大豆过氧化物酶减少奶牛粪便堆肥过程中的非二氧化碳温室气体排放

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Soybean peroxidase reduces non-CO 2 greenhouse gas emissions during dairy manure composting

　　

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  活性SBP配合CaO₂使CH₄ + N₂O减少45.9%，与失活SBP对照组相比
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  在相同总剂量下，单次添加优于分次添加
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  累积N₂O-N下降46.4%，CH₄-C下降6.4%，两者均具有显著性
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  氮素得到保留：初始氮的保留量增加4–8%，NH₃和N₂O损失降低
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  在大豆皮原料价格最低线时，减缓成本为133–188美元/t CO₂当量

引言

不适当的粪肥管理实践，包括自然储存和直接施用，会导致异味和温室气体的排放。此外，这些做法还会导致养分淋溶至土壤和水域生态系统，最终造成二次环境污染[1]，[2]。因此，各种实用方法，包括厌氧消化和堆肥，已被广泛采用以有效处理动物粪便并促进资源回收[3]，[4]。堆肥作为一种可持续方法，已被广泛用于将动物粪便生物转化为高质量生物肥料[5]。在此过程中，微生物矿化作用和腐殖化作用将有机质稳定为富含腐殖质的堆肥。然而，这一过程固有地伴随着异味和温室气体排放[6]，[7]，[8]。

添加各种生化添加剂以减轻堆肥过程中温室气体排放的做法已被广泛研究，并已证明能有效减少温室气体排放。例如，施用褐煤和黏土可使累积CH₄排放减少46–59%，N₂O排放减少58–87%，这主要归因于它们与大比表面积相关的高吸附能力[9]，[10]，[11]。类似地，硫酸亚铁（FeSO₄）据报道可使CH₄和N₂O排放分别减少36–37%和17–49%。这一效应归因于其增强O₂扩散并抑制产甲烷活性的能力[12]。此外，高剂量硼酸（1425 mg/kg）显著减少了温室气体排放，CO₂减少16%，CH₄减少97%，N₂O减少92%[13]。另外，二氰二胺与磷石膏或过磷酸钙联合施用已被证明可使总温室气体排放降低30–38%[14]。过氧化钙（CaO₂）也已被研究作为堆肥改良剂以改善堆肥质量。CaO₂通过水解分解为Ca(OH)₂和H₂O₂，释放出O₂，从而提高局部氧化还原电位，抑制专性产甲烷菌，并提供瞬态H₂O₂储库。据报道，CH₄和N₂O的减少幅度因剂量和基质而异，范围较广[15]，[16]。因此，本研究在恒定CaO₂剂量下测试了SBP，对照组施用相同CaO₂剂量的失活SBP。该设计旨在分离过氧化物酶活性的增量贡献，与过氧化物来源无关。

过氧化物酶最近成为一种有前景的生物催化剂，用于减轻有机废物排放。附表1展示了过氧化物酶的各种农业废弃物来源，并强调了其作为农业可持续副产品的潜力。大豆皮是过氧化物酶的来源，已被证明能减少各种废物处理应用中的异味化合物。全球约88%的大豆总产量（每年约3.25亿公吨）集中在巴西、美国、阿根廷、中国和印度[17]。大豆皮约占大豆总重量的8%，对应全球每年估计生产2970万公吨大豆皮[18]。虽然目前大多数大豆皮被用作动物饲料或废水处理中的生物吸附剂，但其在堆肥中的应用仍然有限[19]，[20]。由于大豆皮具有优势性的金属结合特性，可作为生物吸附剂使用。Módenes等人[21]证明，研磨后的大豆皮可有效去除Cd²⁺和Pb²⁺离子，且化学改性使Pb2?吸附容量增加约20%。

大多数基于过氧化物酶的研究，包括使用SBP的研究，主要关注异味减轻而非温室气体（GHG）减少。近期的SBP研究已证明在液态粪肥、表面施用粪肥和废水处理系统中能有效控制异味，据报道关键异味物（酚类、对甲酚、吲哚、粪臭素和VFAs）的减少幅度通常在30%至>90%之间[22]，[23]，[24]，[25]，[26]（附表2）。一项中试和农场规模的大猪粪研究显示，在机械通风猪舍的浅坑粪肥储存系统中表面施用剂量为2.28 kg m^-2的SBP/CaO₂，使CH₄排放减少6.1%，CO₂减少3.0%，N₂O减少9.8%。然而，这些减少幅度相对较小且不具统计学显著性（p > 0.05）[22]。基于SBP的添加剂在固体废物（包括堆肥）中的应用有限。因此，本研究的目的是：(i) 确定在恒定CaO₂剂量下添加活性SBP是否能减少奶牛粪堆肥过程中的非CO₂温室气体排放（CH₄ + N₂O），与同日施用相同CaO₂剂量的失活SBP对照组相比；(ii) 比较活性混合物在相同总剂量下的分次添加与单次添加；(iii) 确定与排放响应相关的理化性质和细菌群落变化。单次添加对比提供了活性SBP增量效应的最接近匹配日程估计，而分次添加对比则额外改变了CaO?的输入时机，两种处理方式允许比较施用模式。这些发现预计将为可持续和环保的堆肥实践发展做出贡献，对法规合规和大规模工业应用具有潜在意义。

章节摘要

实验设计

堆肥混合物由奶牛粪和锯末组成，比例为0.83:0.17（w/w）。奶牛粪在使用前冷藏储存，并在与饲料混合前在37°C下预孵育18 h。实验处理涉及将SBP与CaO₂按1.12%（w/w）的比例混合。本研究使用的SBP为工业级产品（Cat. No. X516-IND（Bio-Research Products Inc., North Liberty, Iowa, USA））。施用前测定了SBP活性，显示

理化特性

图1A显示了56天堆肥过程中的温度变化。所有处理的温度均快速升高，在第一天即超过55°C。温度的急剧升高可能是由于实验前的粪肥孵育触发了微生物活动所致。此外，初期的线性温度升高归因于易生物降解有机质的存在，其促进了微生物代谢并产生热量[31]。该

结论

本研究表明，在恒定CaO₂剂量下向奶牛粪堆肥中添加活性大豆过氧化物酶，相对于失活SBP + CaO₂对照组，减少了非CO₂温室气体排放。以每单位初始挥发固体计，单次添加使CH₄ + N₂O指标减少45.9%，分次添加减少26.6%。以绝对累积质量为基础，单次添加和分次添加使N₂O-N分别减少46.4%和26.9%，CH₄-C分别减少6.4%和3.2%，且CH₄两种对比

作者贡献声明

Dongyeo Kim：调查研究，形式化分析。Jinho Shin：调查研究，形式化分析，数据整理。Seunghun Lee：验证，形式化分析。Riuh Wardhani：撰写——初稿，可视化，验证，软件，调查研究，形式化分析，数据整理。Heekwon Ahn：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由韩国农林食品技术企划评价院（IPET）通过畜产品产业化技术开发项目提供资助，资金来源于农林食品部（MAFRA）（RS-2021-IP321088）。

Riuh Wardhani|Jinho Shin|Seunghun Lee|Dongyeo Kim|Heekwon Ahn