腐植酸通过调控反硝化微生物群落及氮代谢基因增强堆肥产品氮保留的分子机制

本研究针对堆肥过程中氮素流失严重的问题，通过宏基因组学、微生物生态学和气体通量监测技术，揭示了腐植酸（HA）通过抑制反硝化基因（nirS/nirK/nosZ）表达和降低变形菌门（Proteobacteria）丰度，使总氮（TN）含量提升24.5%，NH3挥发减少38.5%，为高效保氮堆肥技术开发提供理论依据。

　　

农业废弃物处理是当前环境领域的重大挑战，中国每年产生超过45亿吨畜禽粪便和8亿吨作物残体。堆肥作为经济环保的废弃物处理方式，却因氮素流失导致肥料质量下降——超过50%的初始氮以NH₃形式挥发，而NH₃和H₂S占气体排放总量的93.7-98.5%。这些气体不仅造成氮资源浪费，还会引发水体富营养化和酸雨。尽管生物炭等添加剂可部分缓解氮损失，但腐植酸（Humic acid, HA）因其丰富的羧基、酚羟基等官能团展现出独特潜力，但其调控微生物氮代谢网络的分子机制尚不明确。

针对这一科学空白，哈尔滨某研究团队在《Environmental Technology》发表研究，通过对比添加6%（w/w）HA的实验组（LK）与对照组（CK），结合宏基因组测序和结构方程模型（SEM），系统解析了HA影响堆肥氮保留的机制。研究采集猪粪与玉米秸秆混合原料，在30天堆肥周期中监测温度、气体排放及微生物动态，关键样本进行-80℃冻存用于DNA提取和功能基因分析。

HA显著提升氮保留效率
实验数据显示，HA使堆肥产品TN含量提升24.5%，NH₄⁺-N累积量降低84.1%，NH₃挥发减少38.5%。这种效应源于HA通过静电作用螯合NH₄⁺，同时将堆肥pH控制在植物毒性阈值（400 mg/kg NH₄⁺-N）以下，避免幼苗根灼伤。

基因层面：HA重构氮代谢通路
KEGG分析显示，HA显著抑制反硝化关键基因（nirS/nirK/norB/nosZ），平均丰度降低29.6%，阻断NO₂^-→N₂转化路径。同时，固氮基因（nifH/nifD/nifK）表达提升73.2%，促进大气N₂向NH₄⁺转化。值得注意的是，尿素水解基因ureC下调77.3%，直接减少NH₃生成。

微生物群落：HA重塑核心功能菌群
HA使反硝化优势菌门Proteobacteria丰度降低57.6%，其中关键菌种Luteimonas sp. JM171和Gammaproteobacteria bacterium分别减少24.7%和20.6%。这两种菌携带全套反硝化基因（nirS/nosZ等），其衰减直接抑制N₂O排放。相反，具有抗生素分泌能力的放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）丰度分别增加60.9%和4.08%，增强堆肥稳定性。

网络分析揭示HA的生态调控作用
物种互作网络显示，HA处理使微生物节点数减少但连接度提升（平均度从7.2增至12.9），负相互作用比例从10.6降至5.24，表明HA促进微生物协同。模块化分析发现，HA将核心功能模块（Module I/II）占比从58%提升至66.1%，优化了氮转化效率。

SEM验证HA的双路径调控机制
结构方程模型证实，HA通过两条路径提升TN：①直接上调氮代谢基因表达（λ=0.026）；②抑制Gammaproteobacteria bacterium（λ=0.028）。值得注意的是，NH₄⁺-N与TN呈显著负相关（λ=-0.132），而NH₃排放与NH₄⁺-N浓度强相关（λ=8.689）。

这项研究首次从分子生态学角度阐明HA通过"基因-微生物-代谢网络"多级调控减少堆肥氮损失的机制，为开发基于微生物群落设计的保氮技术提供理论框架。实践中，6% HA的添加比例可显著提升堆肥农用价值，同时降低温室气体排放，对实现农业废弃物资源化具有重要推广意义。