我国动物蛋白生产量高达世界总产量20%，畜禽粪便产生量亦非常巨大，高达40亿吨/年。高温好氧堆肥技术是实现畜禽粪便无害化处理，将其转化为有机肥料，实现农牧循环的最重要技术。然而，饲料添加剂中重金属残留、堆肥产品腐殖化程度低、堆肥过程氨气和温室气体排放量高等问题，严重危害畜禽粪便肥料化利用的安全性以及大气环境质量。传统的处理方式以外源添加剂为主，往往技术成本高，效果不稳定，难以实现规模化应用。因此，高效易行、绿色环保、安全高质的堆肥技术及产品一直是国内外研究的热点。
中科院农业资源研究中心马林课题组针对上述问题
，从堆肥生化反应氧化还原过程本质出发，创新引入外源电场，系统研究了强化堆肥电子传递过程对堆肥微生物腐殖质的合成、重金属的形态以及氨气和温室气体排放的影响。
首先，电场作用对堆肥微生物腐殖质、重金属形态的影响研究表明，堆肥中总细菌丰度和与细菌代谢相关的通路显著提高，微生物活动增强，并通过加速有机质降解来满足自身代谢需求。电场辅助改变了细菌菌群结构，提高了放线菌门丰度，加速有机质（尤其是大分子物质）降解形成小分子有机碳，用于腐殖质的形成。电场作用下，腐殖质和腐殖酸的含量分别显著提高19%和69%，腐殖酸结合态的铜、锌、砷和镉含量分别提高了34%、41%、29%和135.1%。腐殖酸和腐殖酸结合态重金属表现出显著的正相关关系（R2=0.60-0.87）。表明电场辅助可通过提高腐殖质含量，强化堆肥中重金属钝化能力，创新性地提出了堆肥重金属钝化的内修复新技术。上述研究成果以“An electric field immobilizes heavy metals through promoting combination with humic substances during composting”为题，在Bioresource technology （IF=9.642）上发表，DOI: 10.1016/j.biortech.2021.124996。
图1. 总细菌丰度变化（a）；PICRUSt2预测的KEGG代谢相关的代谢通路（b），其中正值和负值分别表示与对照处理（CK）相比，低电压（L）和高电压（H）处理下KEGG代谢通路被上调和下调；堆肥产品腐殖质、腐殖酸和富里酸含量变化（c）；堆肥产品中腐殖酸和腐殖酸结合态重金属的关系（d）
电场辅助堆肥对氨气和温室气体的影响方面，研究团队也做了深入研究。堆肥过程中的N2O产生途径错综复杂、难以区分，目前尚缺乏减排的针对性技术。研发团队结合氮素形态分析、同位素图谱、高通量测序等技术揭示了堆肥过程N2O产生途径，并解析了其潜在的生物电化学机制。结果表明，堆肥过程N2O主要产生于堆肥后期的硝化细菌反硝化途径，而异养反硝化途径在堆肥过程中贡献的N2O大部分被还原为N2（图2）。电场辅助技术减少了堆肥过程18.7-24.3%的氨挥发和28.5-75.5%的N2O产生。氨氧化抑制是辅助电场减少N2O产生的关键机制，电场辅助可显著减少氨氧化关键菌Nitrosomonadaceae的比例（图3），电场辅助引发的氨氧化抑制被归因于有机质降解导致的氧浓度限制加强了异养菌和氨氧化细菌（Nitrosomonadaceae）的竞争。电场作用对氨气影响的研究以“Nitrifier denitrification dominates nitrous oxide production in composting and can be inhibited by a bioelectrochemical nitrification inhibitor”为题，在Bioresource technology上发表，DOI:10.1016/j.biortech.2021.125851
研发团队还做了电场辅助堆肥对畜禽粪便中存留各种化学饲料添加剂（如NaHCO3等）影响的研究。结果表明，添加剂直接增加堆体电势强度可加速电子转移过程，但并未强化细菌好氧呼吸和氧气消耗，说明主导堆肥过程氧气消耗的机制是电子产生而不是电子转移。其他电解质（KCl和NaHCO3）对NH3和N2O的排放并无影响，表明饲料添加剂盐分的存在并不会对电场辅助的气体减排效果产生不利影响。电场辅助堆肥对化学饲料添加剂影响的研究以“The effects of electric field assisted composting on ammonia and nitrous oxide emissions varied with different electrolytes”为题，在Bioresource technology上发表，DO10.1016/j.biortech.2021.126194。
图2. 同位素图谱技术能够分析不同处理在不同取样时间可能的微生物途径（a）：ND、HD、FD和NN所在的箱子分别表示硝化细菌反硝化、异养反硝化、真菌反硝化和硝化细菌硝化；混合模型中两个情景下异养硝化途径产生N2O的还原比例（b）；基于PICRUSt2分析的硝化细菌反硝化相关的MetaCyc代谢通路（c）
上述三项研究系统解析了电场辅助介导堆肥过程碳氮转化的微生物学机制，创新性地提出了堆肥腐殖质增量、重金属钝化、氨气和温室气体协同减排的新途径，可为我国废弃物资源化的高效利用与低环境影响提供理论和技术支撑。本研究首次提出基于自下而上的思路解决堆肥过程N2O减排问题，即首先探明N2O产生途径，进而针对性地采取技术干预。本研究支持将电场辅助作为堆肥中N2O减排的新型硝化抑制剂，该技术的应用可避免传统硝化抑制剂高温降解、效果不稳定的问题。
图3. 硝化（Arch-amoA、Bac-amoA、nxrA）和反硝化（nraG、nirK、NirS、nosZ）功能基因丰度变化（a-g）；导电物质介导电场辅助堆肥过程氮转化及N2O产生机制图（f）
上述系统研究阐明了电场辅助对堆肥过程腐殖质增量、重金属钝化及氨气和温室气体协同减排的影响机制，可为畜禽粪尿多污染物协同消减技术提供理论支撑，为畜禽粪尿无害化和资源化探索了新的技术途径。
王选副研究员与博士研究生曹玉博为论文的第一作者，中科院遗传所农业资源研究中心马林研究员为论文通讯作者，该研究得到了中国科学院A类战略性先导科技专项[XDA28030302]、国家自然科学基金[31872403]、中国科学院科技服务网络计划项目[KFJ-STS-QYZD-160]、中国科学院青年创新促进会青促会[2021095]、河北省重点研发计划[20327301D, 20373806D]等项目资助。
文章信息：
1. Yubo Cao, Xuan Wang, Xinyuan Zhang, Tom Misselbrook, Zhaohai Bai, Lin Ma*. 2021a. An electric field immobilizes heavy metals through promoting combination with humic substances during composting. Bioresource technology. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852421003357
2. Yubo Cao, Xuan Wang, Xinyuan Zhang, Tom Misselbrook, Zhaohai Bai, Lin Ma*. 2021b. Nitrifier denitrification dominates nitrous oxide production in composting and can be inhibited by a bioelectrochemical nitrification inhibitor. Bioresource technology. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852421011925
3. Yubo Cao, Xuan Wang, Xinyuan Zhang, Tom Misselbrook, Zhaohai Bai, Hongge Wang, Lin Ma*. 2021c. The effects of electric field assisted composting on ammonia and nitrous oxide emissions varied with different electrolytes. Bioresource technology. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126194
（撰稿人：王选、曹玉博、马林）
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