《Animals》：Correction: Abdel-Raheem et al. Double-Fermented Soybean Meal Totally Replaces Soybean Meal in Broiler Rations with Favorable Impact on Performance, Digestibility, Amino Acids Transporters and Meat Nutritional Value. Animals 2023, 13, 1030
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畜牧业生产会释放大量三甲胺（trimethylamine，TMA），这是一种典型的含氮恶臭气体，可对区域空气质量和畜禽舍环境条件产生不利影响，并可能对动物健康与福利造成潜在危害。生物过滤是一种低成本且环境友好的恶臭控制技术，然而复合生物滤池填料对TMA去除的长
畜牧业生产会释放大量三甲胺（trimethylamine，TMA），这是一种典型的含氮恶臭气体，可对区域空气质量和畜禽舍环境条件产生不利影响，并可能对动物健康与福利造成潜在危害。生物过滤是一种低成本且环境友好的恶臭控制技术，然而复合生物滤池填料对TMA去除的长期稳定性和应用潜力仍不明确。本研究运行了四组基于常见农牧废弃物的复合生物滤池，开展了为期95天的连续长期试验，以探究不同运行条件下其TMA净化性能。结果表明，所有复合填料均实现了稳定的TMA净化效果，其中最优填料配比的TMA去除效率保持在80%以上。入口污染物浓度和气体停留时间（empty bed residence time，EBRT）是影响生物滤池处理性能的关键因素。此外，生物过滤过程中发生了氮素积累和二次氨气排放，同时最优生物滤池系统中的细菌群落多样性呈现明显的演替规律。本研究验证了基于低成本粪污和作物废弃物的复合填料可可靠地应用于长期TMA恶臭净化，并阐明了运行条件、微生物变化与处理效率之间的相关性，为畜禽恶臭生物过滤系统的优化与工程应用提供了实践支撑和理论参考。
论文解读文章
一、研究背景与意义
随着奶牛养殖业向规模化、集约化方向快速发展，生产效率显著提升的同时，畜禽舍和粪污管理过程中产生的恶臭排放也带来了日益严峻的环境挑战。这些排放物不仅会恶化养殖设施内部及周边的空气质量，还可能对养殖工人和动物的生存环境产生不利影响。三甲胺（trimethylamine，TMA）是典型的含氮恶臭气体之一，主要来源于肉碱、胆碱、甜菜碱及相关化合物的微生物降解过程。在奶牛生产系统中，粪便与尿液的相互作用是TMA排放的重要来源。已有研究报道，粪污和尿液中的氧化三甲胺（trimethylamine oxide，TMAO）在典型牛舍条件下可被微生物快速转化为TMA，平均排放速率约为0.6 μg/m2·s。TMA不仅会抑制DNA、RNA和蛋白质等生物大分子的合成，还可能对动物胚胎产生致畸效应；同时，TMA刺激呼吸道，并可与亚硝酸盐反应生成具有强致癌性的亚硝胺，构成严重的健康危害。因此，有效控制TMA排放对于恶臭管理和改善畜禽舍空气质量具有重要意义。
在现有的恶臭气体治理技术中，生物法因运行成本低、操作维护简单、可同时去除多种气态污染物等优势而备受关注。生物滤池（biofilter，BF）作为其中一种典型构型，具有协同去除多种气态污染物、氮素回收潜力、运行成本低、操作简便和稳定性高等多重优点。然而，目前以粪污来源材料作为主要填料的比较研究仍较为有限，尤其是与不同填料相关的微生物群落演替的深入研究尚属空白。基于此，研究人员开展了本研究，旨在评估四种不同粪污来源填料组合的生物滤池对TMA的长期去除性能，表征其对入口TMA浓度、气体流量和EBRT变化的响应，并探究最优生物滤池中微生物群落的时间演替规律及其与性能指标之间的关联，为低成本粪污来源填料在TMA生物过滤中的应用提供初步经验支撑。
二、主要技术方法
研究人员设计并构建了四组实验室规模的生物滤池，每组柱体高68 cm、内径15 cm，填料填充高度60 cm，填充体积10.6 L。四种填料分别为：A组为牛粪垫料、锯末和碎玉米芯按体积比10:9:1混合；B组为腐熟堆肥和牛粪垫料按1:1混合；C组为腐熟堆肥、锯末和碎玉米芯按10:9:1混合；D组为腐熟堆肥、牛粪垫料、锯末和碎玉米芯按6:6:7:1混合。实验分为五个阶段：启动阶段（Phase I）、低入口浓度高EBRT稳定运行阶段（Phase II）、高入口浓度低EBRT稳定运行阶段（Phase III）、停机阶段（Phase IV）和重启阶段（Phase V）。TMA污染气流通过向TMA溶液中鼓泡产生，入口浓度范围为1.88至4.23 mg/m3，EBRT范围为42.7至28.0 s。气体浓度采用便携式分析仪和多功能气体检测仪测定；填料样品的总氮（total nitrogen，TN）采用凯氏定氮法测定，铵态氮（NH??-N）采用纳氏试剂分光光度法测定；微生物群落分析基于16S rRNA基因V3-V4高变区扩增子测序，使用QIIME 2软件进行数据处理和生物信息学分析。
三、研究结果
3.1 生物滤池TMA去除性能
在启动阶段（Phase I）的前三天，四个生物滤池出口均未检出TMA，此后出口TMA浓度逐渐可测，去除性能在初始驯化期内逐步稳定。在Phase III期间，BF_A、BF_B、BF_C和BF_D的去除效率大致分别维持在55–70%、60–70%、75–90%和60–75%范围内。经过两周停机后，BF_C在Phase IV期间保持了最高的平均去除效率（73.33%），其次为BF_D（67.81%）、BF_A（52.27%）和BF_B（44.21%）。结果表明，BF_C在测试运行期间始终维持最高的TMA去除性能。
3.2 生物滤池其他行为指标
二氧化碳（CO?）作为生物过滤的主要副产物，各生物滤池出口CO?浓度约为环境水平的4倍，其中BF_B略高于其他组，BF_A的CO?浓度波动最小。氨气（NH?）方面，四个生物滤池在整个稳定运行阶段的平均出口NH?浓度从高到低依次为：BF_A（3.2 mg/m3）、BF_B（2.35 mg/m3）、BF_D（1.1 mg/m3）和BF_C（0.69 mg/m3），BF_A和BF_B的NH?浓度显著高于BF_C和BF_D（p < 0.05）。值得注意的是，BF_C在Phase II期间NH?排放极少。铵态氮方面，BF_B填料中的NH??-N含量显著低于BF_C（p < 0.05），表明BF_C中氮素主要以铵态氮形式截留在填料中而非以氨气形式排放。总氮方面，BF_B和BF_C填料中的TN含量显著高于BF_A和BF_D（p < 0.05），且所有生物滤池在Phase II和Phase III期间的平均TN含量显著高于其他阶段（p < 0.05）。
3.3 生物过滤系统中的微生物群落
由于BF_C表现出最高的TMA去除效率，研究人员对其填料中的微生物群落进行了深入分析。α多样性指数（包括Chao1、Simpson、Shannon和Observed species）在实验后均显著增加，表明生物滤池运行过程中成功引入了新分类群并实现了定殖。基于UniFrac距离的非度量多维尺度分析（non-metric multidimensional scaling，NMDS）揭示了四个采样阶段间微生物群落组成的时间变化，Adonis置换多元方差分析进一步表明各采样阶段间微生物群落组成存在显著差异（p = 0.001）。属水平维恩图显示，D15、D42、D71和D95分别有54、55、82和58个独有属，而478个属为四个阶段共有。
在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidota）、绿弯菌门（Chloroflexi）、粘细菌门（Myxococcota）、厚壁菌门（Firmicutes）和芽单胞菌门（Gemmatimonadota）七个优势门合计占各采样时间点相对丰度的90%以上。变形菌门在整个运行期间始终为优势门，相对丰度维持在32.84%至36.82%之间；放线菌门从D15的29.41%升至D42的32.16%，随后降至D95的19.26%；拟杆菌门呈现类似趋势，从D15的22.34%升至D42的24.01%，随后降至D71的17.27%，D95略回升至19.49%。
在属水平上，Glycomyces在D15、D42和D71均为最优势属，但其相对丰度从17.22%逐步降至D95的4.24%；Luteimonas在四个时间点均保持优势地位，相对丰度从D15的7.70%降至D71的4.35%后回升至D95的6.64%；BIrii41在D71和D95成为优势属，相对丰度分别为8.12%和5.64%，在D95时排名超过Glycomyces；Parapedobacter、Sinomicrobium和Halomonas在D15和D42相对丰富，但在D71和D95已不再属于超过2%的属。
差异丰度分析显示，在门水平上，拟杆菌门和放线菌门在D71和D95的相对丰度显著低于D15和D42（p < 0.05），而粘细菌门和绿弯菌门的丰度在D71和D95显著高于D15和D42（p < 0.05）。在属水平上，BIrii41、Mycobacterium、R7C24、Muricauda和Demequina在D71和D95的相对丰度显著高于D15和D42，而Glycomyces和Parapedobacter的丰度显著降低（p < 0.05）。
3.4 填料微生物与TMA去除效率的相关性分析
Spearman相关性分析结果表明，BIrii41和R7C24与TMA入口浓度呈显著负相关（p < 0.01），与NH?排放和TN含量也呈显著负相关（p < 0.05），但二者与TMA去除效率无显著相关性。Glycomyces、Parapedobacter、Sinomicrobium和Halomonas与TMA入口浓度呈显著负相关。值得注意的是，Glycomyces、Sphingobacterium和Halomonas与TMA去除率呈极显著正相关（p < 0.01）。
四、讨论与结论
在讨论部分，研究人员对四种填料的性能差异进行了深入分析。BF_C以腐熟堆肥为主要基质，结合锯末和碎玉米芯，表现出最优的TMA去除性能。相比之下，牛粪垫料因孔隙率较低、可利用有机碳含量较低且微生物群落结构发育不完善，导致以其为主要基质的BF_A和BF_B去除效率较低。腐熟堆肥在堆制过程中有机质发生了部分矿化，形成更易被微生物同化的底物，同时其内部富含多样且适应性良好的功能微生物群落，这可能是BF_C性能优越的关键原因。
关于氮素转化，研究人员指出TMA在好氧条件下经TMA单加氧酶、TMA氧化酶、TMA脱甲基酶和甲胺单加氧酶等酶系逐步氧化为TMAO、二甲胺和甲胺等中间产物，最终转化为甲醛和铵。BF_A和BF_B较高的NH?排放可能归因于填料pH值随运行时间逐渐升高，促进了NH??-N向气态NH?的转化；而BF_C和BF_D可能具有更强的缓冲能力和更稳定的pH条件，从而限制了氮的挥发损失。
关于微生物群落，研究人员认为变形菌门和放线菌门是生物滤池中氮循环和有机物分解的关键功能菌群。变形菌门因极高的分类和功能多样性而表现出对波动环境条件的强大适应能力，在整个运行期间保持稳定优势。放线菌门相对丰度的下降可能反映了填料中易降解有机底物随运行时间逐渐耗竭。粘细菌门和绿弯菌门等类群的显著富集表明长期运行过程中微生物群落发生了实质性重组。
研究结论指出，在四种测试填料配置中，由腐熟堆肥、木屑和碎玉米芯按10:9:1体积比组成的BF_C表现出最高的TMA去除性能，稳定运行期间去除效率普遍超过80%。TMA去除伴随氨气排放和填料中氮素积累，表明生物过滤过程中发生了氮素转化和截留。在BF_C中，微生物丰富度和多样性随运行时间增加，并伴随显著的群落演替，多个细菌属与TMA去除性能相关联，但其在TMA降解中的具体作用仍需进一步实验验证。
