外源電場輔助堆肥過程多污染物協同調控影響機制研究

　　我國動物蛋白生產量高達世界總產量20%，畜禽糞便產生量亦十分巨大，達40億噸/年。高溫好氧堆肥技術是實現畜禽糞便無害化處理，將其轉化為有機肥料，實現農牧循環的重要技術。然而，飼料添加劑中重金屬殘留、堆肥產品腐殖化程度低、堆肥過程氨氣和溫室氣體排放量高等問題，嚴重危害畜禽糞便肥料化利用的安全性以及大氣環境質量。傳統處理方式以外源添加劑為主，技術成本高，效果不穩定，難以實現規模化應用。因此，長期以來高效易行、綠色環保、安全高質的堆肥技術及產品是國內外研究的熱點。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心研究員馬林課題組針對上述問題，從堆肥生化反應氧化還原過程本質出發，創新引入外源電場，系統研究了強化堆肥電子傳遞過程對堆肥微生物腐殖質的合成、重金屬的形態以及氨氣和溫室氣體排放的影響。

　　電場作用對堆肥微生物腐殖質、重金屬形態影響的研究表明，堆肥中總細菌豐度和與細菌代謝相關的通路顯著提高，微生物活動增強，并通過加速有機質降解來滿足自身代謝需求。電場輔助改變了細菌菌群結構，提高了放線菌門豐度，加速有機質（尤其是大分子物質）降解形成小分子有機碳，用于腐殖質的形成。電場作用下，腐殖質和腐殖酸的含量分別顯著提高19%和69%，腐殖酸結合態的銅、鋅、砷和鎘含量分別提高了34%、41%、29%和135.1%。腐殖酸和腐殖酸結合態重金屬表現出顯著的正相關關系（R2=0.60-0.87），表明電場輔助可通過提高腐殖質含量，強化堆肥中重金屬鈍化能力，創新性地提出了堆肥重金屬鈍化的內修復新技術。相關研究成果以An electric field immobilizes heavy metals through promoting combination with humic substances during composting為題，在Bioresource technology上發表。

　　課題組深入研究了電場輔助堆肥對氨氣和溫室氣體的影響。堆肥過程中的N2O產生途徑錯綜復雜、難以區分，目前尚缺乏減排的針對性技術。科研人員結合氮素形態分析、同位素圖譜、高通量測序等技術揭示了堆肥過程N2O產生途徑，并解析了其潛在的生物電化學機制。結果表明，堆肥過程N2O主要產生于堆肥后期的硝化細菌反硝化途徑，而異養反硝化途徑在堆肥過程中貢獻的N2O大部分被還原為N2（圖2）。電場輔助技術減少了堆肥過程18.7-24.3%的氨揮發和28.5-75.5%的N2O產生。氨氧化抑制是輔助電場減少N2O產生的關鍵機制，電場輔助可顯著減少氨氧化關鍵菌Nitrosomonadaceae的比例（圖3），電場輔助引發的氨氧化抑制被歸因于有機質降解導致的氧濃度限制加強了異養菌和氨氧化細菌（Nitrosomonadaceae）的競爭。相關研究成果以Nitrifier denitrification dominates nitrous oxide production in composting and can be inhibited by a bioelectrochemical nitrification inhibitor為題，發表在Bioresource technology上。

　　課題組還研究了電場輔助堆肥對畜禽糞便中存留各種化學飼料添加劑（如NaHCO3等）的影響。結果表明，添加劑直接增加堆體電勢強度可加速電子轉移過程，但并未強化細菌好氧呼吸和氧氣消耗，說明主導堆肥過程氧氣消耗的機制是電子產生而不是電子轉移。其他電解質（KCl和NaHCO3）對NH3和N2O的排放并無影響，表明飼料添加劑鹽分的存在不會對電場輔助的氣體減排效果產生不利影響。相關研究成果以The effects of electric field assisted composting on ammonia and nitrous oxide emissions varied with different electrolytes為題，發表在Bioresource technology上。

　　上述三項研究系統解析了電場輔助介導堆肥過程碳氮轉化的微生物學機制，創新性地提出了堆肥腐殖質增量、重金屬鈍化、氨氣和溫室氣體協同減排的新途徑，可為我國廢棄物資源化的高效利用與低環境影響提供理論和技術支撐。研究首次提出基于自下而上的思路解決堆肥過程N2O減排問題，即首先探明N2O產生途徑，進而針對性地采取技術干預；支持將電場輔助作為堆肥中N2O減排的新型硝化抑制劑，該技術的應用可避免傳統硝化抑制劑高溫降解、效果不穩定的問題；系統闡明了電場輔助對堆肥過程腐殖質增量、重金屬鈍化及氨氣和溫室氣體協同減排的影響機制，可為畜禽糞尿多污染物協同消減技術提供理論支撐，為畜禽糞尿無害化和資源化探索了新技術途徑。

　　研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（A類）、國家自然科學基金、中科院科技服務網絡計劃項目、中科院青年創新促進會、河北省重點研發計劃等的資助。

圖1. 總細菌豐度變化（a）；PICRUSt2預測的KEGG代謝相關的代謝通路（b），其中正值和負值分別表示與對照處理（CK）相比，低電壓（L）和高電壓（H）處理下KEGG代謝通路被上調和下調；堆肥產品腐殖質、腐殖酸和富里酸含量變化（c）；堆肥產品中腐殖酸和腐殖酸結合態重金屬的關系（d）

圖2.同位素圖譜技術能夠分析不同處理在不同取樣時間可能的微生物途徑（a）：ND、HD、FD和NN所在的箱子分別表示硝化細菌反硝化、異養反硝化、真菌反硝化和硝化細菌硝化；混合模型中兩個情景下異養硝化途徑產生N2O的還原比例（b）；基于PICRUSt2分析的硝化細菌反硝化相關的MetaCyc代謝通路（c）

圖3.硝化（Arch-amoA、Bac-amoA、nxrA）和反硝化（nraG、nirK、NirS、nosZ）功能基因豐度變化（a-g）；導電物質介導電場輔助堆肥過程氮轉化及N2O產生機制圖（f）