电气石添加剂对污泥堆肥过程中碳氮代谢动态的调控机制及增效作用研究

本研究针对污泥堆肥过程中氮素损失严重和腐殖化效率低的问题，通过添加电气石（TM）探究其对氮保留、微生物功能及木质纤维素降解的调控作用。结果表明，TM通过上调硝化基因（amoA、nxrA）和抑制反硝化基因（nirS、norB、nosZ），显著减少NH3排放并促进NO3?-N积累，同时增强CAZymes（如GH51、AA3）活性，加速堆肥成熟与氮素保存，为高效堆肥提供了新策略。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的污泥量急剧增加，如何高效、环保地处理这些富含营养但同时携带有机污染物、病原体和重金属的污泥，成为环境领域的一大挑战。堆肥技术作为一种可持续的处理方式，能够通过微生物和生化过程保留养分、稳定重金属并减少病原体负荷，其产物可作为优质的土壤改良剂。然而，传统的污泥堆肥技术仍面临腐殖化效率低和氮素损失严重的问题，尤其是氨气（NH₃）和温室气体氧化亚氮（N₂O）的排放，不仅降低堆肥品质，还加剧环境污染。因此，开发一种能够有效保留氮素、加速有机物降解并提升堆肥品质的添加剂，具有重要的理论和实践意义。

近期，一种名为电气石（Tourmaline, TM）的天然硼硅酸盐矿物因其独特的物理化学性质受到关注。TM能够持续释放负离子、产生表面电场并释放微量元素，理论上可刺激微生物生长、增强氮转化微生物的代谢活性。然而，TM对堆肥过程中微生物群落结构、功能基因及碳氮代谢动态的具体影响尚不明确。为此，研究人员在《International Biodeterioration & Biodegradation》上发表论文，系统探究了TM添加对污泥堆肥碳氮代谢的动态调控机制。

本研究以污水处理厂的污泥和玉米秸秆为原料，按2:1比例混合，调整碳氮比（C/N）至30，水分含量至65%，设置对照组（CK）及5%（T5）、10%（T10）TM添加处理，在2.5 L反应器中进行17天堆肥。通过监测温度、pH、有机质（OM）、NH₄⁺-N、NO₃^?-N、NH₃排放及总氮（TN）等理化指标，结合酶活性测定（纤维素酶、多酚氧化酶、脱氢酶）、微生物群落高通量测序（16S rRNA）、功能基因定量（qPCR）及PICRUSt2功能预测，全面解析TM对堆肥过程的影响。

3.1 堆肥过程中理化因子的变化

温度变化显示所有处理均满足高温期（>50°C）超过7天的卫生标准。TM添加显著促进有机质降解，T10处理降解率最高（28%），表明TM通过释放负离子和微量元素刺激微生物（如Nonomuraea、Actinomadura）降解木质纤维素。pH在堆肥后期稳定于中性范围，发芽指数（GI）均超80%，其中T10处理GI达140%，证实TM提升堆肥成熟度。

3.2 氮动态与保存

TM添加减少NH₃累积排放（T10较CK降低11.9%），并通过吸附（q_TM=0.9–2.4 mg·g^?1·d^?1）和微生物调控增强氮保留。T10处理TN含量提升40.94%，NO₃^?-N浓度增加26.12%，源于TM上调硝化基因（amoA、nxrA）并抑制反硝化基因（nirS、norB、nosZ）。

3.3 有机质转化与腐殖化

三维荧光光谱（3D-EEM）显示TM促进类腐殖酸（Region E）形成，T10处理比例达52%（较CK提升23.8%），表明TM加速腐殖化。荧光区域积分证实TM增强微生物代谢，推动可溶性微生物副产物向稳定腐殖酸转化。

3.4 酶活性调控

TM提升纤维素酶、多酚氧化酶和脱氢酶活性，尤其在降温期显著增强木质纤维素降解。微孔结构改善氧气扩散，促进酶合成，加速有机质矿化和腐殖化。

3.5 微生物群落结构

TM降低细菌丰富度（Chao1指数），但提高多样性（Shannon指数）。Proteobacteria（反硝化菌）丰度抑制，Actinobacteria（木质纤维素降解菌）在T10中显著富集。TM促进有益菌（如Bacillus、Pusilimonas）增长，抑制病原菌（如Pseudomonas、Mycobacterium），可能源于其表面电场产生的抗菌负离子（H₃O₂^?）。

3.6 微生物代谢功能

3.6.1 氮代谢途径与功能基因

TM上调硝化基因（amoABC、nxrAB），促进NH₄⁺-N向NO₃^?-N转化；抑制反硝化基因（narG、nirS、norB），减少N₂O生成；同时增强nosZ表达，推动N₂O还原为N₂。网络分析揭示amoA与潜在氨氧化菌（如Hylemonella）正相关，而narG、nirS与反硝化菌（如Pseudomonas）关联，TM添加降低后者丰度。

3.6.2 木质纤维素降解与氨基酸合成

TM增强碳水化合物活性酶（CAZymes）如GH51（纤维素酶）、AA3（木质素降解辅助酶）和GH31（半纤维素酶）的活性，加速多糖降解为可发酵糖。同时，TM富集氨基酸代谢通路（如L-赖氨酸、L-天冬氨酸生物合成），促进有机氮合成，提升堆肥肥效。

研究表明，TM添加通过物理吸附、化学离子释放和生物调控多重机制，优化微生物群落结构，增强硝化作用、抑制反硝化，促进木质纤维素降解和腐殖质形成，显著提升氮保留率和堆肥效率。这一发现为矿物基添加剂在高效堆肥中的应用提供了理论依据，对减少农业面源污染、推动绿色循环农业具有重要意义。未来需进一步评估TM浸出液毒性并开发回收工艺，以推动大规模应用。