纳米零价铁对猪粪与枸杞枝共堆肥中氮保留及温室气体排放的影响机制研究

本研究针对有机废弃物堆肥过程中氮损失和温室气体(GHGs)排放问题，通过添加不同梯度纳米零价铁(nZVI)探究其对猪粪(SS)与枸杞枝(WB)共堆肥的影响。结果表明，nZVI虽延长高温期但显著增加NH3 (5.73%-76.19%)和N2 O(60-103.5倍)排放，并通过上调narI和hao基因表达促进DNRA和硝化作用。该研究为评估nZVI在有机废弃物处理中的适用性提供了关键数据。

　　

随着全球肉类消费量激增，畜禽养殖规模扩大导致粪便污染问题日益严峻。中国每年产生超过38亿吨畜禽废弃物，其中猪粪占比最高。与此同时，宁夏作为中国枸杞主产区，每年修剪产生大量富含木质纤维素的枸杞枝，其坚硬多刺的特性使直接处理面临挑战。堆肥技术虽能将农业废弃物转化为稳定有机肥，但微生物分解过程会导致碳氮以温室气体(GHGs)形式大量流失——甲烷(CH₄
)和氧化亚氮(N₂
O)的全球增温潜势(GWP)分别是二氧化碳(CO₂
)的298倍和25倍，而氨气(NH₃
)挥发更造成9.6%-46%的氮损失。如何有效抑制GHGs排放成为堆肥技术优化的核心难题。

西北农林科技大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，首次系统评估纳米零价铁(nZVI)作为添加剂对猪粪(SS)与枸杞枝(WB)共堆肥中氮转化和GHGs排放的影响。通过设置0、2.5%、5%、7.5%四个nZVI梯度进行50天好氧堆肥实验，结合PICRUSt 2功能预测技术，揭示了nZVI调控氮代谢基因的表达规律及其环境效应。

关键技术包括：1) 多参数在线监测堆体温度、pH等理化指标；2) 气相色谱法量化NH₃
、CO₂
、CH₄
和N₂
O排放通量；3) 高通量测序分析微生物群落结构；4) PICRUSt 2预测氮代谢功能基因相对丰度(RAD)。

主要研究结果：

1. 堆肥理化性质变化
   nZVI延长高温期(>55℃达10天)，7.5%添加组峰值温度延迟至23天出现，这归因于nZVI氧化过程的放热特性。但所有处理最终均达到腐熟标准，pH稳定在8.0-8.5范围内。

2. 温室气体排放特征
   与对照组(T1)相比，nZVI使NH₃
   和N₂
   O累积排放量分别增加5.73%-76.19%和60-103.5倍，CO₂
   和CH₄
   排放提升50.8%-104.3%和127.6%-150.6%。其中5%添加组(T3)的GWP值最高，达对照组的2.1倍。

3. 微生物机制解析
   PICRUSt 2分析显示：nZVI使堆肥前期narI基因(编码硝酸盐还原酶)RAD提升34.65%-131.13%，促进硝酸盐异化还原成铵(DNRA)过程；成熟期hao(羟胺氧化酶)和pmoABC-amoABC(甲烷/氨单加氧酶)基因RAD显著增加(1.24×10^-7
   ~2.13×10^-6
   )，加剧硝化作用和N₂
   O释放。

结论与意义：
该研究首次证实nZVI会通过双重机制加剧堆肥氮损失：前期促进DNRA增加铵态氮积累，后期强化硝化作用导致N₂
O爆发式排放。尽管nZVI能延长高温期改善卫生指标，但其导致的GHGs增幅远超生物炭等传统添加剂。Junting Pan和Yang Wang等指出，nZVI并非有机废弃物堆肥的理想添加剂，尤其不利于"双碳"目标下的GHGs减排需求。该成果为堆肥添加剂选择提供了重要理论依据，建议后续研究转向铁基材料表面改性或复合添加剂开发以平衡腐殖化与减排效应。