膨润土通过改善理化性质和细菌群落结构促进猪粪好氧堆肥腐殖化

《Environmental Technology & Innovation》：Bentonite promoted humification in aerobic composting of pig manure through improving physicochemical properties and bacterial community structure

　　

随着集约化畜牧业的快速发展，畜禽粪便资源化利用面临巨大挑战，好氧堆肥是一种有效的处理技术，其产品价值取决于腐殖质质量。为确定有效促进腐殖化的矿物添加剂，本研究比较了蛭石（VE）、沸石（ZE）、麦饭石（MA）和膨润土（BE）对猪粪好氧堆肥腐殖化的影响。研究表明，每种矿物处理均提高了堆肥成熟度和腐殖化程度，其中BE处理比其他矿物处理更有效。与对照（CT）处理相比，BE处理显著降低了C/N比35.44%，发芽指数（GI）提高了25.03%，HA/FA比提高了87.40%。BE处理的腐殖化指数（HIX）增长率最高（4.53×10^-3 day^-1），达到CT处理的3.17倍，其他矿物处理的1.15–1.51倍。与其他矿物处理相比，BE处理富集了更多操作分类单元（OTUs）（45个），主要属于变形菌门（Proteobacteria）。相关性分析显示，HA/FA和HIX均与变形菌门、放线菌门（Actinobacteria）和芽单胞菌门（Gemmatimonadota）的相对丰度呈显著正相关，而与C/N比以及拟杆菌门（Bacteroidota）、酸杆菌门（Acidobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia）的相对丰度呈显著负相关。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）表明，矿物比表面积可能通过直接优化堆料理化性质和影响细菌群落结构来促进堆肥腐殖化。总之，添加BE可以更有效地提高猪粪好氧堆肥的腐殖化水平。

**论文解读：膨润土通过改善理化性质和细菌群落结构促进猪粪好氧堆肥腐殖化**

**研究背景与意义**
随着集约化畜牧业快速发展，全球畜禽粪便产量逐年增加，若处理不当，其中氮磷养分、有机质及重金属可能破坏生态系统平衡。好氧堆肥作为一种经济可行且环境可持续的处理方法，可实现废物减量化和资源再利用，但堆肥产品的价值不仅取决于养分含量，更依赖于腐殖质（HS）的质量与稳定性。腐殖质是堆肥过程中形成的复杂稳定有机化合物，能促进植物根系吸收、降低环境毒性并恢复土壤健康。因此，提升堆肥腐殖化程度对农业经济效益和长期可持续性至关重要。目前，通过优化通风条件、接种外源微生物等策略可促进腐殖化，而添加外源天然矿物因其功能多样、来源丰富、成本低廉和环境友好性展现出独特优势。已有研究报道了蛭石（VE）、沸石（ZE）、麦饭石（MA）和膨润土（BE）等矿物对堆肥腐殖化的促进作用，但在相同条件下进行系统比较和综合机制分析仍较为缺乏。本研究旨在比较四种矿物（VE、ZE、MA、BE）在猪粪好氧堆肥中的效果，并解析其潜在机制，为筛选高效腐殖化促进材料提供理论支持，同时为理解矿物在堆肥中的作用机制提供有效证据。论文发表在《Environmental Technology》。

**主要技术方法**
研究人员在湖南农业大学教学实践基地开展实验，猪粪来源为长沙正大集团养猪场，矿物购自石家庄奥凯矿产品有限公司。采用EEM-PARAFAC（激发-发射矩阵光谱结合平行因子分析）解析DOM荧光组分动态变化；常规化学提取法测定HS、HA、FA含量及HA/FA比；高通量测序（Illumina HiSeq平台）分析细菌群落结构；线性回归分析HIX时间变化趋势；Pearson相关分析和PLS-SEM（偏最小二乘结构方程模型）探究矿物性质、堆肥性质、细菌群落与腐殖化程度间的关联。

**研究结果**

**3.1 堆肥性质**
通过测定pH、EC、C/N比和GI，研究人员发现所有处理pH先升后稳，EC先升后降，且矿物处理最终EC显著高于CT（P<0.05）。C/N比在前11天上升后持续下降，至堆肥结束时VE、ZE、MA、BE处理的C/N比均低于20，分别比CT降低30.44%、35.37%、25.83%和35.44%（P<0.05）。GI持续上升，矿物处理在32天时即超过80%，最终比CT提高20.89%–25.03%（P<0.05），表明矿物添加有效促进堆肥成熟并降低植物毒性。

**3.2 腐殖化过程**
通过测定HS、HA、FA及HA/FA比，结合EEM-PARAFAC和HIX分析，研究人员发现所有处理HA/FA比持续上升，BE处理在堆肥结束时HS含量最高（比CT增加14.08%），FA显著低于CT，HA和HA/FA比分别比其他矿物处理提高8.72%–12.99%和12.50%–26.63%（P<0.05）。EEM-PARAFAC识别出4个荧光组分：类腐殖酸（C1）、类富里酸（C2）、类色氨酸（C3）和类酪氨酸（C4）。初始阶段C3和C4占主导，随后C1和C2比例上升，BE处理类腐殖物质增加最多，类蛋白物质减少最显著。HIX线性回归分析显示，所有矿物处理HIX随时间极显著增加（P<0.01），而CT无显著趋势；BE处理斜率最高（4.53×10^-3 day^-1），分别为CT、VE、ZE、MA处理的3.17、1.15、1.13和1.51倍。HIX与HA/FA呈极显著正相关（P<0.001），表明BE加速了腐殖化进程。

**3.3 细菌群落**
通过高通量测序分析α多样性（Ace和Chao1指数）和群落组成，研究人员发现所有处理α多样性在高温期（11–18天）下降，但BE处理在32天和46天时Ace和Chao1指数显著高于其他矿物处理（P<0.05）。变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidota）是优势菌门。BE处理在堆肥后期维持了较高的变形菌门和放线菌门（Actinobacteria）相对丰度。PCoA分析表明，BE处理从18天开始逐渐与其他处理分离，最终形成独立簇。差异丰度分析显示，BE处理富集了45个独特OTUs，远多于VE（1个）、ZE（2个）和MA（10个），这些OTUs主要属于变形菌门。

**3.4 关联分析**
通过Pearson相关分析和PLS-SEM，研究人员发现HA/FA和HIX与C/N比呈极显著负相关，与变形菌门、放线菌门和芽单胞菌门（Gemmatimonadota）相对丰度呈极显著正相关，与拟杆菌门、酸杆菌门（Acidobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia）呈极显著负相关。PLS-SEM模型（拟合优度0.663）解释了57.6%的腐殖化程度方差，路径分析表明矿物比表面积对堆肥性质和细菌群落均有显著正向影响（P<0.05），堆肥性质对细菌群落有显著正向影响，二者共同直接正向影响腐殖化程度。标准化总效应显示，矿物比表面积、堆肥性质和细菌群落共同促进腐殖化。

**讨论与结论**
讨论部分指出，矿物添加剂通过优化理化环境（如降低C/N、提高GI）和塑造特定细菌群落（如富集变形菌门和放线菌门）来促进腐殖化，其中BE因具有最大的比表面积（55.88 m2/g）而表现最优。BE的比表面积提供了更多活性位点，改善微生物微环境，加速有机质降解和腐殖化。研究结论为：在10%（w/w）统一添加量下，BE在提高堆肥成熟度和腐殖化方面优于VE、ZE和MA，具体表现为C/N比降低更大、GI更高、HA/FA比和HIX增长率更高。相关分析和PLS-SEM进一步表明，矿物比表面积可能是改善堆肥性质和细菌群落结构、进而促进腐殖化的重要因素。