堆肥驱动鲑鱼养殖污泥二级磷回收：磷组分再分配与微生物演替的循环资源化路径

《Agronomy》：Composting as a Circular Pathway for Secondary Phosphorus Recovery from Salmon Farming Sludge

　　

从有机废物流中回收磷（P）对于减少对不可再生磷矿的依赖并推进循环养分管理至关重要。鲑鱼养殖污泥是一种营养丰富的水产养殖残余物，具有较高的资源回收潜力，但其直接农业利用受稳定性差和卫生问题限制。本研究评估了堆肥作为一种增值路径，将鲑鱼污泥转化为更安全的二级磷（secondary P）资源。堆肥在200 L旋转轴堆肥机中进行120天，并监测磷组分、微生物生物量磷（MBP）、酶活性、有机酸和微生物群落的变化。堆肥促进了磷从难利用库向更活性组分的再分配，尤其是水溶性磷（H₂O-P）和碳酸氢钠溶性磷（NaHCO₃-P），提高了最终产品的肥料价值。这些变化可能与微生物演替和生化活动有关，同时潜在病原微生物减少。总体而言，堆肥为水产养殖—农业系统中的磷回收、废物增值和肥料替代提供了一种循环解决方案。

全球磷矿资源有限且不可再生，农业磷肥长期依赖磷矿，因此从有机废物流中回收磷、发展循环养分管理已成为重要方向。水产养殖规模快速扩张，鲑鱼养殖污泥富含氮、磷和有机质，具有资源回收潜力，但直接农用受稳定性差、病原微生物及重金属等卫生与安全风险限制，需经预处理。堆肥可稳定有机质、回收养分并处理植物毒性因子，且有机质转化和腐殖质生成可影响磷动态；微生物可通过产酶和释放有机酸参与磷酸盐增溶。基于此，研究人员提出淡水阶段鲑鱼污泥堆肥可回收磷组分并提高生物有效性，且由细菌和真菌群落活动介导；研究目标是评估堆肥过程中磷组分再分配、有机酸产生与酶活性的协同作用，以及细菌和真菌群落演替。

研究人员在200 L旋转轴堆肥机中以三重复进行120天堆肥，原料为木屑、天然牧场草（Lolium perenne）和干鲑鱼污泥（Salmo salar），比例60:10:30，初始C/N为26.3；最高平均温度58.3 ± 2.4 °C，最终C/N为11.0 ± 2.1。结果表明，堆肥促进磷由难利用库向活性组分再分配，尤其提高H₂O-P和NaHCO₃-P，提升终产物肥料价值，并降低潜在病原微生物；微生物演替和生化活动可能参与该过程。该研究支持堆肥作为鲑鱼污泥循环管理及二级磷资源化的路径。

关键技术方法概述：采用分层复合取样（第0、8、22、35、90、120天）；以Hedley磷分级和熏蒸提取测定无机磷组分及MBP；以HPLC-DAD测定低分子量有机酸；测定FDA、β-葡萄糖苷酶、AP和ALP活性；以16S rRNA V3/V4和ITS扩增子测序分析细菌与真菌群落；用RStudio和Qiime2进行统计与相关性分析。样本来源为淡水阶段鲑鱼养殖干污泥（Salmo salar）与木屑和天然牧场草混合，成熟堆肥表征参考Pérez-San Martín et al.。

3.1 堆肥过程中的磷分级：通过监测总无机磷（TiP，total inorganic P）和各磷组分，研究人员发现TiP初始为5.3 ± 0.2 g P kg^?1 DM，第22天降至4.0 ± 0.2，终期为4.6 ± 0.2。H₂O-P由0.96降至第22天0.52，第90天达0.99，第120天为0.80 g P kg^?1 DM；NaHCO₃-P由0.77升至第90/120天1.06/1.07；NaOH-P较低，第22和90天为0.12，终期0.11；残余磷（Residual-P）最高，前期稳定后显著下降，第90/120天为1.94/2.18。MBP初始0.40，第35天达0.68，第120天降至0.48 g P kg^?1 DM。结论是堆肥促使难利用磷向活性磷再分配，MBP呈暂时固定—释放循环。

3.2 有机酸分析：通过HPLC-DAD检出草酸、D-苹果酸和柠檬酸。草酸第0天为33.79 mg g^?1 DM，第35天后显著降至28.66，终期29.13；D-苹果酸仅第22和35天检出，为11.04和3.93；柠檬酸第0天26.79，第8天下降，第22天25.16，终期22.38。结论是有机酸在堆肥早期较高、后期下降，可能参与早期磷活化；相关性中有机酸与活性磷呈负相关，作者解释为有机酸增溶阶段与活性磷积累阶段存在时间解耦。

3.3 酶活性：通过FDA、β-葡萄糖苷酶、AP和ALP活性监测，FDA第22天为267.28，第35天641.68，第90/120天709.62/736.08 μg F g^?1 h^?1；β-葡萄糖苷酶初始551.36，第35天783.71，终期96.41 μg p NP g^?1 h^?1；AP初始633.46，第22天无活性，第35天612.83，终期433.56；ALP初始1475.15，第22天最低897.17，第90天1471.63，终期1090.57。结论是酶活性随堆肥阶段变化，磷酸酶与活性磷强相关，支持后期酶介导矿化。

3.4 微生物组分析：3.4.1 细菌多样性：通过α多样性（alpha diversity）和群落组成分析，细菌多样性向成熟期增加，Pielou由0.67升至0.91，Shannon为4.8—7.5，Faith成熟期18.0，高于中温/高温期8.9/10.5；成熟期Observed features为304，高于146/177。门水平上，中温期以Proteobacteria（66.0%）为主，高温期Firmicutes（40.3%）、Proteobacteria（38.5%）、Bacteroidota（17.6%）为主，成熟期Bacteroidota（34.1%）、Firmicutes（24.3%）、Proteobacteria（19.2%）、Actinobacteriota（15.4%）为主；属水平上，中温期Enterobacter（50.8%）、Lactobacillus（9.3%）较多，高温期Pseudomonas（29.1%）、Pseudogracilibacillus（13.3%）较多，成熟期Pseudogracilibacillus（7.8%）、Pusillimonas（4.0%）、Truepera（2.9%）、Pedobacter（2.8%）、Pseudomonas（2.6%）存在。E. coli和Enterococcus spp.比例较低，Staphylococcus aureus和Listeria monocytogenes仅中温期检出。结论是细菌群落随阶段演替，潜在病原下降。

3.4.2 真菌多样性：通过真菌α多样性和属水平组成分析，真菌多样性在高温期升高，Pielou第22天0.7，高于第0/120天0.6；Shannon约3.5，高于2.4/2.3；Faith第22天5.4，高于2.7/1.6；Observed features为18/32/14。中温期Candida（47.3%）、Debaryomyces（23.0%）、Penicillium（5.0%）较多；高温期Diutina（31.0%）、Meyerozyma（11.6%）、Candida（7.0%）、Aspergillus（4.8%）、Talaromyces（3.2%）较多；成熟期Acaulium（89.1%）占优。Aspergillus由高温期4.8%降至成熟期0.002%，Candida为7.0%/3.3%/0.011%，Candida albicans高温期3.7%、成熟期0.001%。结论是真菌群落阶段变化，真菌病原减少。

3.5 相关性分析：通过Pearson相关分析，有机酸与H₂O-P呈负相关，D-苹果酸r = ?0.873，草酸r = ?0.851，柠檬酸r = ?0.784；NaHCO₃-P与草酸/柠檬酸r = ?0.516/?0.406；Residual-P与草酸/柠檬酸r = 0.595/0.564；MBP与草酸r = ?0.618，与D-苹果酸r = ?0.314；TiP与D-苹果酸r = ?0.646。酶活性方面，H₂O-P与β-葡萄糖苷酶r = 0.459、AP r = 0.928、ALP r = 0.883；NaHCO₃-P与FDA r = 0.826；NaOH-P与FDA r = 0.602、ALP r = ?0.479；Residual-P与FDA r = ?0.701；MBP与β-葡萄糖苷酶r = 0.554、AP r = 0.549、ALP r = 0.289；TiP与β-葡萄糖苷酶r = 0.495、AP r = 0.728、ALP r = 0.687。结论是磷酸酶与活性磷强正相关，支持酶介导矿化，有机酸相关性反映时间动态。

讨论部分总结：作者讨论认为TiP下降可能与有机质含量、淋溶物理损失、养分转化、堆肥基质异质性、微生物暂时固定及木屑残余降解延迟等有关，不表示系统总磷损失，研究重点为磷组分再分配。H₂O-P和NaHCO₃-P为活性磷，NaOH-P为与Fe/Al矿物结合的中等活性磷，Residual-P为闭蓄态难利用磷；堆肥将鲑鱼污泥升级为更具农艺意义的二级磷资源。有机酸由有机质分解和微生物释放，通过释放质子、螯合阳离子和竞争吸附位点增溶磷酸盐；早期较高、后期下降与腐殖化有关，其与活性磷负相关被解释为时间解耦，有机酸可能为早期触发因子。FDA可估总微生物活性；β-葡萄糖苷酶与碳循环及易利用有机质有关；AP和ALP水解磷酸酯释放正磷酸盐，碱性磷酸酶较高与堆肥pH约8有关；磷酸酶与H₂O-P强相关说明后期酶介导矿化主导活性磷维持。细菌α多样性成熟期增加，Bacillus、Pseudomonas等溶磷菌存在，病原减少；真菌中Aspergillus、Penicillium等溶磷菌存在且成熟期下降，植物病原和人类病原未检出或下降。总体提出早期酸驱动活化、后期酶介导矿化的两阶段机制，微生物演替主动塑造磷再分配，但仍需直接功能验证。

研究结论翻译：堆肥将鲑鱼养殖污泥从一种有问题的水产养殖残余物转化为更安全、更有价值的二级磷资源。堆肥过程促进了磷由难利用组分向更活性组分的转变，残余磷在第120天降至2.18 g P kg^?1 DM，而NaHCO₃-P由0.77增至1.07 g P kg^?1 DM，H₂O-P在第90天达到最大值0.99 g P kg^?1 DM。该转变提高了最终产品的施肥潜力，并突出堆肥作为磷养分回收可行路径。基于时间序列相关性，研究人员提出微生物演替、酶介导矿化和有机酸产生共同作为调控堆肥过程中磷再分配的关键机制，但仍需直接功能验证。同时，潜在病原微生物的减少改善了堆肥卫生质量，满足NCh2880关于沙门氏菌（Salmonella）未检出和大肠杆菌（E. coli）< 1.8 MPN g^?1 DWC的限值。这些发现支持堆肥作为鲑鱼污泥的循环管理策略，对二级磷回收、废物增值和降低对不可再生矿物肥料的依赖具有明确意义。