Dissolved Organic Carbon Fractions Formed during Composting of Municipal Solid Waste: Properties and Significance

The properties and transformation of dissolved organic matter (DOM) extracted (10 L water per kilogram compost) from municipal solid waste (MSW) compost at five stages (days 47, 77, 105, 126, and 187) of composting were investigated. The DOM was fractionated into hydrophobic or hydrophilic neutrals, acids, and bases. The unfractionated DOM, the hydrophobic acids and neutrals (HoA and HoN, respectively), and the hydrophilic neutrals (HiN) fractions were studied using solid-state 13C-NMR, FTIR, and DRIFT spectroscopy. The HoA fraction was found to be the dominant (percentage of total DOM) hydrophobic fraction, exhibiting a moderate increase during composting. The HoN fraction increased sharply from less than 1% to 18% of the total DOM during 187 days of composting, while the hydrophobic bases (HoB) exhibited the opposite trend. The HiN represented the major fraction of the hydrophiles up to 120 days of composting, decreasing thereafter by 38%. The relative concentration of the hydrophilic acids and bases (HiA and HiB, respectively) exhibited no consistent trend during composting. DRIFT spectra of the unfractionated DOM taken from the composting MSW revealed a decreasing level of polysaccharide structures with time. The 13C-NMR and FTIR spectra of the HoA fraction exhibited a polyphenol-humic structure, whereas the HoN spectra exhibited strong aliphatic features. The spectra of the HiN fraction confirmed its polysaccharide nature. During the final stage of composting, the DOM concentration was steady, while a relative decrease of HiN concomitant with an increase of HoA and HoN fractions was observed. These indicate that the DOM contained a low concentration of biodegradable organic matter and a higher content of macromolecules related to humic substances. The biological significance and heavy metal binding of these fractions are being studied based on earlier observations showing enhanced plant growth in the presence of DOM extracted from mature as opposed to immature compost. Gelöster organisch gebundener Kohlenstoff bei der Kompostierung von Hausmüll: Eigenschaften und Anteil einzelner Fraktionen Untersucht wurden Eigenschaften und Umsetzung der gelösten organischen Substanz (dissolved organic matter – DOM) in Komposteluaten. Zur Gewinnung der DOM wurde kompostierter Hausmüll in verschiedenen Stadien der Kompostierung (47., 77., 105., 126. und 187. Tag) mit Wasser extrahiert (10 L Wasser auf 1 kg Kompost). Nach einem operationellen Fraktionierungsschema wurde die DOM aufgeteilt in hydrophobe und hydrophile Komponenten, innerhalb dieser beiden Kategorien noch einmal nach sauer, neutral und basisch. Die unfraktionierte DOM, die Fraktion hydrophob/sauer (HoA), die Fraktion hydrophob/neutral (HoN) und die Fraktion hydrophil/neutral (HiN) wurden mittels Festkörper-13C-NMR-, FTIR- und DRIFT-Spektroskopie untersucht. Innerhalb der hydrophoben Fraktionen dominierte die saure Fraktion, HoA, ihr Anteil an der Gesamt-DOM nahm im Laufe des Kompostierungsprozesses noch zu. Der Anteil der HoN-Fraktion stieg im Laufe der 187 Tage währenden Kompostierung stark an – von weniger als 1% auf 18% der gesamten DOM –, während die Fraktion hydrophob/basisch (HoB) die gegenläufige Tendenz entwickelte. Bei den hydrophilen Fraktionen stellte die neutrale Fraktion, HiN, bis zum 120. Tag der Kompostierung die Hauptfraktion dar; dann verringerte sich ihr Anteil um 38%. Für die Fraktionen hydrophil/sauer und hydrophil/basisch war keine eindeutige Tendenz im Verlauf der Kompostierung zu beobachten. Den DRIFT-Spektren der unfraktionierten DOM des Komposteluats ist zu entnehmen, daß im Verlauf der Kompostierung der Anteil an Polysaccharidstrukturen in der DOM zurückgeht. 13C-NMR- und FTIR-Spektren der HoA-Fraktion deuten auf Polyphenole und huminstoffähnliche Strukturen hin, während die Spektren der HoN-Fraktion von den charakteristischen Merkmalen aliphatischer Strukturen geprägt sind. Die Spektren der HiN-Fraktion bestätigen den Polysaccharidcharakter dieser Fraktion. In der letzten Phase der Kompostierung – nach etwa 100 Tagen –stellte sich eine stationäre DOM-Konzentration ein, dabei wird die relative Abnahme des Anteils der HiN-Fraktion an der DOM durch die gleichzeitige Zunahme des Anteils der Summe aus HoA- und HoN-Fraktion kompensiert. Das deutet darauf hin, daß in der DOM wenig bioabbaubare organische Stoffe und ein größerer Anteil an huminstoffartigen Makromolekülen enthalten waren. Auf dem Hintergrund einer früheren Beobachtung – verstärktes Pflanzenwachstum in Gegenwart von DOM aus Komposteluaten von gereiftem Kompost, der gegenteilige Effekt durch DOM aus Komposteluaten von jungem Kompost – sollen die biologische Bedeutung dieser Fraktionen und ihr Bindungsvermögen für Schwermetalle Gegenstand weiterer Forschung sein.