 第一作者：Hong Liu 通讯作者： Mukesh Kumar Awasthi 通讯地址：西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌712100 论文DOI：10.1016/j.biortech.2023.129555
本试验研究了桃壳生物炭(PSB)和微生物剂(EM)添加对羊粪(SM)堆肥过程中氮素保存和细菌动态的影响。6个处理分别为T1(对照组，无添加)、T2 (EM)、T3 (EM + 2.5% PSB)、T4 (EM + 5% PSB)、T5 (EM + 7.5% PSB)和T6 (EM + 10% PSB)。结果表明，添加改性剂后，NH3排放量降低6.12%~32.88%，N2O排放量降低10.96%~19.76%，总凯氏定氮(TKN)含量提高8.15 ~ 9.13 g/kg。在嗜热阶段以厚壁菌门菌群为主，成熟阶段以变形菌门、放线菌门和拟杆菌门菌群为主。拟杆菌门和放线菌门的丰度分别提高了17.49%~32.51%和2.31%~12.60%，有利于降解有机物的分解。此外，冗余分析表明，变形菌、放线菌和拟杆菌与NO3--N、TKN和N2O呈正相关，而与NH3和NH4+-N呈负相关。最后，结果证实(EM + 10% PSB)添加剂更有效地减少氮损失和改善细菌动力学。 研究表明，具有较大比表面积和稳定孔隙结构的生物炭可以解决氮损失和气味排放问题。首先，巨大的比表面积和发达的孔隙结构使生物炭具有物理吸附作用，其次，生物炭具有丰富的羧基和酚羟基酸官能团，具有化学吸附作用。值得注意的是，接种相关微生物可以快速利用氮，减少NH3的挥发，并且由于氮供应不足而抑制微生物生长可以最大限度地保留堆肥中的氮。在SM堆肥中应用桃壳生物炭与微生物剂对氮素转化、微生物群落变化及其与理化参数相关性的研究，目前尚未见报道。 因此，为了研究氮素转化的动态变化及其与理化参数的相关性，我们假设生物炭与微生物剂共混会影响SM堆肥过程中微生物总数，减少氮素损失。本研究以不同浓度的PSB和一定浓度的EM为添加剂，对SM和小麦秸秆进行堆肥。研究了两种添加剂对SM堆肥理化性能的影响;2) SM堆肥对堆肥成熟度的影响;3)对NH3和N2O减排的影响;4)对微生物群落变化的影响。研究结果将有助于进一步了解PSB和EM在堆肥中的混合施用效果。为桃壳生物炭加微生物剂在好氧堆肥工程实践中的应用提供理论依据。 在经济和科技蓬勃发展的背景下，对肉制品的需求也在不断增加。据统计，2022年全国羊肉产量5.25 × 106吨，比上年增长2.0%。与此同时，截至2022年底，全国绵羊存栏量为3.26 × 108吨，同比增长2.1%(国家统计局2022年数据)。统计数据还显示，到2020年底，中国有4.50 × 105公吨的羊粪，但利用率仅为17% 。大量的羊粪(SM)造成了两个主要问题。首先，SM含有高营养成分和大量未消化的纤维素和半纤维素物质。目前，由于种植业与养殖业的逐步分离，这些有机废弃物资源没有得到合理有效的利用。其次，原SM含有残留药物、病原体、重金属和寄生虫卵。同时，畜禽粪便在自然储存过程中会产生有害气体，包括硫醇、硫化氧、挥发性有机酸、氨和温室气体等恶臭气体。如果处理不当，会对大气、水、土壤环境造成严重影响。为了实现有机肥废弃物的高效利用，好氧堆肥已被认为是解决粪便问题的有效方法。然而，由于发酵过程中有机物的分解，产生了大量的NH3和温室气体。此外，N2O和NH3的排放导致氮总损失率分别为0.05-0.1%和0.8-26.5% 。还发现好氧堆肥过程中氮的损失约为40%，其中NH3挥发占氮损失的79%-94%。这些条件不仅会加剧温室效应，而且会造成养分的流失，影响堆肥产品的质量。国内外研究者使用不同成分的添加剂(如有机、无机、微生物添加剂)来解决堆肥过程中的养分流失和环境污染问题。目前，木屑、石灰、沸石、膨润土、过磷酸钙、磷石膏等添加剂已被用于堆肥的生产过程中，但有些材料成本较高。同时容易引入重金属、Ga2+化合物等污染物，对土壤环境有潜在危害。
堆肥过程中处理温度和周围环境的波动如图1a所示。在可降解堆肥材料的微生物分解作用下，温度迅速上升，进入嗜热阶段。含添加剂的T2-T6的温度在第二天达到最大值，分别为62.27 ℃、62.07 ℃、62.70 ℃、62.80 ℃和63.70 ℃，而对照(T1)在第四天达到峰值温度(61.53 ℃)。此外，T4-T6期间的高温持续时间(大于55 ℃)为10-12天，而T1-T3期间的高温持续时间缩短至8-9天。添加高比例生物炭的微生物菌剂可以加快进入高温阶段的进程，延长高温期。材料的温度在每次人工翻动后都有波动，这是由于引入氧气增强了微生物的降解活性。最后，微生物的活动受到可用能量物质稀缺的抑制，因此温度持续下降直至稳定。 合适的pH值(图1b)有利于微生物的繁殖和活性，并影响堆肥熟化过程。各处理的变化趋势大致一致。在预估阶段(0-3d ), pH值的升高首先归因于有机氮的矿化。然后，随着氨的蒸发，温度略有下降。人工翻堆后，物料与微生物的反应加强，导致NH3大量积累，pH值再次升高。然而，微生物活性在发酵后逐渐减弱，特别是在后期堆肥过程中，导致堆肥的pH值逐渐降低，进入稳定的分解阶段。堆肥后期各处理的pH值均高于前期。此外，T3-T6的pH值高于T1和T2，这与生物炭本身的pH值较高有关，也可能与添加剂增强了微生物分解物料的能力有关。。 在图1c中，EC值由于堆肥原料在反应器中的降解而增加，堆肥原料在早期与一些有机酸和盐形成，随后随着氨和二氧化碳的挥发而下降。14天后，EC值受少量氨挥发的影响，再次上升至最大值，然后下降。这可能是由于可降解有机物含量减少导致反应器中可溶性离子含量减少所致。此外，所有处理的最终EC值均低于4 mS/cm，符合堆肥产品的安全标准。 如图1d所示。初始堆肥时各处理的GI均低于40%，说明此时粪肥中有毒物质含量较高，不适合直接施入土壤。在堆肥过程中，GI值在第3天显著下降(T6除外)，说明此时产生了大量铵离子和一些低分子有机酸。随着堆肥的继续推进，有毒物质被降解，各处理的GI逐渐提高。T5的GI在第14天达到50%以上，而T6在第7天达到50%以上，此时堆肥产品达到基本腐败的标准(徐等，2020)。最终的GI值分别为74.59%、80.18%、87.65%、89.38%、90.13%、94.01%，T6处理大于80%，对植物无毒害作用。与T1相比，其他处理组的GI增加值是对照的1.12-1.36倍，表明添加剂能有效提高种子的发芽指数，促进堆肥产品的成熟。同时，高浓度(10%)生物炭和微生物菌剂的组合在促进腐熟过程和提高堆肥产品腐熟度方面更为明显。
堆肥过程中NH4 +-N含量的变化如图2a所示。6个处理的初始铵态氮含量分别为3.33、3.31、3.28、3.26、3.24和3.22 g/kg。在高温和高pH值的影响下，氨氧化细菌的快速生长和繁殖促进了反应器中含氮有机废物的分解，从而使NH4 +-N水平在第三天达到最大值。但是，高温和pH也会促进NH4 +-N转化为NH3，因此其含量迅速下降。有机废物的矿化在最后一段时间减弱，低温减少了NH3挥发，有利于铵态氮向硝态氮和氧化亚氮方向转化，使铵态氮含量持续下降。最后铵态氮水平的轻微增加可能与当时的堆湿度有关。尽管如此，六个处理的最终NH4 +-N浓度低于0.4 g/kg，符合堆肥熟化标准。 在堆肥过程中，各处理中NO3 --N水平的变化趋势保持不变(图2b)。前期NO3--N含量无明显变化，浓度相对较低，直至分解阶段浓度开始逐渐升高。在早期过程中，硝化细菌的生长和繁殖受到反应器内高温和堆料高pH值的限制。然而，在最后阶段，温度和pH值的降低增强了硝化细菌的活力，并通过硝化作用将更多的NH4 +-N转化为NO3--N，从而增加了硝态氮的浓度。最终NO3- -N含量分别为0.40、0.44、0.44、0.47、0.49和0.51 g/kg，对照组最低，这可能与反硝化作用挥发了更多的N2O有关。同时，其他处理中NO3--N含量较低，可能与生物炭吸附了较多的NH4 +-N和NO3--N以及外源细菌的加入限制了土著硝化细菌的活性有关。无论如何，与对照相比，最终的NO3--N水平(含添加剂的T2-T6)高于T1，表明它有利于氮的保持。 氨排放是堆肥中氮损失的主要原因，与温度密切相关，主要集中在高温阶段(图2c)。在初期，随着堆温的迅速升高，有机氮组分迅速分解为NH4 +-N，高pH值大大促进了氨的排放。从图中可以看出，所有处理在第三天达到峰值，排放速率分别为4.58、3.95、4.49、4.29、4.05和3.48 g/d。当高温期结束，pH值下降时，NH3排放逐渐下降，所有处理在第27天都没有检测到氨排放。与温度的变化相似，人为翻堆导致NH3的释放也有波动。相应地，从T1到T6处理的NH3累积释放到结束时分别为19.12、17.95、17.44、16.53、15.84和12.83克。与T1相比，其他处理的NH3排放分别减少了6.12%、8.78%、13.57%、17.13%和32.88%。生物炭本身的优势(多孔结构、大比表面积和丰富的官能团)可以吸附更多的NH3和NH4 +。此外，外源微生物菌剂的添加影响了碳氮代谢，从而抑制了NH3挥发。 堆肥过程中氮素损失的原因不仅是氨挥发，还有反硝化过程中N2O的排放。因此，控制N2O的排放对固氮也有一定的意义。如图2d所示，N2O的释放速率在加热和嗜热阶段相对较低且稳定，这可能是由于高温和高浓度的铵盐限制了硝化细菌和反硝化细菌的活性，导致氮主要以NH3的形式损失。随后，N2O出现先升后降的趋势，最后阶段略有上升可能是因为厌氧条件的形成。从N2O累积排放量来看，T2-T6比T1分别减少了66.25、62.39、87.60、106.52和112.46克。这意味着利用生物炭和微生物制剂有助于控制N2O的排放。显然，高浓度生物炭(7.5%和10%)的改性对抑制氧化亚氮排放的效果更为显著。这可能是因为添加生物炭降低了堆的堆积密度，增加了堆内的空气流量，从而优化了堆肥中的氧气分布和利用。 TKN是反映堆肥质量的重要参数。堆肥反应过程中TKN浓度的变化如图2e所示。堆肥开始时，各处理的TKN值分别为14.81 (T1)、14.84 (T2)、14.66 (T3)、14.54 (T4)、14.27 (T5)和14.17 (T6) g/kg，T3-T6的初始值较低可能是由于生物炭的含氮量较少。TKN在整个过程中的变化趋势与NH4 +-N的变化趋势呈负相关(图2a)，分别在0-3天和7-14天下降，这是由于高温阶段含氮物质分解和大量NH3挥发造成的。高温过后，氨气排放的减少和废弃物逐渐矿化产生的“浓度效应”导致TKN含量从第14天开始持续增加，直至堆肥结束。末期TKN含量为22.99-23.45g/kg，T1-T6处理的生长率分别为58.40%、54.91%、59.47%、60.28%、63.98%和62.56%。T3- T6处理中的TKN生长率大于T1，这表明添加微生物制剂处理的生物炭在氮保留中发挥了重要作用，这可能是由于有机材料降解和含氮有机物形成的益处。
生物炭的多孔结构可以吸收更多的NH4 +-N和NO3--N，同时储存更多的氧气改善厌氧环境，从而减少NH3和N2O的排放。NH3挥发和N2O排放是有机废物堆肥过程中氮素损失的两种主要形式。本试验中，NH3+-N对总氮损失的贡献率为97.32%~97.88%，其中T6最低，T2最高。相比之下，各处理N2O对总氮损失的贡献率为2.12% ~ 2.68%，其中T2最低，T6最高。这意味着10% PSB与EM结合更有利于控制NH3的排放，单个EM对N2O的排放有更显著的影响，可能是因为添加的细菌抑制了反硝化细菌的活性。总之，PSB与EM配合施用可以减少氮素损失，增强氮素固存。
在细菌门水平的堆肥过程中(图3a)，每次处理早期的细菌主要由厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门和放线菌门组成。其中，T2的厚壁菌门(90.24%)含量最高，那家这是由于添加的菌剂中含有丰富的芽孢杆菌。然后发现其比例随着生物炭浓度的增加而降低，相反，拟杆菌门(19.37%)和变形菌门(7.13%)在10%生物炭中最高。此外，第0天T4和其他处理之间的细菌丰度的巨大差异可能是由不均匀采样引起的。厚壁菌产生的孢子具有耐热性，因此高温阶段厚壁菌最高(68.05%~86.69%)，冷却和成熟阶段则降至5.44%~25.03%。它是纤维素、半纤维素以及木质素降解的驱动力，并产生各种有机酸、醇和脂质。变形菌与氮素保存过程有一定的联系，因为它可以使氮素固定，减少氮素损失。此外，固氮酶已被报道存在于类杆菌中，但对温度敏感。因此，随着温度的升高，其他门的相对丰度急剧下降，尤其是拟杆菌门和放线杆菌门，但在堆肥腐熟阶段丰度上升。与0日龄相比，变形菌门(7.22% ~31.84%，除T4外)、放线菌门(2.31%~12.60%，除T1外)、类杆菌门(17.49%~32.51%)、拟杆菌门(1.67%~2.73%)、芽孢杆菌门(1.00%~1.75%)、粘球菌门(0.24%~1.88%)和疣状微生物门(0.81%~5.30%)的丰度在0日龄显著增加。结果表明桃壳生物炭和微生物菌剂有利于细菌群落由厚壁菌门向变形菌门、拟杆菌门和放线菌门转化，对堆肥过程中有机物的降解和碳氮循环有重要作用。 Shannon指数(图3b)和Chao1指数(图3c)通常用于描述细菌群落的丰富度和均匀度。当曲线趋于平滑时，显示出渐近合理的测序数据，以及测序深度基本覆盖样品中的所有物种。从图中可以看出，成熟期的Shannon指数高于嗜热期的Shannon指数，这表明成熟期的细菌群落种类比嗜热期的丰富，与对照相比，添加剂处理更显著，尤其是T6。这意味着添加剂刺激细菌活性，在堆肥的高温阶段产生更高的细菌多样性。此外，堆肥腐熟期添加添加剂后细菌群落的Chao1指数普遍高于T1，说明添加剂能有效提高微生物的种类和数量，丰富细菌群落结构。同时，T6处理的Chao1指数在所有处理中最高，即10%生物炭和微生物菌剂更有利于提高微生物丰富度。
为了探索不同处理对堆肥中细菌群落结构的丰富性和多样性的影响，计算了α多样性指数(图4a-4f ),如货物覆盖度、观察到的操作分类单位(OTUs)、Shannon、Simpson、chao1和pielou。显而易见，所有处理中细菌群落的商品覆盖率均大于0.999，表明测量数据可靠且具有良好的测序深度。在所涉及的检测期内，不同处理中观察到的细菌OTUs总数为2483、2919、2274、2607、2737和2883。辛普森指数和香农指数用来表示物种多样性的程度，数值越高，物种多样性越高。随着反应进程的进行，各处理的Shannon指数和Simpson指数先下降后逐渐上升，T2、T4和T6处理在成熟期再次下降。此外，对于T1至T6，Chao 1值的估计总细菌种类为2499.770、2929.244、2282.408、2615.276、2748.816和2896.995。T1–T6的pielou值为0.7528、0.737、0.7264、0.7162、0.7336和0.7216，这意味着对照组中的样本更均匀。这些结果说明添加微生物菌剂的生物炭对细菌组成的多样性和均匀性有积极的影响，不同浓度的生物炭效果不同，其中10%的生物炭效果最好。这与Du等人(2019)的结论一致，即生物炭剂量可以改变微生物多样性。
图5是具有前100个属的代表性序列的物种进化树，以进一步理解在属水平上的物种的系统发育关系。厚壁菌门是嗜热期和高温期的优势门，其中芽孢杆菌属(18.65%)、嗜热芽孢杆菌属(7.55%)和淡水藻类(37.13%)的丰度较高。芽孢杆菌和嗜热芽孢杆菌是耐热细菌，可将纤维素、木质素等难降解物质降解为小分子有机物。变形菌是功能上与碳氮循环相关的细菌，其中螯合弧菌(6.93%)和假单胞菌(4.57%)以及藤黄单胞菌(3.05%)是堆肥高温阶段和冷却阶段的优势菌群。藤黄单胞菌是堆肥过程中广泛存在的反硝化细菌。在本试验中，处理(T4-T6)中的藤黄单胞菌丰度均低于其他三个处理，其中10%生物炭和微生物菌剂组合的处理丰度最低。这意味着添加剂可以抑制堆肥中反硝化微生物的生长，减少N2O的释放和氮素损失。在整个堆肥过程中，从堆肥初期到腐熟期，类杆菌的数量增加了17.49%~32.51%，主要是太白杆菌(10.27%)、土壤杆菌(5.65%)和拟杆菌(5.12%)。同样，放线菌的丰度从初期到成熟期增加了2.31% ~ 12.60%(T1除外)，主要是棒状杆菌、外阴杆菌和长孢菌。拟杆菌门和放线杆菌门都热衷于木质纤维素的降解，可以加速堆体的降解，缩短堆肥时间。发现10%生物炭和微生物菌剂处理组这两个门的丰度较高，因此该处理对加速堆肥腐熟有积极作用。
冗余分析可用于表征细菌群落和理化指标以及各种环境因素之间的相关性(图6)。所有处理的细菌门水平和理化性质的RDA前两轴方差为87.20% ~ 93.90%。冗余分析结果表明，温度与NH3、NH4 +- N和厚壁菌门呈正相关，与NO3--N、TKN、变形菌、放线菌和拟杆菌门呈负相关，与上述结果一致。pH与变形菌门、放线菌门和拟杆菌门呈正相关，与厚壁菌门呈负相关。因此，可以通过向反应器中添加添加剂来调节温度和pH，以提高细菌群落的丰度。 此外，变形菌、放线菌和拟杆菌与NO3--N、TKN和N2O密切相关，但与NH3和NH4 +-N呈负相关，表明它们对反硝化作用有促进作用，这意味着它们更有利于堆肥中的固氮作用。综上所述，微生物菌剂和生物炭的加入改善了堆体的物理化学环境，生物炭增加了反应器的孔隙率，增加了氧气的渗透，调节了微生物结构，有利于氮素的固定，减少了氮素的损失。 在SM和WS堆肥中添加桃壳生物炭和微生物菌剂能有效提高温度和pH值，加速堆肥物料的降解和腐熟过程。结果表明，与对照相比，实验组减少了NH3和N2O的排放，同时增加了NO3 -N和TKN的浓度。此外，添加微生物菌剂的生物炭也有效地丰富了优势菌群，向减排保氮方向发展。从保氮的角度来看，添加10%生物炭的微生物菌剂对SM堆肥更有效。 文献链接： https:///10.1016/j.biortech.2023.129555 |
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