2025-08-18
好氧堆肥是實現豬糞資源化的有效手段，但傳統堆肥存在腐熟度低、周期長等不足，故有研究提出，外源添加劑納米材料如Fe3O4NPs，可以有效改善堆肥質量。近期中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土保護與利用國家重點實驗室在期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》上發表新科研成(cheng)果“Biochar-supported Fe?O? nanoparticles affects bacterial community diversity and phosphorus speciation transformation during pig manure aerobic composting by generating hydroxyl radicals and hydrogen peroxide”。本研究(jiu)以豬糞好氧堆肥過程為(wei)研究(jiu)目標，通過宏基(ji)因(yin)組測(ce)序、Hedley 磷分級和 31P NMR 等技術手段，系統解析(xi)了生(sheng)物炭負載四氧化(hua)三鐵納米顆粒(li)（BC-Fe3O4NPs）對堆肥中磷形(xing)態轉化(hua)及微生(sheng)物群落的調控機制，為(wei)解決農田無機磷過量積累問題、保護(hu)環(huan)境和實現磷的可持續(xu)利用提供了理(li)論依據(ju)。
本研究的宏基因組測序和部分分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究方法
1、實驗設計和樣本采集
生物炭與 Fe?O?納米(mi)顆(ke)粒（20 nm）按質量(liang)比 5:3 混(hun)合。將 0%、1%、5% 和 10% 的 BC-Fe?O?納米(mi)顆(ke)粒處理分別記為對(dui)照組(zu)(zu)CK、F1、F2 和 F3。每(mei)個組(zu)(zu)在堆肥(fei)第(di)0天(tian)、第(di)7天(tian)、第(di)28天(tian)、第(di)50分別采樣，并設置 3 個重復(fu)。
2、微生物組測序
對(dui)樣本進(jin)行宏基因組測序，確(que)定(ding)微(wei)生(sheng)物菌群群落組成(cheng)。
3、其他分析
理化性(xing)質檢(jian)測(ce)、過氧化氫和羥(qian)基分析和磷形(xing)態檢(jian)測(ce)等。
圖1 技術路線圖
研究成果
1.溫度、pH 值、電導率以及碳氮比的變化
所有(you)處(chu)理組(zu)均(jun)在(zai)第4天達(da)最(zui)高溫(wen)，且高濃度BC-Fe?O?NPs納米顆粒在(zai)堆(dui)肥(fei)初期抑制微生物(wu)(wu)活性導致溫(wen)度降低；pH值在(zai)升溫(wen)階段先升后降，最(zui)終達(da)到弱堿(jian)性；EC 值呈(cheng)“降-升-降”的趨(qu)勢(shi)；各(ge)處(chu)理組(zu)C/N比隨時(shi)間下降，F1組(zu)因微生物(wu)(wu)活性高致 C/N 最(zui)低。
圖2 堆(dui)肥過程中理化(hua)(hua)性質的變(bian)化(hua)(hua)
2.羥基（?OH）和過氧化氫（H2O2）含量的變化
羥基(ji)自由基(ji)（?OH）具(ju)有優異(yi)的(de)(de)氧化(hua)性能，可以促進(jin)堆肥降解。如圖3所示(shi)，CK中的(de)(de)?OH濃度在第7天達(da)到(dao)峰(feng)值。而F1則(ze)在第14 d達(da)到(dao)最大。堆肥后，F1和F2處理的(de)(de)腐(fu)殖(zhi)酸含量高于(yu)對(dui)照(zhao)，表(biao)明BC-Fe?O?NPs納米顆粒的(de)(de)摻入促進(jin)了β-OH的(de)(de)產生。CK組的(de)(de)H2O2先(xian)增后減，F1，F2和F3組的(de)(de)H2O2，含量均低于(yu)CK組。
圖3 堆肥過(guo)程中H2O2和?OH含量的變化。
3.堆肥過程中磷的形態變化
研究(jiu)表(biao)明(ming)，堆肥結束時(shi)各組的(de)(de)(de)(de)(de)總磷(lin)含(han)(han)量(liang)較初始均有所(suo)增加；活性磷(lin)（AP）中(zhong)H2O-OP含(han)(han)量(liang)下(xia)降，NaHCO3-IP 和 NaHCO3-OP 上(shang)升，中(zhong)等活性磷(lin)（MAP）中(zhong)NaOH-IP因與Fe3?結合而增加，NaOH-OP受腐殖化過(guo)(guo)程影響呈波動變(bian)化；難溶性磷(lin)（NAP）中(zhong)HCl-IP、HCl-OP和Residual-P比例顯(xian)(xian)著提(ti)升，尤其F2、F3 處(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de) Residual-P占總磷(lin)超(chao) 49%，表(biao)明(ming)BC-Fe?O?NPs促進(jin)磷(lin)向(xiang)穩(wen)定形態(tai)轉(zhuan)化，且高濃度(du)材(cai)料對(dui)穩(wen)定態(tai)磷(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)效果更顯(xian)(xian)著（圖4）。對(dui)CK和F3的(de)(de)(de)(de)(de)堆肥樣品進(jin)行(xing)了(le)(le)31P NMR 分(fen)(fen)析。隨著堆肥過(guo)(guo)程的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)行(xing)，CK處(chu)理(li)(li)在第(di)50天(tian)時(shi)出(chu)現了(le)(le)峰(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)化學位移，表(biao)明(ming)含(han)(han)磷(lin)化合物經(jing)歷了(le)(le)從單脂(zhi)磷(lin)酸到正磷(lin)酸鹽的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)化。F3在第(di) 50 天(tian)檢測(ce)到對(dui)應單脂(zhi)磷(lin)酸的(de)(de)(de)(de)(de)峰(feng)。研究(jiu)表(biao)明(ming)，堆肥可誘導有機(ji)(ji)磷(lin)礦化，加速堆肥中(zhong)有機(ji)(ji)磷(lin)向(xiang)無(wu)機(ji)(ji)磷(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)化，而BC-Fe?O?NPs中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)Fe可吸(xi)附或沉淀部分(fen)(fen)無(wu)機(ji)(ji)磷(lin)，使其轉(zhuan)化為更穩(wen)定的(de)(de)(de)(de)(de)形態(tai)（圖5）。
圖5 31P 同(tong)位(wei)素的核磁(ci)共振信(xin)號差(cha)異
4.細菌群落的多樣性及其演替變化情況堆肥化
基(ji)(ji)于宏基(ji)(ji)因組(zu)測(ce)序分(fen)析，豬糞好氧堆肥(fei)(fei)的微生(sheng)物(wu)群落(luo)主要(yao)由厚壁(bi)菌(jun)門、放線菌(jun)門、變(bian)形菌(jun)門和(he)擬桿(gan)菌(jun)門組(zu)成；不同(tong)(tong)(tong)處理組(zu)中放線菌(jun)門動態差異(yi)顯(xian)著。 F1和(he) F2組(zu)的 Shannon 指數和(he)均(jun)勻度(du)高于CK組(zu)，而(er) F3因納(na)(na)米材(cai)料潛在毒(du)性(xing)抑制(zhi)微生(sheng)物(wu)，導致(zhi)多樣性(xing)指標降低（圖6）。NMDS 分(fen)析顯(xian)示，堆肥(fei)(fei)初始階段各組(zu)的細菌(jun)群落(luo) β 多樣性(xing)差異(yi)小，高溫階段因BC-Fe?O?NPs添加量(liang)不同(tong)(tong)(tong)顯(xian)著分(fen)散，腐熟期又(you)趨同(tong)(tong)(tong)，表明納(na)(na)米材(cai)料添加量(liang)和(he)堆肥(fei)(fei)階段共同(tong)(tong)(tong)影響群落(luo)結構(gou)；層(ceng)次(ci)聚類熱(re)圖表明，糖單(dan)孢(bao)菌(jun)屬、Caldibacillus 等功(gong)能菌(jun)在中高溫階段協同(tong)(tong)(tong)降解有機物(wu)（圖7）。
圖(tu)6 堆肥(fei)過(guo)程中細菌群落的變化(hua)與Alpha多樣性指數
圖7 堆(dui)肥過程中細菌群落結構的(de)變化
5.優勢菌群門類與磷的形態分類之間的相關性分析
Mantel 檢驗分(fen)析(xi)磷(lin)組(zu)分(fen)析(xi)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)，在對照組(zu)（CK）中(zhong)，放(fang)(fang)線菌(jun)(jun)(jun)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)其他細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)落(luo)之間(jian)(jian)沒有(you)(you)顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)性(xing)，而(er)(er)氫(qing)氧化(hua)(hua)(hua)鈉處理(li)(li)后的(de)(de)(de)(de)(de)磷(lin)（NaOH-P）也與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)藍藻、酸(suan)桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)、疣微菌(jun)(jun)(jun)門(men)、綠桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)門(men)或桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)門(men)之間(jian)(jian)沒有(you)(you)顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)聯系(xi)，除(chu)了(le)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)放(fang)(fang)線菌(jun)(jun)(jun)之間(jian)(jian)存在顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)性(xing)；F1組(zu)中(zhong)放(fang)(fang)線菌(jun)(jun)(jun)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)其他細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)落(luo)之間(jian)(jian)建立了(le)顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)正相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)，顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)增強(qiang)(qiang)放(fang)(fang)線菌(jun)(jun)(jun)門(men)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)其他菌(jun)(jun)(jun)群(qun)的(de)(de)(de)(de)(de)正相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)性(xing)，Residual-P與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)落(luo)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)也得到了(le)加強(qiang)(qiang)，其中(zhong)厚壁(bi)菌(jun)(jun)(jun)門(men)和(he)擬桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)門(men)表現(xian)出顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)性(xing)，而(er)(er)NaOH-P與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)落(luo)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)則(ze)(ze)顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)減弱(ruo)；隨(sui)添(tian)加濃(nong)(nong)度的(de)(de)(de)(de)(de)升高，放(fang)(fang)線菌(jun)(jun)(jun)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)其他細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)落(luo)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)性(xing)減弱(ruo)。從(cong)機制上看，低濃(nong)(nong)度納(na)米材料(liao)通過促(cu)進(jin)功能菌(jun)(jun)(jun)群(qun)協(xie)同降解有(you)(you)機物(wu)(wu)(wu)(wu)增強(qiang)(qiang)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)互(hu)作，高濃(nong)(nong)度則(ze)(ze)因鐵離子(zi)直接沉淀(dian)磷(lin)及(ji)抑(yi)制微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)代謝，削(xue)弱(ruo)磷(lin)組(zu)分(fen)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)菌(jun)(jun)(jun)群(qun)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)聯（圖8）。為進(jin)一步闡明堆(dui)肥(fei)中(zhong)磷(lin)形(xing)態(tai)(tai)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)機制，研究利(li)用(yong)(yong)結(jie)構方程模型（SEM）分(fen)析(xi)理(li)(li)化(hua)(hua)(hua)性(xing)質、微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)群(qun)落(luo)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)磷(lin)組(zu)分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)。發現(xian)?OH與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)NMDS呈顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)負相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)（P<0.001），H2O2與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)Shannon呈顯(xian)(xian)著(zhu)(zhu)正相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)(guan)（P<0.001），揭(jie)示(shi)(shi)了(le)“材料(liao)添(tian)加→活性(xing)氧生(sheng)成(cheng)→微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)響應→磷(lin)形(xing)態(tai)(tai)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)”的(de)(de)(de)(de)(de)級聯調(diao)控路徑。這一完整過程不僅凸顯(xian)(xian)了(le)H2O2在磷(lin)形(xing)態(tai)(tai)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)鍵(jian)作用(yong)(yong)，也揭(jie)示(shi)(shi)了(le)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)炭特性(xing)與(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)鐵循環(huan)在磷(lin)有(you)(you)效性(xing)和(he)管理(li)(li)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)協(xie)同相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)(yong)（圖9）。
圖8 優(you)勢類群與磷形(xing)態的(de)相(xiang)關性
圖9 結構方程分析
研究結論
本研究系統探究了(le)生(sheng)物炭負載 Fe?O?納(na)米顆粒（BC-Fe?O?NPs）在(zai)豬糞好(hao)氧堆(dui)肥(fei)過程(cheng)中對微生(sheng)物群落多樣性(xing)及磷(lin)(lin)形態轉(zhuan)化的(de)影(ying)響機(ji)制。通(tong)過設(she)置梯度添加(jia)實驗發現，低濃(nong)(nong)度BC-Fe?O?NPs（1%）通(tong)過催化產生(sheng)?OH 和(he) H?O?，顯著提升堆(dui)肥(fei)高溫期溫度，刺激微生(sheng)物群落多樣性(xing)增長(chang)，并加(jia)速有(you)效磷(lin)(lin)（AP）向非有(you)效性(xing)磷(lin)(lin)（NAP）的(de)轉(zhuan)化，有(you)利于(yu)降(jiang)低磷(lin)(lin)流失(shi)風險；而(er)高濃(nong)(nong)度處理則因抑制微生(sheng)物活(huo)性(xing)，導(dao)致堆(dui)肥(fei)溫度下(xia)降(jiang)、群落結構(gou)單一化。結合(he)結構(gou)方程(cheng)模型，明(ming)確了(le) BC-Fe?O?NPs 調控磷(lin)(lin)形態轉(zhuan)化的(de)關鍵路徑，為鐵(tie)基納(na)米復合(he)材料在(zai)堆(dui)肥(fei)領域的(de)應用(yong)奠定(ding)理論基礎(chu)。
原文引用：Ning Y, Kang W, Jia Z, Nana L, Rui Y, et al. Biochar-supported Fe?O? Nanoparticles Affects Bacterial Community Diversity and Phosphorus Speciation Transformation During Pig Manure Aerobic Composting by Generating Hydroxyl Radicals and Hydrogen Peroxide[J], JOURNAL OF ENVIRONMENTAL CHEMICAL ENGINEERING, 2025, 13(2)
原文(wen)鏈接：//doi.org/10.1016/j.jece.2025.115364
