耐温复合接种剂在牛粪堆肥中降低总氮损失并抑制氨挥发：同化驱动固氮的机制证据

《Environmental Technology & Innovation》：Thermotolerant composite inoculant reduces total nitrogen loss and inhibits ammonia volatilization during cattle manure composting: Mechanistic evidence for assimilation-driven nitrogen retention

　　

好氧堆肥高温期（>50℃）是氮（N）矿化与挥发的关键窗口，快速氨化与游离氨升高引发大量NH3释放。为阐明高温条件下氮持留机制，研究人员在30天模拟牛粪堆肥实验中，将兼具纤维素分解能力与耐温氨氧化功能的复合接种剂（TG1）与商品接种剂（TG2）及未接种对照（CG）进行比较。评估了堆肥成熟度、无机氮动态、NH3/N2O排放、关键蛋白丰度指标及宏基因组功能，并采用结构方程建模（SEM）识别总氮损失驱动因子。结果显示，TG1强化早期生物氧化，延长>50℃高温期，抑制NH4+-N峰值并促进NO3?-N积累；较CG降低累积NH3与N2O排放34.2%与13.6%，总氮损失减少4.7%，发芽指数升至121.6%，堆肥品质改善。TG1提升木质纤维素水解与生物可利用碳，富集携带异养硝化-好氧反硝化相关蛋白的γ-变形菌属（如Stenotrophomonas、Pseudoxanthomonas）及纤维素分解类群（如Cellulomonas），增强NH4+摄取与同化固定。宏基因组揭示同化基因（glnA、gltB/gltD）富集，硝化基因总丰度不变且hao受抑，表明同化固定而非整体硝化增强主导固氮。SEM指出pH是NH3排放主要正向驱动，微生物量氮为主要汇。综上，碳供给支持的同化固定主导TG1介导的堆肥固氮。

研究背景与立项依据

随着集约化畜禽养殖扩张，家畜粪便年产生量巨大，若未有效回收其氮磷养分即转化为农业面源污染。好氧堆肥作为成熟、经济、可持续的有机废弃物生物转化技术被广泛用于无害化与资源化，但常规堆肥中氮损失显著，约12%–25%初始氮以气体散失，其中氨（NH₃）占气态氮损失60%–99%，伴生氧化亚氮（N₂O）排放。NH₃挥发直接降低有机肥有效氮含量，并作为PM2.5前体引发二次大气污染；N₂O则具更高增温潜势。高温期（>50℃）因加速含氮有机物水解矿化、NH₄⁺-N短期累积，且耐温功能微生物受抑，被公认为NH₃挥发关键控制窗口。物理化学调控（生物炭、酸化剂）受成本与二次风险限制。因此，构建耐温多功能菌群以在高温窗口同时实现“反应态氮气体减排–氮持留”并成为绿色升级核心科学挑战。研究人员假设：耐温复合接种剂TG1通过增强纤维素解聚与生物可利用碳供给，提升微生物对NH₄⁺的同化固定（assimilatory immobilization），推动稳定氮库形成，从而降低NH₃挥发而不增加净N₂O排放，该过程由“同化驱动氮重分配”主导而非单纯硝化增强。论文发表于《Environmental Technology》。

主要关键技术方法

研究采用牛粪–玉米秸秆好氧堆肥体系，设未接种对照（CG）、耐温复合接种剂（TG1，含Brevibacillus brevis、Pseudomonas stutzeri、Stenotrophomonas maltophilia K279a、Aeribacillus pallidus sp. GW-C/GW-G/GW-H等六株等量混合，活菌≥10⁸ CFU）、商品接种剂（TG2）三处理，初始C/N 25、含水率~60%，180 L反应器定时间歇曝气，单层批重~40 kg，每处理单反应器独立运行。固体样于第1、7、12、21、30天分层多点采样均质；气体每日08:00、15:00、22:00采气，NH₃硼酸吸收-纳氏试剂比色、N₂O铝箔气袋收集。理化分析含温度、pH、EC（电导率）、GI（发芽指数）、NH₄⁺-N/NO₂^?-N/NO₃^?-N、OM（有机质）、TN（总氮）、MBN（微生物量氮）、MBC（微生物量碳）、腐殖质；酶活测纤维素酶（Cel）与蛋白酶（Pro）；ELISA定量AMO（氨单加氧酶）、HAO（羟胺氧化还原酶）、NAR（硝酸还原酶）、NIR（亚硝酸还原酶）、GS（谷氨酰胺合成酶）、GOGAT（谷氨酸合酶）、GDH（谷氨酸脱氢酶）蛋白丰度，经Z-score构建硝化蛋白指数（NP）、反硝化蛋白指数（DP）、同化蛋白指数（NAP）；宏基因组解析功能潜力；SEM定量总氮损失路径。

研究结果

材料与方法相关设计证实：TG1菌株经拮抗试验筛选兼容，能在高温期维持纤维素分解与耐温氨氧化功能空缺填补。

堆肥理化与成熟度：TG1处理早期生物氧化增强，>50℃高温期延长，NH₄⁺-N峰值压低，NO₃^?-N积累提前，第30天GI达121.6%，高于CG与TG2，OM降解更完全。

无机氮动态与气体排放：TG1较CG累积NH₃排放降34.2%，N₂O降13.6%，总氮损失率降4.7%；pH在升温期与NH₃通量同步上升，TG1通过碳供给缓解pH驱动的挥发门控。

酶活与功能蛋白：TG1提升Cel活性，带动木质纤维素水解与生物可利用碳；NAP（GS+GOGAT+GDH）显著上调，NP（AMO+HAO）中hao受抑、AMO平稳，DP（NAR+NIR）无整体增强，表明同化固定蛋白储备扩张而非硝化/反硝化通量全面放大。

微生物群落与宏基因组：TG1富集γ-变形菌纲中Stenotrophomonas、Pseudoxanthomonas等异养硝化-好氧反硝化关联属，及Cellulomonas等纤维素分解属；宏基因组中glnA（谷氨酰胺合成酶基因）、gltB/gltD（谷氨酸合酶基因）等同化基因拷贝数富集，硝化基因总丰度未变，hao丰度下降，印证“同化门控”主导。

稳定氮库与SEM：MBN与腐殖质结合氮占比提升；SEM显示pH为正向驱动NH₃排放，MBN为负向主控汇，TG1经“碳供给↑→同化固定↑→MBN/腐殖氮↑→挥发↓”闭环生效。

讨论与结论翻译

讨论指出，高温窗口氮归趋由“挥发门控（温度-pH）”与“生物固定门控（碳供给-功能配置）”双闸耦合决定；TG1以耐温纤维素分解菌释放生物可利用碳，供养耐温氨氧化与异养硝化-好氧反硝化菌，将NH₄⁺竞争性摄入同化为微生物量氮及腐殖结合氮，而非依赖硝化-硝酸盐路径。该“同化驱动氮重分配”机制解释了NH₃与N₂O协同减排及总氮损失降低。

结论：在牛粪–秸秆好氧堆肥高温期，耐温复合接种剂TG1通过强化木质纤维素水解提供生物可利用碳，富集同化功能类群与基因（glnA、gltB/gltD），抑制HAO并维持硝化基因总量不变，使NH₄⁺转向微生物量氮与稳定有机氮库，较未接种处理降低累积NH₃排放34.2%、N₂O排放13.6%、总氮损失4.7%，GI提升至121.6%；SEM确认pH驱动挥发、MBN为主汇。碳供给支持的同化固定是TG1介导堆肥固氮的主导机制，为耐温堆肥接种剂同步快速腐熟与高效固氮提供理论与技术支撑。