反刍与非反刍动物粪便堆肥：碳氮比及相关理化特性驱动差异性污染物排放

《Frontiers in Microbiology》：Ruminant versus non-ruminant manure composting: carbon-to-nitrogen ratio and associated physicochemical traits impact divergent pollutant emissions

　　

堆肥可将畜禽粪便转化为有价值的肥料，但粪便类型（本质上反映碳氮比（C/N）及其他相关物理性质差异）与污染物气体排放之间的关系仍缺乏量化研究。研究人员在有氧堆肥过程中监测了非反刍动物粪便（鸡粪和猪粪）与反刍动物粪便（羊粪和牛粪）的温度、pH、碳、氮、硫含量、细菌群落演替以及甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氨（NH₃）和硫化氢（H₂S）的排放。与C/N较低的鸡粪和猪粪相比，C/N较高的羊粪和牛粪更早达到腐熟，温室气体和臭味排放减少30–93%，但牛粪产生的CH₄略多。鸡粪和猪粪的高排放与芽孢杆菌属（*Bacillus*）和*Defluviitalea*属的优势生长同步，随着易利用碳的耗尽，这些菌属的数量下降。相比之下，羊粪和牛粪与*Actinomadura*属和*Corynebacterium*属相关，这些菌属在难降解碳降解过程中与氮和硫固定为稳定形式相关。铵浓度与总体排放速率密切相关，但与此过程相关的微生物类群随动物饮食发生可预测的转变。所观察到的关联为未来假设驱动型实验提供了基础。这些发现为堆肥过程中控制和最小化大气污染提供了基于微生物组的指导。

研究背景与目的：中国每年产生多达38亿吨畜禽粪便，但综合利用率不足60%。好氧堆肥可将有机废弃物转化为稳定的有机肥料，但过程中产生的恶臭气体氨（NH₃）、硫化氢（H₂S）以及温室气体甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）严重制约了其大规模应用。已有减排措施研究多基于一两种粪便，缺乏对我国主要畜禽粪便类型的系统比较。不同动物粪便的有机组成和碳氮比（C/N）差异显著：反刍动物（羊、牛）粪便富含木质纤维素，C/N较高；非反刍动物（鸡、猪）粪便氮含量高，C/N较低，导致快速分解和大量氮排放。微生物在气体排放中起关键作用，但其与堆肥环境因子和排放通量的具体关系尚不清楚。因此，本研究旨在量化比较四类主流畜禽粪便堆肥过程中CH₄、N₂O、NH₃和H₂S的排放动态，识别与各气体脉冲同步的细菌类群，并阐明堆料理化性质及关键微生物对污染物释放的联合影响。

研究概述与结论：研究人员以鸡粪、猪粪、羊粪和牛粪为原料，与园林废弃物按3:7湿重比混合，在60-L不锈钢反应器中进行49天好氧堆肥。结果显示，羊粪和牛粪堆肥（C/N较高）比鸡粪和猪粪堆肥（C/N较低）更早达到腐熟，温室气体和恶臭排放减少30–93%（但牛粪的CH₄略多）。高排放的鸡粪和猪粪堆肥中*Bacillus*和*Defluviitalea*占优势，随易利用碳耗尽而下降；羊粪和牛粪堆肥则与*Actinomadura*和*Corynebacterium*相关，这些菌属在难降解碳降解中促进氮和硫固定。铵（NH₄⁺）浓度与总体排放速率强相关，但相关微生物类群随动物饮食发生可预测的转变。这些发现为堆肥过程中微生物介导的污染物减排提供了操作相关路径和理论基础。

关键技术与方法：样本来源包括：鸡粪和猪粪取自中国农业科学院（北京），羊粪取自北京奥欣羊场，牛粪取自河北廊坊牛场，园林废弃物取自江苏美尚生态景观公司。方法：粪便与园林废弃物按3:7湿重比混合，初始含水率调至65%，在60-L不锈钢反应器中以0.27 L·kg^-1·min^-1连续曝气堆肥49天。温度、pH、电导率（EC）、发芽指数（GI）、总碳（TC）、总氮（TN）、总硫（TS）、NH₄⁺/NO₃^-按标准方法测定；CH₄和N₂O用气相色谱（FID/ECD检测器）测定，NH₃用硼酸吸收-硫酸滴定测定，H₂S用便携式气体分析仪现场测定。细菌群落采用Illumina MiSeq PE250平台对16S rRNA V3–V4区高通量测序。统计分析使用单因素方差分析、Spearman相关、共现网络和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）。

研究结果：

3.1 理化参数：堆肥经历升温-嗜热（0–14天）、冷却（15–35天）和腐熟（36–49天）三个阶段。鸡粪（CM）、猪粪（PM）、羊粪（SM）、牛粪（CoM）堆肥的最高温度分别为72.1°C、74.0°C、74.7°C和68.1°C。SM和CoM在冷却和腐熟阶段保持显著更高的温度，归因于反刍粪便中纤维素和半纤维素持续分解放热。所有堆体pH上升，碱化顺序为CoM > SM > CM > PM。SM的EC最高，与羊饲料中添加盐有关。GI在35天达到峰值（116.38–171.62%），最终所有处理GI均超过70%的植物毒性阈值。TN和TS浓度增加而TC降低；CM和PM的碳氮硫损失率高于SM和CoM。氮损失主要以NH₃-N形式，占初始TN的11.5–36.5%。NH₄⁺逐渐下降，NO₃^-在后期累积，SM和CoM在28–49天NO₃^-增加更快。

3.2 气体排放模式：所有处理在初期出现CH₄排放峰，SM累积CH₄排放比其他堆体低30–41%，而CoM因较低容重和较高水分形成局部厌氧发酵区，CH₄产量较高。CM和PM在腐熟期出现明显N₂O排放，SM和CoM的N₂O累积排放比CM和PM低70–93%。NH₃排放集中在最初14天（占总损失>80%），SM和CoM的NH₃损失比CM和PM低50–73%。H₂S排放集中在最初3天，PM排放最高（累积41.7 mg·kg^-1），CM次之（20.2 mg·kg^-1），SM和CoM分别只有11.4和8.9 mg·kg^-1，比CM和PM低44–79%。

3.3 细菌群落演替：CM和PM的Chao1指数较高而Shannon指数较低，表明物种丰富但均匀度低。门水平上，Firmicutes在CM和PM中占优，Proteobacteria在SM和CoM中丰度较高。Actinobacteriota在后期逐渐取代Firmicutes主导PM，而CM仍由Firmicutes主导。属水平上，CM优势属为*Thermobifida*、*Sporosarcina*、*Bacillus*；PM为*Saccharomonospora*、*Thermobifida*、*Bacillus*；SM和CoM中*Thermobifida*和*Saccharomonospora*总丰度最高，*Actinomadura*在腐熟期出现并促进腐殖化。

3.4 与气体排放相关的细菌群落变化：网络分析识别出与CH₄、N₂O、NH₃、H₂S相关的关键属。CM中*Bacillus*和*Defluviitalea*是与CH₄、NH₃、H₂S排放相关的最丰度属，其丰度从第0天到第49天下降，与早期有机质快速分解和排放高峰对应；*Sporosarcina*与N₂O最相关。PM中*Bacillus*持续主导，*Parapedobacter*在第49天丰度升高与N₂O生成相关。SM和CoM中*Actinomadura*、*Atopostipes*、*Psychrobacter*、*Corynebacterium*等与较低排放相关，*Actinomadura*可能通过消耗易利用碳源抑制CH₄和N₂O产生。

3.5 环境因子和微生物对气体排放的机制：相关分析显示，NH₄⁺和GI是与气体相关类群最频繁的相关因子。PLS-PM路径模型显示，在CM和PM中，NH₄⁺和GI对气体通量的直接和间接效应最强，主要通过*Bacillus*、*Defluviitalea*、*Sporosarcina*等中介；在SM和CoM中，温度、EC和NH₄⁺是主要驱动因子，关键属变为*Actinomadura*、*Corynebacterium*、*Atopostipes*、*Psychrobacter*，且这些细菌到气体排放的路径系数显著低于CM和PM。所有系统中，NH₄⁺是气体通量最一致的环境因子（路径系数0.72–0.91）。同一菌属在不同堆肥环境中可与不同气体相关，例如*Corynebacterium*在CoM中与CH₄排放降低相关，在SM中与N₂O产生相关，体现了微生物代谢可塑性。

讨论与结论：研究揭示了两条由饮食驱动的调控途径。非反刍粪便（鸡、猪）C/N低、易利用碳丰富，利于*Bacillus*主导的群落，加速气体排放；反刍粪便（羊、牛）C/N高、pH高、木质纤维素含量高，促进嗜热放线菌联合（*Actinomadura*、*Corynebacterium*），增强腐殖化并有效固持氮和硫（30–93%），排放潜力显著降低。NH₄⁺是气体通量最一致的近端驱动因子，但其调控结果受原料来源强烈调节。因此，统一的减排策略可能难以普遍有效，需要针对原料的定制措施，如非反刍粪便优化膨松剂、反刍粪便管理温度-水分。未来需要通过宏基因组学等功能验证确认关键类群的因果作用，以实现更清洁的堆肥。