不同废羽毛预处理方法对鸡粪堆肥过程中氮素保存、腐殖化增强及细菌群落演替的影响

《Waste Management》：Effects of different waste feather pretreatment methods on nitrogen conservation, humification enhancement and bacterial community succession in chicken manure composting

鸡粪堆肥过程中添加化学（5% NaOH）或生物（Chryseobacterium indologenes）预处理鸡羽毛作为外源添加剂，系统评估其对氮转化、腐殖化及微生物群落的影响。结果表明生物预处理组显著延长高温期（+3天），提升总氮含量21.2%，促进芽孢杆菌和节杆菌富集，协同提高氮固定与腐殖化效率。分隔符：

　　

李永达|沈晓倩|李向玲|宋天顺|谢晶晶

摘要

堆肥通过好氧发酵将有机废物转化为腐殖质，但这一过程会导致氮的大量流失。因此，有必要提高堆肥中的氮保持率。本研究探讨了添加经过化学处理（5% NaOH）和生物处理（Chryseobacterium indologenes）的鸡羽毛对鸡粪堆肥的影响。结果表明，与对照组相比，所有预处理组的堆肥效率都有所提高。生物处理方法最为有效，不仅显著延长了高温期，还显著提高了有机物降解率和腐殖质形成量。在氮转化方面，生物处理组的硝酸盐、亚硝酸盐和总氮含量分别比对照组（CK）高出32.3%、108.2%和21.2%。细菌群落分析显示，在高温期间，生物处理组中Bacillus和Paenibacillus的数量增加。多维分析表明，生物处理通过调节细菌群落协同促进了氮的固定和腐殖化过程。因此，经过生物处理的废弃鸡羽毛可以作为有效的外源添加剂，用于提高堆肥的氮保持率。

引言

家禽业的快速发展满足了人类对蛋白质的需求，但也带来了大量的废物处理问题（Kanani等人，2020年）。全球每年产生约4.57亿吨鸡粪和470万吨废弃鸡羽毛（Qiu等人，2020年；Ren等人，2025年）。直接将鸡粪施用于田地会导致恶臭、病原体传播和养分流失，加剧富营养化和温室气体排放（Kacprzak等人，2022年）。此外，对于大型养鸡场来说，过量鸡粪营养价值低且含水量高，其运输、储存和施用成本甚至高于化学肥料（Guo等人，2025年）。

好氧堆肥是一种环保的鸡粪处理和资源化方法（Wang等人，2025年）。其中，膜覆盖好氧堆肥（MCAC）技术利用功能性膜覆盖堆肥堆，并配合通风系统，有效加速了堆肥过程并减少了氮的损失（Xiong等人，2022年）。在MCAC过程中，微生物将有机物转化为稳定的肥料（Xu等人，2023年）。在微生物分解有机物的过程中，高温阶段会释放铵氮，随着pH值的升高，铵氮进一步转化为氨气，导致堆肥中的总氮含量显著下降。因此，提高堆肥后的氮含量有利于促进堆肥产品在农业中的应用（Xu等人，2024年）。目前，使用添加剂已被证明可以有效减少堆肥过程中的氮损失（Shan等人，2021年）。一种添加剂策略是添加生物炭等材料，通过吸附氨氮和NH₃来减少氨的挥发（Cao等人，2024年）。另一种策略是添加含氮物质，如氨基酸（Zheng等人，2024年）、甜菜渣（Li等人，2017年）和糖蜜（Meng等人，2020年），以刺激细菌群落活性，从而增强堆肥中的氮固定……然而，这些外源添加剂在养鸡场现场不易获得，且多为异地产生的废物，运输和材料成本较高。因此，需要探索更经济的堆肥方法来富集氮。

鸡羽毛（伴随鸡粪产生的主要废弃物）含有约90%的角蛋白，富含多种氨基酸，使其成为潜在的高质量蛋白质资源（Lee等人，2016年）。然而，角蛋白高度交联的分子结构也使其成为最难降解的有机固体废物之一（Bouhamed和Kechaou，2017年）。因此，已经开发了多种鸡羽毛的资源化预处理方法，主要包括物理、化学和生物方法。物理方法通常利用高温或高压蒸汽来水解鸡羽毛（Shen等人，2024年）。化学方法使用酸和碱等化学试剂破坏角蛋白中的二硫键和肽键以实现水解（Stiborova等人，2016年）。尽管化学处理可以显著提高溶解度，但会导致一些必需氨基酸的降解和非营养化合物的形成（Bellagamba等人，2016年）。因此，利用角蛋白分解微生物进行生物水解的方法因条件温和、环保且能较好地保留氨基酸养分而受到关注（Bakhtiar等人，2005年；Otuyelu等人，2025年）。将养鸡场产生的低成本、现场可获得的鸡羽毛作为外部添加剂添加到鸡粪堆肥中，不仅提高了废物的价值，还带来了环境和经济效益。然而，关于不同预处理方法下的鸡羽毛作为外源添加剂在鸡粪堆肥中的效果的研究较少。此外，鸡羽毛如何影响本土微生物的活性和氮的腐殖化过程仍不清楚。

本研究重点探讨了经过化学和生物处理的鸡羽毛产品作为外源添加剂在鸡粪堆肥过程中的效果，以未经处理的鸡羽毛作为参考。通过分析不同堆肥阶段的物理和化学性质以及微生物多样性，阐明了鸡羽毛添加对腐殖化、氮转化及关键微生物群落的作用和相互作用机制。这项研究不仅为废弃鸡羽毛的资源化提供了经济有效的策略，还为堆肥提供了氮富集的途径。

部分内容摘要

鸡羽毛的预处理方法

鸡羽毛的预处理采用了两种不同的方法。对于化学预处理，将鸡羽毛在5%氢氧化钠溶液（1:12 (w/v)）中于75°C的恒温水浴中水解9小时。水解液离心后，用10% HCl将上清液的pH值调整至7.2 ± 0.2，得到最终盐浓度约为50 g/L的化学预处理鸡羽毛溶液（SJ）。

堆肥的物理化学性质

在堆肥过程中，物理和化学性质直接反映了堆肥产品的质量。所有四个组都经历了升温、高温、冷却和成熟四个阶段（图1a）。第一天的温度均迅速升高至50°C以上。其中，FJ组（65.6°C）的最高温度高于CK组（61.4°C）。FJ组的高温期显著延长，持续了7天。

结论

本研究系统评估了化学预处理和生物预处理对鸡粪堆肥过程中氮转化、腐殖化和细菌群落的影响。结果表明，添加经过生物处理的鸡羽毛效果最佳。它将堆肥的高温期延长了3天，使最终总氮（TN）含量增加了21.2%，并有效降低了NH₄⁺-N的含量。

作者贡献声明

李永达：撰写——初稿，方法论，数据管理。沈晓倩：软件操作，数据管理。李向玲：撰写——审稿与编辑，软件操作，数据管理。宋天顺：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。谢晶晶：撰写——审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江苏省重点研发计划（编号：BE2023360）和南京工业大学优秀工程师培训计划（编号：ZYXM202411）的支持。