摘要：将猪粪液酸化至pH 5.5是减少粪坑和储存设施中氨排放的一种手段。通过在一个处理罐中使用硫酸对粪便进行酸化，然后将其泵送回粪坑或储存罐。我们研究了酸化对微生物活性的影响。与未经处理的粪便相比，储存的酸化粪便中的氧气消耗速率、甲烷生成和硫酸盐还原均减少了超过98%。尽管硫酸盐浓度较高，但酸化粪便中的微生物代谢受到严重限制或不存在。这可能是由于酸化粪便中丙酸等质子化的短链挥发性脂肪酸浓度较高（约25 mM，而未经处理的粪便<0.1 mM），这些物质作为细胞膜电位的解偶联剂阻止了微生物代谢。总的来说，粪便酸化的结果是产量大幅减少、硫化氢和甲烷的损失降低，并且氨的损失被消除。另一方面，预计会出现更多挥发性脂肪酸的挥发和损失。

1引言

农业是大气氨（NH3）的主要人为源，占总氮排放的50%以上（Bouwman等，1997；Pedersen＆Hansen，2004）。发达国家农业部门的结构性发展导致畜禽生产的持续强化（Levin等，2006），生产单位变得更少但更大。伴随总产量的增加，这导致了本地和更集中的排放类型。来自畜禽生产的空气中的氮污染对环境具有已知的负面影响（Fangmeier等，1994；Krupa，2003；Smith，2003；Erisman等，2007），并且还通过减少粪便的氮肥价值而造成经济损失（Sorensen和Amato，2002）。饲养的生长猪产生粪便和尿液，在管理过程中与床料和一些水混合，并形成粪便。粪坑和储存罐中的粪便占总农业氨排放的70-80%（ECETOC，1994；Hutchings等，2001；Anderson等，2003）。此外，从粪坑中氨的蒸发对生产房间内的工作环境和猪的健康产生负面影响。因此，要求遵守有关工作环境和氮损失的环境政策，需要引入能够减少畜禽生产系统中空气氮损失的技术。

氨是一种可溶的气体，在水溶液中作为相对较强的碱具有酸解离常数pKa=9.26。粪便的典型pH值约为7.5-8。将粪便的pH值降低两个单位至约5.5，可将游离氨浓度降低两个数量级，从而基本上消除粪便中的氨蒸发和损失。因此，建议通过添加酸（Bussink等，1994）来降低粪便的pH值。硫酸（H2SO4）因其经济原因以及其肥料价值而被提出。当酸化粪便施用于田地时，添加的硫可以替代需要来自商业矿物肥料的硫（Eriksen等，2008）。目前在一些丹麦猪生产单位中商业化可用的使用粪便酸化以减少氨挥发的设施，从整个生产设施中获得的氨挥发大幅减少（Pedersen，2004）。粪便酸化的氨化学已经很好地理解，但对于粪便中微生物活动的可能后果仍然大部分未知。在本研究中，我们特别关注了酸化对选择的异养活动的后果，包括硫酸盐（SO42-）还原和甲烷（CH4）生成。酸化的粪便的各种其他后果的更广泛调查，例如涵盖许多不同类型的粪便，超出了本文的范围。研究了来自粪坑和外部粪液储罐的粪液。

尽管氧（O2）消耗在原位上没有定性重要性，但粪液确实含有许多需氧的好氧生物，因此在微生物活动的一般度量之外，更具体的厌氧微生物过程也是非常相关的，这些过程也可能受到酸化的影响。至于硫酸盐还原，不仅pH值瞬间降低了约2个单位，而且还引入了高达100mM的硫酸盐到粪液中。硫酸酸化后硫酸还原的增加可能是个问题，因为高毒性的硫化物（H2S）在pH 5.5时几乎100％为气体形式，因此非常挥发。在自然生态系统中已经描述了低pH值下的硫酸盐还原（Gyure等人，1990；Ku¨sel和Dorsch，2000），但在猪粪中，不清楚硫酸盐作为电子受体的高浓度是否会引起硫酸盐还原的进行性增加。初始观察到存储的酸化粪液中持续低硫化物浓度的迹象表明，硫酸盐还原可能比最初预期的要低（Eriksen等人，2008）。在粪液储存期间产生的甲烷对总体农业温室气体排放做出了重要贡献（Berg等人，2006），但也可能在形成粪液储罐上的天然地壳中发挥有益作用。据报道，在更酸性的条件下（pH&lt;5.5）也发生甲烷生成（Taconi等人，2007）。

在本研究中，我们研究了一种带有生长/育肥猪的猪场中酸化粪便的微生物活动。该单位配备了从粪坑到储存罐的完整和恒定的酸化。

2材料和方法

2.1实验场地和样本采集

本研究中采用的粪便酸化系统是商业可用的，并在www.infarm.dk上有详细描述。简言之，粪坑中的粪便每天被转移到一个处理罐中，在那里加入硫酸直到达到约5.5的pH值。然后，大部分粪便（通常<90%）被泵回猪舍的粪坑中，以降低那里的pH。每个周期之间产生的多余粪便被泵送到带有稻草覆盖的粪便储存罐中，进行长时间储存（最多6-8个月），直到田间施用。粪便从粪坑和处理罐中酸化后的滞留时间约为30天。储存罐中粪便的平均年龄约为120-140天。由于每天的泵送活动，粪坑中的粪便被充分混合，而与之相反，储存罐中的粪便在数月内保持静止。为了考虑这种差异，对来自粪坑和储存罐的粪便进行了分析。样本是在一月份的某个时候收集的。认为来自粪坑的粪便是充分混合的，因此在单个样品中具有代表性。为了考虑可能的分层，从储存罐中的粪便柱中采样。储存罐大约60-70%满，因此存储的粪便代表了年龄和成分的广泛平均水平。为了比较，还从一个不使用粪便酸化的类似养殖设施中收集了未经酸化处理的对照粪便。在这里，粪便在粪坑中的滞留时间约为20天。