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”。本研究以豬糞好氧堆肥過程為研究目標，通過宏基因組測序、Hedley 磷分級和 31P NMR 等技術手段，系統解析了生物炭負載四氧化三鐵納米顆粒（BC-Fe3O4NPs）對堆肥中磷形態轉化及微生物群落的調控機制，為解決農田無機磷過量積累問題、保護環境和實現磷的可持續利用提供了理論依據。
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?納米顆粒（20 nm）按質量比 5:3 混合。將 0%、1%、5% 和 10% 的 BC-Fe?O?納米顆粒處理分別記為對照組CK、F1、F2 和 F3。每個組在堆肥第0天、第7天、第28天、第50分別采樣，并設置 3 個重復。
2、微生物組測序
對樣本進行宏基因組測序，確定微生物菌群群落組成。
3、其他分析
理化性質檢測、過氧化氫和羥基分析和磷形態檢測等。
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
所有處理組均在第4天達最高溫，且高濃度BC-Fe?O?NPs納米顆粒在堆肥初期抑制微生物活性導致溫度降低；pH值在升溫階段先升后降，最終達到弱堿性；EC 值呈“降-升-降”的趨勢；各處理組C/N比隨時間下降，F1組因微生物活性高致 C/N 最低。
圖2 堆肥過程中理化性質的變化
2.羥基（?OH）和過氧化氫（H2O2）含量的變化
羥基自由基（?OH）具有優異的氧化性能，可以促進堆肥降解。如圖3所示，CK中的?OH濃度在第7天達到峰值。而F1則在第14 d達到最大。堆肥后，F1和F2處理的腐殖酸含量高于對照，表明BC-Fe?O?NPs納米顆粒的摻入促進了β-OH的產生。CK組的H2O2先增后減，F1，F2和F3組的H2O2，含量均低于CK組。
圖3 堆肥過程中H2O2和?OH含量的變化。
3.堆肥過程中磷的形態變化
研究表明，堆肥結束時各組的總磷含量較初始均有所增加；活性磷（AP）中H2O-OP含量下降，NaHCO3-IP 和 NaHCO3-OP 上升，中等活性磷（MAP）中NaOH-IP因與Fe3?結合而增加，NaOH-OP受腐殖化過程影響呈波動變化；難溶性磷（NAP）中HCl-IP、HCl-OP和Residual-P比例顯著提升，尤其F2、F3 處理的 Residual-P占總磷超 49%，表明BC-Fe?O?NPs促進磷向穩定形態轉化，且高濃度材料對穩定態磷的形成效果更顯著（圖4）。對CK和F3的堆肥樣品進行了31P NMR 分析。隨著堆肥過程的進行，CK處理在第50天時出現了峰的化學位移，表明含磷化合物經歷了從單脂磷酸到正磷酸鹽的轉化。F3在第 50 天檢測到對應單脂磷酸的峰。研究表明，堆肥可誘導有機磷礦化，加速堆肥中有機磷向無機磷的轉化，而BC-Fe?O?NPs中的Fe可吸附或沉淀部分無機磷，使其轉化為更穩定的形態（圖5）。
圖5 31P 同位素的核磁共振信號差異
4.細菌群落的多樣性及其演替變化情況堆肥化
基于宏基因組測序分析，豬糞好氧堆肥的微生物群落主要由厚壁菌門、放線菌門、變形菌門和擬桿菌門組成；不同處理組中放線菌門動態差異顯著。 F1和 F2組的 Shannon 指數和均勻度高于CK組，而 F3因納米材料潛在毒性抑制微生物，導致多樣性指標降低（圖6）。NMDS 分析顯示，堆肥初始階段各組的細菌群落 β 多樣性差異小，高溫階段因BC-Fe?O?NPs添加量不同顯著分散，腐熟期又趨同，表明納米材料添加量和堆肥階段共同影響群落結構；層次聚類熱圖表明，糖單孢菌屬、Caldibacillus 等功能菌在中高溫階段協同降解有機物（圖7）。
圖6 堆肥過程中細菌群落的變化與Alpha多樣性指數
圖7 堆肥過程中細菌群落結構的變化
5.優勢菌群門類與磷的形態分類之間的相關性分析
Mantel 檢驗分析磷組分析顯示，在對照組（CK）中，放線菌與其他細菌群落之間沒有顯著的相關性，而氫氧化鈉處理后的磷（NaOH-P）也與藍藻、酸桿菌、疣微菌門、綠桿菌門或桿菌門之間沒有顯著的聯系，除了與放線菌之間存在顯著的相關性；F1組中放線菌與其他細菌群落之間建立了顯著的正相關關系，顯著增強放線菌門與其他菌群的正相關性，Residual-P與細菌群落之間的關系也得到了加強，其中厚壁菌門和擬桿菌門表現出顯著的相關性，而NaOH-P與細菌群落之間的關系則顯著減弱；隨添加濃度的升高，放線菌與其他細菌群落間的相關性減弱。從機制上看，低濃度納米材料通過促進功能菌群協同降解有機物增強菌群互作，高濃度則因鐵離子直接沉淀磷及抑制微生物代謝，削弱磷組分與菌群的關聯（圖8）。為進一步闡明堆肥中磷形態轉化機制，研究利用結構方程模型（SEM）分析理化性質、微生物群落與磷組分的相互作用。發現?OH與NMDS呈顯著負相關（P<0.001），H2O2與Shannon呈顯著正相關（P<0.001），揭示了“材料添加→活性氧生成→微生物響應→磷形態轉化”的級聯調控路徑。這一完整過程不僅凸顯了H2O2在磷形態轉化中的關鍵作用，也揭示了生物炭特性與鐵循環在磷有效性和管理中的協同相互作用（圖9）。
圖8 優勢類群與磷形態的相關性
圖9 結構方程分析
研究結論
本研究系統探究了生物炭負載 Fe?O?納米顆粒（BC-Fe?O?NPs）在豬糞好氧堆肥過程中對微生物群落多樣性及磷形態轉化的影響機制。通過設置梯度添加實驗發現，低濃度BC-Fe?O?NPs（1%）通過催化產生?OH 和 H?O?，顯著提升堆肥高溫期溫度，刺激微生物群落多樣性增長，并加速有效磷（AP）向非有效性磷（NAP）的轉化，有利于降低磷流失風險；而高濃度處理則因抑制微生物活性，導致堆肥溫度下降、群落結構單一化。結合結構方程模型，明確了 BC-Fe?O?NPs 調控磷形態轉化的關鍵路徑，為鐵基納米復合材料在堆肥領域的應用奠定理論基礎。
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)
原文鏈接：//doi.org/10.1016/j.jece.2025.115364
