2025-08-18
好氧堆肥是实现猪粪资源化的有效手段，但传统堆肥存在腐熟度低、周期长等不足，故有研究提出，外源添加剂纳米材料如Fe3O4NPs，可以有效改善堆肥质量。近期中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保护与利用国家重点实验室在期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表新科研成果“Biochar-supported Fe₃O₄ nanoparticles affects bacterial community diversity and phosphorus speciation transformation during pig manure aerobic composting by generating hydroxyl radicals and hydrogen peroxide”。本研究以猪粪好氧堆肥过程为研究目标，通过宏基因组测序、Hedley 磷分级和 ³¹P NMR 等技术手段，系统解析了生物炭负载四氧化三铁纳米颗粒（BC-Fe3O4NPs）对堆肥中磷形态转化及微生物群落的调控机制，为解决农田无机磷过量积累问题、保护环境和实现磷的可持续利用提供了理论依据。
本研究的宏基因组测序和部分分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
研究方法
1、实验设计和样本采集
生物炭与 Fe₃O₄纳米颗粒（20 nm）按质量比 5:3 混合。将 0%、1%、5% 和 10% 的 BC-Fe₃O₄纳米颗粒处理分别记为对照组CK、F1、F2 和 F3。每个组在堆肥第0天、第7天、第28天、第50分别采样，并设置 3 个重复。
2、微生物组测序
对样本进行宏基因组测序，确定微生物菌群群落组成。
3、其他分析
理化性质检测、过氧化氢和羟基分析和磷形态检测等。
图1 技术路线图
研究成果
1.温度、pH 值、电导率以及碳氮比的变化
所有处理组均在第4天达最高温，且高浓度BC-Fe₃O₄NPs纳米颗粒在堆肥初期抑制微生物活性导致温度降低；pH值在升温阶段先升后降，最终达到弱碱性；EC 值呈“降-升-降”的趋势；各处理组C/N比随时间下降，F1组因微生物活性高致 C/N 最低。
图2 堆肥过程中理化性质的变化
2.羟基（⋅OH）和过氧化氢（H2O2）含量的变化
羟基自由基（⋅OH）具有优异的氧化性能，可以促进堆肥降解。如图3所示，CK中的⋅OH浓度在第7天达到峰值。而F1则在第14 d达到最大。堆肥后，F1和F2处理的腐殖酸含量高于对照，表明BC-Fe₃O₄NPs纳米颗粒的掺入促进了β-OH的产生。CK组的H2O2先增后减，F1，F2和F3组的H2O2，含量均低于CK组。
图3 堆肥过程中H2O2和⋅OH含量的变化。
3.堆肥过程中磷的形态变化
研究表明，堆肥结束时各组的总磷含量较初始均有所增加；活性磷（AP）中H2O-OP含量下降，NaHCO3-IP 和 NaHCO3-OP 上升，中等活性磷（MAP）中NaOH-IP因与Fe³⁺结合而增加，NaOH-OP受腐殖化过程影响呈波动变化；难溶性磷（NAP）中HCl-IP、HCl-OP和Residual-P比例显著提升，尤其F2、F3 处理的 Residual-P占总磷超 49%，表明BC-Fe₃O₄NPs促进磷向稳定形态转化，且高浓度材料对稳定态磷的形成效果更显著（图4）。对CK和F3的堆肥样品进行了³¹P NMR 分析。随着堆肥过程的进行，CK处理在第50天时出现了峰的化学位移，表明含磷化合物经历了从单脂磷酸到正磷酸盐的转化。F3在第 50 天检测到对应单脂磷酸的峰。研究表明，堆肥可诱导有机磷矿化，加速堆肥中有机磷向无机磷的转化，而BC-Fe₃O₄NPs中的Fe可吸附或沉淀部分无机磷，使其转化为更稳定的形态（图5）。
图5 ³¹P 同位素的核磁共振信号差异
4.细菌群落的多样性及其演替变化情况堆肥化
基于宏基因组测序分析，猪粪好氧堆肥的微生物群落主要由厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和拟杆菌门组成；不同处理组中放线菌门动态差异显著。 F1和 F2组的 Shannon 指数和均匀度高于CK组，而 F3因纳米材料潜在毒性抑制微生物，导致多样性指标降低（图6）。NMDS 分析显示，堆肥初始阶段各组的细菌群落 β 多样性差异小，高温阶段因BC-Fe₃O₄NPs添加量不同显著分散，腐熟期又趋同，表明纳米材料添加量和堆肥阶段共同影响群落结构；层次聚类热图表明，糖单孢菌属、Caldibacillus 等功能菌在中高温阶段协同降解有机物（图7）。
图6 堆肥过程中细菌群落的变化与Alpha多样性指数
图7 堆肥过程中细菌群落结构的变化
5.优势菌群门类与磷的形态分类之间的相关性分析
Mantel 检验分析磷组分析显示，在对照组（CK）中，放线菌与其他细菌群落之间没有显著的相关性，而氢氧化钠处理后的磷（NaOH-P）也与蓝藻、酸杆菌、疣微菌门、绿杆菌门或杆菌门之间没有显著的联系，除了与放线菌之间存在显著的相关性；F1组中放线菌与其他细菌群落之间建立了显著的正相关关系，显著增强放线菌门与其他菌群的正相关性，Residual-P与细菌群落之间的关系也得到了加强，其中厚壁菌门和拟杆菌门表现出显著的相关性，而NaOH-P与细菌群落之间的关系则显著减弱；随添加浓度的升高，放线菌与其他细菌群落间的相关性减弱。从机制上看，低浓度纳米材料通过促进功能菌群协同降解有机物增强菌群互作，高浓度则因铁离子直接沉淀磷及抑制微生物代谢，削弱磷组分与菌群的关联（图8）。为进一步阐明堆肥中磷形态转化机制，研究利用结构方程模型（SEM）分析理化性质、微生物群落与磷组分的相互作用。发现⋅OH与NMDS呈显著负相关（P<0.001），H2O2与Shannon呈显著正相关（P<0.001），揭示了“材料添加→活性氧生成→微生物响应→磷形态转化”的级联调控路径。这一完整过程不仅凸显了H2O2在磷形态转化中的关键作用，也揭示了生物炭特性与铁循环在磷有效性和管理中的协同相互作用（图9）。
图8 优势类群与磷形态的相关性
图9 结构方程分析
研究结论
本研究系统探究了生物炭负载 Fe₃O₄纳米颗粒（BC-Fe₃O₄NPs）在猪粪好氧堆肥过程中对微生物群落多样性及磷形态转化的影响机制。通过设置梯度添加实验发现，低浓度BC-Fe₃O₄NPs（1%）通过催化产生・OH 和 H₂O₂，显著提升堆肥高温期温度，刺激微生物群落多样性增长，并加速有效磷（AP）向非有效性磷（NAP）的转化，有利于降低磷流失风险；而高浓度处理则因抑制微生物活性，导致堆肥温度下降、群落结构单一化。结合结构方程模型，明确了 BC-Fe₃O₄NPs 调控磷形态转化的关键路径，为铁基纳米复合材料在堆肥领域的应用奠定理论基础。
原文引用：Ning Y, Kang W, Jia Z, Nana L, Rui Y, et al. Biochar-supported Fe₃O₄ Nanoparticles Affects Bacterial Community Diversity and Phosphorus Speciation Transformation During Pig Manure Aerobic Composting by Generating Hydroxyl Radicals and Hydrogen Peroxide[J], JOURNAL OF ENVIRONMENTAL CHEMICAL ENGINEERING, 2025, 13(2)
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.115364
