CN101595828A - 修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了修复后生活垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用；其中所述修复后的垃圾堆肥是指堆肥以1∶1－3重量份数的水淋洗后所得到堆肥基质，其中的抗氧化酶活性包括；超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶。本发明技术效果表明：在修复后的垃圾堆肥上种植草坪植物，不仅可以使草坪植物的保护酶系统活性得到增强，而且可使草坪植物抵御不利生长环境的能力明显提高。这一技术不仅为淋洗后堆肥基质的科学有效地建植环保草坪找到了出路，而且也可达到减少生活垃圾堆肥造成环境污染的目的，为修复后的垃圾堆肥应用于草坪建植体系提供了技术支撑。

Description

修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及城市生活垃圾堆肥的合理、安全使用方法。更具体的说是修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用。

背景技术

随着我国城市数量增加，城市化进程加快、规模扩大，认可增多及人民生活水平的提高和生活方式的改变，城市生活垃圾产量以年均增长率8％～10％的速度迅猛增加，垃圾的成分构成与特性同时也发生着明显的变化。将生活垃圾进行堆肥化处理既可解决城市垃圾的出路问题，又可达到再资源化的目的，具有一定的经济效益和社会效益，并且目前世界各国都把城市固体废弃物的“无害化、减量化、资源化”的“三化”方针作为综合解决城市垃圾的原则，从这一发展趋势上看，采用堆肥法处理城市垃圾符合这一方向，并被视为处理城市生活垃圾的一条值得重视的途径。垃圾堆肥按处理方法，分为露天堆肥法和机械堆肥。堆肥法操作一般分为4步：①预处理，剔出大块的及无机杂品，将垃圾破碎筛分为匀质状，匀质垃圾的最佳含水率为45-60％，达不到需要时可掺进污泥或粪便；②细菌分解(或称发酵)，在温度、水分和氧气适宜条件下，好氧或厌氧微生物迅速繁殖，垃圾开始分解，将各种有机质转化为无害的肥料；③腐熟，稳定肥质，待完全腐熟即可施用；④贮存或处置，将肥料贮存，肥料另作填埋处置。由于城市生活垃圾有机物料中含有丰富的氮、磷、钾，经生物高温发酵技术处理，可将部分有机大分子降解为小分子养分被植物吸收，城市生活垃圾堆肥化利用是一种符合我国国情的化害为利、安全有效、经济实用的资源化利用途径。

但必须指出的是，生活垃圾堆肥在应用中，最大的限制因素就是：生活垃圾堆肥中含有大量的污染物，若使用不当，将不可避免地造成环境污染。因此，垃圾堆肥的科学有效、安全环保地利用则是一项十分有意义的工作。

另一方面，人们已经认识到，我国草坪业发展必须走生态环境保护与建设紧密结合的新型草坪生态产业之路，必须很好地解决当今面临的一个突出生态问题：即如何坚持发展生态节水型草坪产业(多立安和赵树兰，2003)。目前我国无论是草坪产业化生产还是应用于城市中的草坪景观带的建植，主要还是以土壤为基质的占了大部分，这种方法属于传统的草坪建植方法，应用较为广泛，便于管理，但也存在一些弊端，如：草皮培植体系消耗土壤资源现象较为严重，在草皮生产中，为保证质量，生产草皮的土壤必须理化性质良好，每完成一次草皮生产过程，大约需要5cm厚的耕层土壤，肥沃的农田即遭到破坏。有人对草皮培植区的土壤特征进行了研究，结果表明草皮培植已使表层土壤的厚度减少了近10cm，土壤容重明显增大，土壤孔隙度显著降低。而草皮基质的研制和供应不足，将会成为城市草坪建植及草坪产业化发展的一个重要的限制因素。为了解决该问题，国内外许多学者展开了替代土壤基质的相关研究，同时也受到了越来越多人的关注。

有学者以未修复的生活垃圾堆肥为主体材料组配草皮培植基质，对组配基质生态适宜性展开了研究，证明组配基质适宜草皮培植要求，综合性能指标优于土壤，节水及杂草控制等应用生态性能良好(Duo and Zhao，2000)陈国祥和柳茜(2005)采用地膜为垫底进行培植草皮的研究，形成了有较强弹性、韧性、易运输的草皮。近些年来，围绕秸杆用作草坪培植基质的研究越来越多的被人们所关注，陈秋全等(2002)研究了利用秸秆基质进行了草皮培植的生产技术，还有学者将未修复的城市生活垃圾堆肥与大豆秸秆混合形成复合草坪植物培植基质，也收到了不错的效果(廉菲等，2007)。张万均等(2001)利用海湾泥、粉煤灰及碱渣土3种固体废弃物构配了新型土，以替代土壤进行城市绿化。在替代草皮商用铺网方面，多立安和赵树兰(2000)以纤维网袋、纤维编织袋及窗纱等生活废弃物制成草皮铺网，进行了草皮建植研究，初步证明一些废弃物铺网达到草皮建植指标要求。但目前关于如何直接利用修复后的垃圾堆肥作为草坪植物的基质，调节草坪植物抗氧化酶活性方面的研究尚未见相关文件的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用。主要考察采用1∶1-3重量份数的水淋洗后所得到堆肥作为草坪植物的基质，探讨其对草坪植物超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性含量的调节作用。最终达到资源节约和保护环境的目的。为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用；其中所述修复后的垃圾堆肥是指生活垃圾堆肥以1∶1-3重量份数的水淋洗后所得到堆肥基质；所述的抗氧化酶活性是指：草坪植物超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性的含量变化。

本发明优选的应用方法为：在水和堆肥质量比为1∶1的淋洗处理后的堆肥基质中播种高羊茅植物，此时淋洗处理后的堆肥基质显著降低了草坪植物叶片SOD的活性，高羊茅体内MDA积累出现一个峰值，其中SOD活性最低值出现在水和堆肥质量比为2∶1的处理中，分别为对照的49.2％和38.2％。高羊茅各淋洗处理之间比较，当水和堆肥质量比为2∶1和3∶1时的SOD活性均低于1∶1的处理。因此本发明选择水和堆肥质量比为2∶1时淋洗后的堆肥基质建植草坪，对草坪植物逆境伤害最小。

本发明的试验结果表明，说明经过淋洗法处理的堆肥对植物生长的胁迫程度远小于原堆肥，同时保护酶可以维持在一定的活性水平，保证草坪植物正常的生长。在SOD活性较高时，为了清除体内积累的过多H₂O₂，从而带动了POD和CAT活性的升高，使其维持在较高活性水平，在各淋洗处理中POD及CAT的活性变化趋势也与SOD一致，进而体现了保护酶系统间的协调性和一致性。在植物正常的生长条件下，体内自由基产生和消除的过程即对活性氧清除的能力是决定细胞对胁迫抗性的关键，这种保护酶系统防御能力的变化是几种酶彼此协调综合作用的结果。

本发明所述的应用，其中修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的方法如下：

(1)将垃圾堆肥经过水和堆肥质量比1∶1-3淋洗处理，放置一天，备用；

(2)在修复后的垃圾堆肥表面以20-40g/平方米均匀播种草坪植物；

(3)早晚各浇水一次，保持基质表面湿润；

(4)第30-45d，测定草坪植物超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性的含量变化，即可达到调节草坪植物抗氧化酶活性的目的。其中草坪植物为黑麦草或高羊茅。

本发明研究了不同水处理垃圾堆肥对草坪植物黑麦草、高羊茅生长状况，以及调节草坪植物超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性含量方面的变化，从而实现了草坪植物具备强的抗逆性。

具体实施方式：

为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合实例对本发明做进一步的说明。

实施例1

(1)将垃圾堆肥经过水和堆肥质量比1∶1或2∶1淋洗处理，放置一天，备用；

(2)在修复后的垃圾堆肥表面以20g/平方米均匀播种黑麦草；

(3)浇灌方法为，早晚各浇水一次，保持基质表面湿润；

(4)第30d，测定超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶的含量变化。具体见实施例3的方法。

实施例2

(1)将垃圾堆肥经过水和堆肥质量比3∶1淋洗处理，放置一天，备用；

(2)在修复后的垃圾堆肥表面以40g/平方米均匀播种黑麦草；

(3)浇灌方法为，早晚各浇水一次，保持基质表面湿润；

(4)第45d，测定超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶的含量变化。具体见实施例3的方法。

实施例3

(1)试验材料

本试验选用多年生黑麦草和高羊茅为试验材料。生活垃圾堆肥来自天津市小淀堆肥厂，其基本理化性质及重金属含量背景值见表1。

表1供试生活垃圾堆肥理化性质

测定指标	生活垃圾堆肥
		pH	7.62
饱和含水量ml/g	0.76
		容重g/ml	0.85
全氮％	5.18
		全钾g/kg	50.83
有效磷mg/kg	77.92
		有机质％	12.12
Cu(μg/g)	238.73

Cd(μg/g)	1.97
		Zn(μg/g)	496.38
Ni(μg/g)	33.42
		Pb(μg/g)	172.11
Cr(μg/g)	67.00

(2)试验方法

将经过不同水和堆肥质量比(1∶1，2∶1，3∶1)淋洗处理后的堆肥基质取出，于实验室环境中放置一天后，分别取100g放入大号培养皿中，每皿分别播种黑麦草和高羊茅各200粒于堆肥基质表面，采用蒸馏水浇灌，试验3次重复，以未经淋洗处理的原垃圾堆肥基质作为对照。草坪植物培养在实验室中靠近窗户的实验台上，光照为投入实验室内的自然光，光照强度为600-800μmol·m^-2·s^-1，经常更换培养皿的摆放位置以保证每个培养皿处于均匀、一致的光照条件。每天早晚各浇一次蒸馏水，提供草坪植物生长的水分条件。草坪植物生长30天后进行叶片生理指标的测定，包括：脯氨酸、丙二醛的含量以及SOD、POD、CAT等保护酶的活性；生长33天后进行草坪植物的收获，进行株高的测量。试验期间实验室内的平均温度为27.2℃，平均湿度为61.3％。

(3)指标的测定

保护酶活性的测定

测定保护酶的活性时粗酶液的提取方法：称取植物组织(叶片)鲜重(FW)0.5g左右于预冷的研钵中，加入预冷的PH7.8的磷酸缓冲液进行冰浴研磨提取匀浆，定容至10ml的离心管中，用德国EPPENDORF公司生产的5810R型冷冻离心机进行4℃下离心(10000r/min，离心20min)，上清液为酶的粗提液，4℃保存备用。

超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定：采用NBT光还原法。在盛有3ml反应混合液(54ml 14.5mmol/L dl-甲硫氨酸中分别加入3μmol/L EDTA、2.25mmol/L NBT、60μmol/L核黄素溶液各2ml)的试管中，加入50μL的粗酶液(以使抑制达50％左右的酶浓度为佳)，混合后放在透明的试管架上，于光照培养箱中在4000Lx日光灯下准确照光反应20min，以不加酶液的照光管为光照对照，同时将对照管置于暗处(以缓冲液代替酶液)，用做调零。SOD活性单位是以抑制NBT光化还原的50％为一个酶活性单位，用SHIMADZU产UV-1700型紫外分光光度计在560nm波长下测定吸光度值，计算反应被抑制的百分比。

计算公式：SOD总活性(U/g FW)＝(Ack-A_E)·V/(1/2Ack·W·Vt)；式中，SOD总活性以鲜重酶单位每克表示，Ack为光照对照管的吸光度；A_E为样品管的吸光度；V为样品液总体积，mL；Vt为测定时样品用量，mL；W为样品鲜重，g。

过氧化物酶(POD)活性的测定：采用愈创木酚法。3mL的反应混合液(PH6.0的磷酸缓冲液50mL，加入愈创木酚28μL，加热搅拌，直至愈创木酚溶解，待溶液冷却后，加入30％过氧化氢19μL，混合均匀，保存于冰箱中)，加入酶液100μL，立即开启秒表计时，用SHIMADZU产UV-1700型紫外分光光度计在470nm波长下测量吸光度值，每隔0.5min读数一次。以每分钟OD值变化表示酶活性的大小，即以ΔOD₄₇₀/min表示。并以每分钟ΔA₄₇₀变化0.01为一个过氧化物酶活性单位。

过氧化氢酶(CAT)活性的测定：采用紫外分光光度法。在试管中加入反应混合液(pH7.8的磷酸缓冲液1.5ml、酶液0.2ml、蒸馏水1.0ml)，对照管用缓冲液代替酶液，然后在测定管中加入0.3ml浓度为0.1mol/L的过氧化氢，同时立即计时，采用SHIMADZU产UV-1700型紫外分光光度计迅速在240nm波长下测量吸光度值，每隔0.5min读数一次。以每分钟ΔA₂₄₀变化0.01为一个过氧化氢酶活性单位。

数据处理：数据分析采用Excel软件和SPSS14.0统计分析软件进行。

(4)结果与分析

淋洗后堆肥基质对草坪植物保护酶活性的影响：

淋洗处理堆肥对两种草坪植物体内保护酶活性的影响见表2。SOD是自然界中以氧自由基为底物的酶，其可终止由其启动的一系列自由基连锁反应所造成的生物毒损伤，是生物体内最重要的有效用于清除活性氧自由基的酶类。由表2可见，淋洗处理后的堆肥基质显著降低了草坪植物叶片SOD的活性，与对照相比差异极显著(p＜0.01)，其中SOD活性最低值出现在水和堆肥质量比为2∶1的处理中，分别为对照的49.2％和38.2％。高羊茅各淋洗处理之间比较，当水和堆肥质量比为2∶1和3∶1时的SOD活性均低于1∶1的处理，但差异不显著。黑麦草SOD活性的响应与高羊茅不同，随着水和堆肥质量比的升高黑麦草体内SOD的活性也随之上升，但各不同水和堆肥质量比淋洗处理之间的差异也不显著。POD是植物体内有效清除H₂O₂并在抗逆性中起重要作用的保护酶类之一。草坪植物叶片中POD的活性与对照相比均表现出小于对照水平的趋势，且差异极显著(p＜0.01)，但在各淋洗处理之间POD酶的活性水平接近，差异不明显。CAT是可以有效清除O₂ ^-经SOD歧化作用产生的H₂O₂，达到阻止或减少活性氧自由基对植株生长的抑制作用，并保护膜结构，是植物体几乎所有组织中普遍存在的、具有催化细胞内H₂O₂分解为分子氧和水的功能的抗氧化酶，是生物体内生物氧化过程中一系列抗氧化酶的终端。淋洗处理后堆肥作为基质，两种草坪植物叶片中CAT活性均小于对照，且差异极显著(p＜0.01)，并且酶活性随着水和堆肥质量比的升高而降低，酶活性的最低值出现在水和堆肥质量比为3∶1的处理中，酶活性仅为对照处理的33.0％和55.3％。各不同水和堆肥质量比淋洗处理之间，CAT的活性水平接近，差异不明显。

表2淋洗处理堆肥对草坪植物保护酶活性的影响

(5)技术应用结论

当植物处于逆境胁迫中会产生活性氧分子(AOS)，如超氧阴离子自由基(O₂·^-)、过氧化氢(H₂O₂)、羟基自由基(·OH)，如果植物没有足够的能力清除这些活性氧分子，活性氧的积累过多就会引起植物的各种大分子发生氧化反应，甚至会导致植物细胞的死亡；并且逆境会影响植物的酶促系统，SOD、POD、CAT是植物体内保护酶系统的三种主要酶，有研究表明：植物的抗性及对环境的适应与其保护酶的含量密切相关。因此，膜脂过氧化作用及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)等保护酶被广泛地用作作物逆境条件下的适应机制指标，其中见有报道关于干旱及低温条件下植物膜脂过氧化及体内保护酶活性的研究。另有研究指出，SOD、CAT、POD作为抵御活性氧伤害的重要保护酶类，参与维持活性氧生成与清除的动态平衡过程，但如果这种动态平衡遭到破坏就可能造成自由基的积累进而造成对细胞膜的破坏。有关单一重金属对植物抗氧化酶活性的影响已有相关报道。本研究针对生活垃圾堆肥的逆境系统，以不同水和堆肥质量比淋洗处理后的堆肥作为基质培植草坪植物，其体内保护酶的含量均极显著(p＜0.01)低于对照处理，说明经过淋洗法处理的堆肥对植物生长的胁迫程度远小于原堆肥，同时保护酶可以维持在一定的活性水平，保证草坪植物正常的生长。在植物正常的生长条件下，体内自由基产生和消除的过程即对活性氧清除的能力是决定细胞对胁迫抗性的关键，这种保护酶系统防御能力的变化是几种酶彼此协调综合作用的结果。

本试验结果表明，在SOD活性较高时，为了清除体内积累的过多H₂O₂，从而带动了POD和CAT活性的升高，使其维持在较高活性水平，在各淋洗处理中POD及CAT的活性变化趋势也与SOD一致，进而体现了保护酶系统间的协调性和一致性。在原堆肥基质中草坪植物体内保护酶活性虽然能维持在很高水平，但是草坪植物的生长情况不佳，这是由于酶的活性有一个阈值，由此保护酶对膜系统的保护及维持活性氧代谢平衡就是有一定限度的，当重金属胁迫程度超过植物的承受阈限时，细胞的正常代谢就会被破坏，植株的生长就会受到抑制或整株死亡。堆肥经水和堆肥质量比为1∶1的淋洗处理后，高羊茅体内MDA积累出现一个峰值，这可能是由于少量的淋洗剂打破了原堆肥体系的稳定，水在带走一些有毒物质的同时使得原本稳定于堆肥颗粒间的物质溶出，造成对植物细胞的伤害，以致造成膜脂过氧化加剧和MDA的积累。而对照中由于植株的生长到后期已经变得瘦弱并开始萎蔫以致细胞活性大大下降，所以其MDA积累反倒小于水和堆肥质量比为1∶1的处理。从脯氨酸积累方面来看，也说明经淋洗处理后堆肥基质对草坪植物的胁迫程度显著降低，能保证其更好地生长。相关分析结果表明，3种保护酶活性及脯氨酸含量均与水和堆肥质量比淋洗处理之间有极显著(p＜0.01)的负相关性。综合考虑发芽率、株高等生长指标以及保护酶活性等生理指标，选择水和堆肥质量比为2∶1时淋洗后的堆肥基质建植草坪，对草坪植物逆境伤害最小。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1、修复后垃圾堆肥在调节草坪植物抗氧化酶活性方面的应用；其中所述修复后的垃圾堆肥是指生活垃圾堆肥以1∶1-3重量份数的水淋洗后得到垃圾堆肥；其中的抗氧化酶活性包括；超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶。

2、如权利要求1所述的应用，其中利用修复后的垃圾堆肥调节抗氧化酶活性的方法如下：

(1)将垃圾堆肥经过水和堆肥质量比1∶1-3淋洗处理，放置一天，备用；

(2)在修复后的垃圾堆肥表面以20-40g/平方米均匀播种草坪植物；

(3)第30-45d，测定超氧化物歧化酶、过氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性含量变化。

3、如权利要求1所述的应用，其中所述修复后的垃圾堆肥是指生活垃圾以水和堆肥质量比为2∶1淋洗后的堆肥基质。

4、如权利要求1所述的应用，其中草坪植物为黑麦草或高羊茅。