全 文 ：中国生态农业学报 2011年 11月 第 19卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2011, 19(6): 1399−1404


* 国家自然科学基金项目(40771109, 40871119)、科技部星火计划项目(2008GA850013, 2008GA850007)和农业部 948项目(2010-Z20)资助
** 通讯作者: 谷洁(1963~), 男, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事农业废弃物生物腐解、腐解产物资源化利用以及有机肥和生物有
机肥研究。E-mail:gujoyer@sina.com.cn
张卫娟(1984~), 女, 硕士研究生, 主要从事农业废弃物的资源化利用。E-mail: weijuan1106@163.com
收稿日期: 2011-02-14 接受日期: 2011-05-30
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.01399
Cu对猪粪堆肥过程中堆料性质和氧化
还原类酶活性的影响*
张卫娟1 谷 洁1** 刘 强2 高 华1 郭星亮3
(1. 西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学林学院 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学理学院 杨凌 712100)
摘 要 以猪粪和秸秆为主要试验材料, 添加不同浓度重金属 Cu, 采取发酵罐处理方法, 在好氧高温条件下
研究了重金属 Cu 对猪粪堆肥过程中多酚氧化酶、脱氢酶活性的变化, 以及堆腐过程堆体温度、堆料 pH、胡
敏酸 E4/E6 值变化的影响。结果表明: 不添加外源重金属 Cu 的 CK 处理在降温期堆温高于 Cu 含量为 100
mg·kg−1、500 mg·kg−1的堆料; CK堆料 pH最低点为 5.94, E4/E6平均值为 3.88。Cu含量为 500 mg·kg−1的堆料
pH最高点为 8.85, E4/E6平均值为 3.68。Cu含量为 100 mg·kg−1的堆料升温快, 高温期持续时间长, 最高温度
高于 CK和 Cu含量为 500 mg·kg−1的堆料, 能有效杀灭病原微生物, 达到无害化处理要求; 堆料 pH控制在 7~8
之间, E4/E6大多情况低于 CK和 Cu含量为 500 mg·kg−1的堆料, 多酚氧化酶平均活性、脱氢酶平均活性均最
高, 但在脱氢酶活性测定中表现出“抗性酶活性现象”。
关键词 猪粪 重金属 Cu 堆料理化性质 多酚氧化酶活性 脱氢酶活性
中图分类号: S141.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)06-1399-06
Effect of heavy metal Cu on compost materials property and
oxidoreductase activity during pig waste composting
ZHANG Wei-Juan1, GU Jie1, LIU Qiang2, GAO Hua1, GUO Xing-Liang3
(1. College of Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. College of Forestry, Northwest
A & F University, Yangling 712100, China; 3. College of Sciences, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)
Abstract Changes in polyphenoloxidase and dehydrogenase activities, temperatures, pH and E4/E6 ratio of humic acids during
aerobic fermentation and thermophilic aerobic state of compost materials during pig waste composting were determined in this
study. The aim of the study was to lay the fundamental groundwork for learning biological behaviors during composting of heavy
metal Cu-treated compost. Pig manure and straw were used as experimental compost materials in three treatments — low content
(100 mg·kg−1) heavy metal Cu treatment (A1), high content (500 mg·kg−1) heavy metal Cu treatment (A2) and non-heavy metal
Cu treatment (CK). The results showed that temperature was higher in CK than in A1 and A2 treatments during compost cooling
phase. The lowest pH and average E4/E6 of CK were 5.94 and 3.88. The highest pH and average E4/E6 were 8.85 and 3.68 for A2
in the study. Temperature rise was fastest in A1, with higher temperatures and longer high temperature duration than in the other
treatments. This effectively destroyed pathogens and reached harmless conditions at the end of the composting experiment. Under
A1 treatment, pH was 7~8 and E4/E6 was for most of the time lower than in CK and A2. Polyphenoloxidase and dehydrogenase
activities in A1 were the highest. However, dehydrogenase activity occurred concurrently with other processes that resisted en-
zyme activity.
Key words Pig manure, Heavy metal Cu, Property of compost materials, Polyphenoloxidase activity, Dehydrogenase activity
(Received Feb. 14, 2011; accepted May 30, 2011)
1400 中国生态农业学报 2011 第 19卷


近年来, 随着畜牧业的迅速发展, 畜牧场规模
化和集约化程度不断提高, 未经处理的畜禽粪便大
量排放对养殖区域环境造成了严重的污染[1]。为促
进畜禽生长和养殖效率, 一些微量元素如 Cu、Zn等
被广泛添加到畜禽饲料中 [2], 致使大量未被畜禽吸
收的重金属(95%以上)积累在畜禽粪便中[3−4]。重金
属离子富集在微生物表面, 能够破坏细胞膜的功能
而进入细胞内部, 使某些细胞成分逸出, 同时与酶
蛋白结合 , 使酶的活性受到抑制 [5], 从而可能对堆
肥中的微生物产生一定的毒害作用。
将粪便进行无害化处理, 利用畜禽粪便和农作
物秸秆进行高温堆肥是处理畜禽粪便的主要途径。
畜禽粪便堆腐的研究已经有很长的历史, 但过去的
工作主要集中在堆腐条件的控制 [6−7]以及堆腐过程
中重金属形态的变化方面 [8], 而对于堆腐过程中重
金属对酶活性的影响涉及不多。由于堆腐过程是在
微生物及其分泌的酶作用下进行的, 研究酶活性的
变化可以进一步推断在重金属影响下畜禽粪便腐解
进程和机理。氧化还原酶是参与堆腐过程生物化学
反应的一类重要酶 , 研究氧化还原酶活性的变化 ,
可以推断堆腐过程腐殖质化进程和强度[9]。因此, 本
研究以农业废弃物为原料, 研究在重金属Cu影响下
堆腐过程中多酚氧化酶、脱氢酶活性、温度、E4/E6
值等指标在堆腐过程中的变化, 为揭示在重金属 Cu
影响下堆腐过程的生物行为提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验以农家养殖厂猪粪(农民以饲草和麦麸
养猪, 不含饲料添加剂)、菌棒(栽培香菇后的废料)
和秸秆为堆肥材料, 其原材料性质见表 1。
1.2 试验方法
本试验于 2010 年 4月 2~24日在西北农林科技大
学资源环境学院室外大棚进行。首先, 将小麦秸秆切
成 3~5 cm 长, 与农家猪粪、菌棒混合, 调节混合物 C/N
比为 30~35∶1[9], 加水使堆料水分含量在 55%~65%,
添加腐解复合微生物菌剂, 以加快发酵速度[10], 将以
上处理的混合有机物质分别装入堆肥装置中(图 1)。
试验模拟重金属Cu污染猪粪堆肥, 设 3个处理: 将配
好的堆料均分为 3 等份, CK 处理不添加外源重金属
Cu; A1处理添加 CuSO4溶液使 Cu在干糙堆料中的含
量为 100 mg·kg−1; A2处理添加 CuSO4溶液使 Cu在干
糙堆料中的含量为 500 mg·kg−1。堆料不同部位插有热
敏温度计(精度 0.1 ℃), 记录堆肥物料的温度变化。
定期从堆肥装置中部采样, 混匀, 冷藏 4 ℃冰箱用于
测定氧化还原类酶活性。堆肥腐熟后停止采样。

表 1 堆肥所用原材料的基本性质(烘干样)
Table 1 Physical and chemical properties of raw materials for composting (oven-dried base)
试验材料
Experiment material
有机碳
Organic C (g·kg−1)
全氮
Total N (g·kg−1)
全磷
Total P2O5 (g·kg−1)
全钾
Total K2O (g·kg−1)
C/N Cu (mg·kg−1)
猪粪 Pig manure 409.70 34.50 9.70 10.58 11.88 34.69
秸秆 Straw 394.32 5.74 0.47 27.39 68.70 15.10
菌棒 Mushroom-stick 317.20 13.30 5.72 32.80 23.85 38.71



图 1 堆肥发酵装置图
Fig. 1 Diagram of composting device
1: 装料、排气口 Entrance of material and vent; 2: 隔热层
Layer of heat insulation; 3: 出料口 Exit of material; 4: 进气口 En-
trance of air; 5: 温度传感器 Sensors of temperature.

1.3 堆肥装置
堆腐装置主要由 3个高 1. 0 m、内径 0.6 m、外
径 0.7 m 的圆柱形发酵罐(反应器)组成。发酵罐由双
层不锈钢构成外壳, 层间有 0.5 cm 厚的保温材料,
底部为带有小孔的不锈钢圆板, 堆腐材料混匀置于
其上, 空气从罐底部进入, 通过圆板的透气小孔进
入罐内, 穿过堆腐物料后从上部排出(图 1) 。
1.4 测定项目与方法
酶活性测定参照关松荫[11]的方法, 多酚氧化酶
活性测定采用乙醚萃取法, 脱氢酶活性测定采用甲
苯提取法, pH 测定用精密 pH 计(PHS-3C)测定新鲜
样品与蒸馏水按 1∶10(W∶V)比例混合后的上清液,
E4/E6 值的测定用分光光度计测定蒸馏水浸提样分
别在 465 nm和 665 nm波长下的吸光值之比。
第 6期 张卫娟等: Cu对猪粪堆肥过程中堆料性质和氧化还原类酶活性的影响 1401


1.5 数据处理
测定数据利用 Microsoft Excel 2003进行数据初
步处理, 采用 SAS 6.12软件包进行统计方差分析。
2 结果与分析
2.1 重金属 Cu在堆肥过程中对堆料理化性质的影响
2.1.1 堆肥过程中温度的变化
堆体温度变化是堆肥进程的宏观反映, 也是影
响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素[12−13]。堆肥
温度的上升过程是堆肥起始温度、微生物代谢产热过
程以及堆肥蓄热作用的结果[14]。依据温度变化可将堆
肥分为 4个时期, 即升温期(由常温升到 50 )℃ 、高温
期(50~70 )℃ 、降温期(小于 50 )℃ 和腐熟保肥期(堆内
温度稍高于室内温度)[15]。堆体温度能在一定程度上
反映堆肥系统中的微生物及其分泌的酶活性, 因此
它是堆肥过程控制的一个重要指标[16−17]。
本研究中, 各处理堆肥体系温度变化趋势基本
相同(图 2), 分别出现了升温期、高温期、降温期和
腐熟保肥期, 经历了完整的堆肥过程。A1处理堆腐
第 3 d温度达到 55.63 , ℃ 高温期持续 4 d, 在整个堆
腐过程中最高温度达到 63.67 , ℃ 满足《农业废弃物
无害化处理标准》的规定: 堆体温度在 50~55 ℃以
上持续 5~7 d(或 55 ℃条件下保持 3 d以上)即可杀灭
病原微生物, 达到无害化处理。而 CK和 A2处理在
堆腐第 4 d上升到 50 , ℃ 高温期持续 2 d, 未达到无
害化要求。在升温期和高温期, A1处理堆体温度均
高于 CK和 A2处理, 在降温期 CK堆体温度高于 A1
和 A2 处理, 这可能是由于降温期以生物合成反应
为主 , 重金属的存在影响了微生物正常的生理功
能。在腐熟保肥期, 3个不同处理堆体温度大小顺序
为: A1>CK>A2。可能是由于堆料中的有机物被微生



图 2 不同 Cu浓度处理堆肥进程中堆料温度的变化
Fig. 2 Changes of temperature during composting under dif-
ferent Cu concentrations
A1: 100 mg·kg−1 Cu; A2: 500 mg·kg−1 Cu. 下同 The same below.
物降解形成稳定的腐殖质, 带负电荷的腐殖质有吸
附阳离子的作用 , 同时腐殖质还具有鳌合作用 [18],
与Cu反应降低了对微生物的毒害作用, 而低浓度的
重金属是微生物新陈代谢所必需的微量元素, 能够
促进微生物的生长。不同处理堆体温度变化表明 :
畜禽粪便中低含量重金属Cu使得堆料升温较快, 高
温期持续时间长。
2.1.2 堆肥过程中 pH的变化
pH 是影响微生物生长以及酶活性的重要因素
之一。一般微生物适宜的 pH环境是中性或微碱性 ,
pH 太高或太低 , 都会影响堆肥反应的正常进行。
在堆肥进程中 , pH 随时间和温度的变化而变化。
有研究表明 , pH 控制在 8 左右可以显著提高堆肥
反应速度 , 避免由于堆肥反应延缓所造成的臭味
问题。
从图 3 可以看出, 不同 Cu 浓度处理各堆料 pH
变化趋势相似。堆腐初期各处理 pH基本为中性, 随
着温度的升高(0~4 d), 猪粪中大量铵态氮转化为氨
气释放, pH 迅速上升; 随着堆肥的进行以及温度的
降低, 氨释放量减少, 同时有机质分解产生的有机
酸起到中和作用, 使 pH 降低; 之后 pH 又开始上升
并逐渐趋于稳定, 堆肥完成时 pH为 8.2左右。从不
同处理来看, CK由于没有外源重金属的影响, pH相
对较低, 最低点为 5.94, 不利于葡萄糖和蛋白质的
降解。有研究表明, 在酸性条件下, 重金属主要以离
子态存在, 且 pH 越低, 游离态的重金属数量就越大,
活性越强, 对生物的毒害就越高, 不利用微生物正
常的新陈代谢[19]。A2处理 pH过高, 最高点为 8.58,
会增加氨气的产生, 导致氮素的损失。A1 处理 pH
控制在 7~8 之间, 中性或微碱性的环境有利于微生
物增长, 同时可以使微生物有效地发挥作用, 从而
获得最大堆肥效率[20]。



图 3 不同 Cu浓度处理堆肥过程中堆料 pH的变化
Fig. 3 Changes of pH during composting under different
Cu concentrations

1402 中国生态农业学报 2011 第 19卷


2.1.3 堆肥过程中 E4/E6值的变化
胡敏酸在 465 nm和 665 nm处光密度的比值通
常用来作为腐殖质的缩合度和芳构化程度的重要指
标, 以 E4/E6表示, 通常该值越低, 表明腐殖质的缩
合度和芳构化程度越高, 分子量越大[21]。
由图 4 可见, 不同浓度重金属的堆料, 堆腐初
期胡敏酸 E4/E6 比值变化趋势基本一致, 随温度上
升而增高, 大小顺序为 CK>A2>A1, 且各处理在堆
腐第 4 d 同时达到堆腐期胡敏酸 E4/E6 比值的最高
值, CK高峰值为 4.84, A1高峰值为 4.08, A2高峰值
为 4.59。随着堆腐进程的进行, 各处理 E4/E6 比值
呈下降趋势 , CK 在腐熟保肥期 E4/E6 比值在
2.95~3.30之间, A1处理在 2.81~3.16之间, A2处理在
2.72~3.18之间。在整个堆腐期间, CK处理 E4/E6平
均值为 3.88, A1处理平均值为 3.53, A2处理平均值
为 3.68。在堆腐过程中, A1处理大多数情况下低于
CK 和 A2 处理。结合堆腐过程中堆料温度的变化,
可以看到 A1 处理高温期 (第 3~6 d)持续时间比
CK(第 4~5 d)和 A2处理(第 4~5 d)长, 更有利于有机
物料的矿化和腐殖化。堆腐不同阶段胡敏酸 E4/E6
比值的变化表明低浓度重金属能促进腐殖质的缩合
和芳构化, 加快畜禽粪便的腐殖化。



图 4 不同 Cu浓度处理堆肥过程中堆料 E4/E6的变化
Fig. 4 Changes of E4/E6 during composting under
different Cu concentrations

2.2 重金属 Cu 在堆肥过程中对氧化还原类酶活性
的影响
堆肥过程中一切生物化学过程都是在微生物及
其分泌的各种酶的参与下进行的, 酶活性的大小直
接影响堆肥进程和发酵强度[22]。氧化还原酶是参与
堆腐过程的一类重要酶, 研究氧化还原酶活性的变
化, 可以推断堆腐过程腐殖质化进程和强度。
2.2.1 堆肥过程中多酚氧化酶活性的变化
多酚氧化酶不仅能催化秸秆中含量高又不易分
解的木质素的降解, 还直接参与环境中酚类物质的
转化生成醌, 而醌是与氨基酸等通过一系列生物化
学过程形成最初腐殖酸分子的基础[23]。
图 5 为堆肥过程中不同处理多酚氧化酶活性变
化。由图可见, 有外源重金属 Cu影响的 A1、A2处
理多酚氧化酶活性变化趋势基本相同。A1、A2处理
在堆腐第 4 d同时达到酶活性最高值[30.62 mg(没食
子素)·g−1·h−1和 22.62 mg(没食子素)·g−1·h−1], 此时也
是 A1、A2处理堆料温度的最高值(63.67 ℃和 55.68
), ℃ 但 A1 处理的多酚氧化酶活性和堆料温度均高
于 A2处理。对照处理在堆腐初期酶活性与温度变化
关系不大。堆腐中期各处理多酚氧化酶活性均较低,
堆腐后期随着温度的降低, 多酚氧化酶活性呈增长
趋势。



图 5 不同 Cu浓度处理堆肥过程中堆料多酚
氧化酶活性变化
Fig. 5 Changes of polyphenol oxidase activity during
composting under different Cu concentrations

从堆肥过程中多酚氧化酶的平均活性来看(表
2), A1 处理的平均多酚氧化酶活性最高, 为 19.34
mg (没食子素)·g−1·h−1, 比 CK高 71.76%, 比 A2处理
高 1.84%, 堆腐不同时期 3个处理相互之间差异明显
(P<0.05)。结果表明, 较低浓度重金属 Cu 对多酚氧
化酶活性有激活效应[24], 有助于堆料中木质素的降
解, 催化醌与氨基酸合成胡敏酸。
2.2.2 堆肥过程中脱氢酶活性的变化
堆肥过程中有机物的生物降解一般属于脱氢过
程, 脱氢酶的活性与生物氧化程度相关联, 其活性
反映堆腐过程中有机质分解和微生物活动的强度。
由图 6 可见, 在整个堆腐期间, 外源重金属 Cu
影响下的 A1和 A2处理脱氢酶活性变化趋势基本相
同, 在堆腐过程中 A1和 A2处理均出现了几个高峰
和低谷, 且高峰和低谷出现的时间各异, 表现出一
定的不稳定性, 可能是重金属对脱氢酶活性有抑制
作用的同时发生“抗性酶活性”现象[25]。当重金属在
土壤中达到一定质量分数时 , 大部分微生物死亡 ,
而一小部分微生物在有毒物质污染下生存下来, 自
第 6期 张卫娟等: Cu对猪粪堆肥过程中堆料性质和氧化还原类酶活性的影响 1403


表 2 不同 Cu浓度处理不同堆制时期堆肥多酚氧化酶活性的变化特征
Table 2 Changes of polyphenol oxidase activity under different concentrations of Cu mg(没食子素)·g−1·h−1
Cu浓度
Cu concentration (mg·kg−1)
升温期
Heating phase
高温期
Thermophilic phase
降温期
Cooling phase
腐熟后
Being finished
堆腐期平均
Average of composting
CK 10.11c 12.43b 10.87b 15.07c 11.26b
100 (A1) 13.51a 18.24a 20.94a 25.83b 19.34a
500 (A2) 15.36b 18.35a 20.27a 22.22a 18.99a
同列不同字母表示差异显著(P<0.05), 下同。Different letters in the same column mean significantly different (P < 0.05). The same below.



图 6 不同 Cu浓度处理堆肥过程中堆料脱氢酶活性变化
Fig. 6 Changes of dehydrogenase activity during composting
under different Cu concentrations
行繁殖, 从而产生抗性酶活性, 表现为酶活性值降
低后又增大, 有时还会出现多个抗性峰。吴家燕等[26]
对水稻根系酶活性的研究也发现类似现象。而
Chander等[27]发现 Cu与脱氢酶活性之间关系不密切,
认为脱氢酶不能表征土壤 Cu污染的程度。从温度与
脱氢酶活性的相关性分析可知, CK处理温度与酶活
的相关系数为−0.69, 达极显著水平(P=0.008 7<0.01);
A1 处理相关性系数为−0.41, 未达到显著水平(P=
0.161 2>0.05); A2处理相关系数为−0.68, 达显著水
平(P=0.010 4<0.05)。
从堆肥过程中脱氢酶的平均活性来看(表 3), A1
处理的平均脱氢酶活性最高, 为 35.09 μg(TF)·g−1·h−1,

表 3 不同 Cu浓度处理堆肥脱氢酶活性的变化特征
Table 3 Changes of dehydrogenase activity during composting under different concentrations of Cu μg(TF) ·g−1·h−1
Cu含量
Copper content (mg·kg−1)
升温期
Heating phase
高温期
Thermophilic phase
降温期
Cooling phase
腐熟后
Being finished
堆腐期平均
Average of composting
CK 10.00a 3.38c 15.04b 39.50b 13.97b
100 (A1) 22.74b 26.11a 42.37a 52.07a 35.09a
500 (A2) 7.80b 8.69b 12.71b 21.24c 11.61c

是 CK酶活的 2.51倍, A2处理酶活的 3.02倍, 3个处
理相互之间差异均达到显著水平(P<0.05)。A1 处理
堆料温度在升温期和高温期均高于 CK 和 A2 处理,
嗜热微生物大量繁殖, 分泌脱氢酶, 使得脱氢酶活
性高于其他两个处理。结果表明低含量重金属有利
于堆料的氧化还原。
3 讨论与结论
不同浓度的重金属 Cu 在堆肥过程中对堆料理
化性质的影响不同。从温度变化来看, 低量重金属
Cu(100 mg·kg−1)污染的堆料升温快, 高温期持续时
间长, 最高温度达到 63.67 , ℃ 达到无害化处理要
求。从 pH变化来看, CK处理 pH相对比较低, 不利
于葡萄糖和蛋白质的降解以及微生物正常的新陈代
谢。Cu含量为 500 mg·kg−1的堆料 pH过高, 易导致
氮素的损失。Cu含量为 100 mg·kg−1的堆料 pH控制
在 7~8 之间, 有利于微生物增长和蛋白质分解。从
E4/E6值变化来看, Cu含量为 100 mg·kg−1的堆料在
堆腐过程中更有利于有机物料的矿化和腐殖化。
从堆肥过程中多酚氧化酶的活性来看, Cu 含量
为 100 mg·kg−1的堆料平均多酚氧化酶活性最高, 为
19.34 mg(没食子素)·g−1·h−1, 比 CK高 71.77%, 比 Cu
含量为 500 mg·kg−1的堆料高 1.84%, 有助于堆料中
木质素的降解, 催化醌与氨基酸合成胡敏酸。
从堆肥过程中脱氢酶的活性来看 , Cu 含量为
100 mg·kg−1的堆料脱氢酶活性变化很大, 表现出一
定的不稳定性 , 同时 , 其平均脱氢酶活性也最高 ,
为 35.09 μg(TF) ·g−1·h−1, 是 CK的 2.51倍, 是 Cu含
量为 500 mg·kg−1堆料的 3.02倍, 有利于堆料物质的
氧化还原。
重金属 Cu 是畜禽粪便中含量较高的污染元素,
具生化毒性。由本试验结果可见, 堆料理化性质、
多酚氧化酶和脱氢酶对不同浓度的重金属污染均表
现出低浓度促进而高浓度抑制的现象。酶的重要来
源—— 微生物, 在遭受重金属长期污染的情况下可
能产生一定的耐性。理论上一种微生物敏感种群消
失的同时, 有耐性种群随之产生, 从而保证了相关
生化过程的进行[28]。有关本试验中重金属污染对酶
1404 中国生态农业学报 2011 第 19卷


活性产生影响的具体原因还有待于进一步研究, 但
酶作为一类特殊的蛋白质, 其活性受环境因素, 如
重金属形态、堆料中有机物质的质量分数、堆料温
度、pH等的影响较大[19], 加之重金属等有害物质在
堆肥化中能抑制某些菌株合成特殊的酶物质[29], 使
得研究者很难从这些“干扰”因素中剖析出重金属的
独立作用, 这也是不同学者在不同试验条件下可能
得出不同甚至相悖结论的缘由。在复杂的堆肥体系
中, 酶系统与重金属以及堆料自身和外界环境因素
的相互作用机制尚不清楚; 同时, 微生物作为堆肥
体系中重要的参与者, 进一步研究重金属Cu污染对
堆料微生物的影响具有重要意义。
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