势。这与富里酸的紫外光谱SUVA290变化一致，即醌基含量在堆肥腐熟期达到最高值，因此其电子转移能力随堆肥过程进行而增强。
通过对腐植酸组分电子转移能力比较可以发现（图2-5），在堆肥的任何阶段，胡敏酸电子接受能力平均分布均显著高于富里酸，而电子供给能力与之相反，这与Yang等［6］研究结论一致，电子接受能力主要源于酚、醌等芳香族化合物［19，20］。与胡敏酸相比，富里酸的分子结构简单，酸性较强，具有更多的随机性，并且富里酸中有丰富的含氧基团，如羰基、羧基、脂醚等，此类官能团的供电子能力较强，更易被还原［21，22］，因此电子供给能力相对较高。
图2-5 堆肥不同阶段胡敏酸与富里酸的电子转移能力
HA—胡敏酸；FA—富里酸；1—升温期；2—高温期；3—腐熟期
从图2-5还可以看出，胡敏酸与富里酸的电子接受能力与电子供给能力并非均随堆肥时间延长呈增加趋势，这与He等［10］认为堆肥过程增加了腐植酸的芳香性从而提升了相应的电子转移能力这一结论有所不同。这主要是由于多种具有氧化还原功能的关键基团并非随堆肥过程呈增加趋势，因此，腐植酸的芳香性不能够表征有机质的电子转移能力。腐植酸结构中氧化还原功能基团所占比例才是腐植酸还原特性的关键决定因子［23］。