铁对猪粪堆肥过程中温室气体和氨排放及相关基因的影响

《Journal of Cleaner Production》：Effects of iron on greenhouse gases and ammonia emissions and related genes in swine manure composting

畜禽粪便堆肥中不同铁盐对温室气体和氨排放的影响研究。结果显示可溶性铁盐比不可溶性铁矿物更有效降低全球变暖潜势，Fe(III)盐显著减少甲烷、氨和二氧化碳排放。通过分析amoX、pmoA、nosZ等功能基因及微生物群落变化，揭示了铁盐调控温室气体和氮素转化的机制。

　　本研究围绕猪粪堆肥过程中温室气体（GHGs）和氨（NH?）排放的影响因素展开，重点探讨了不同形式的铁（Fe）物质对这些排放的调控作用。堆肥作为处理有机废弃物的一种常见生物技术，通过微生物的分解作用将有机质转化为具有农业价值的稳定腐殖质。然而，堆肥过程中由于复杂的生物化学反应，会产生大量温室气体，包括二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O），以及具有恶臭特性的氨气体，这些排放不仅降低了肥料的利用效率，还带来了严重的环境问题，如温室效应和空气污染。

铁元素在堆肥中的作用备受关注，尤其是在调控温室气体和氮损失方面。本研究通过实验分析了十种可溶性铁盐和不可溶性铁矿物对温室气体和氨排放的影响。结果显示，可溶性铁盐在降低温室气体总全球变暖潜力（GWP）方面优于不可溶性铁矿物。此外，Fe(Ⅲ)盐在抑制CH?、NH?和CO?排放方面比Fe(Ⅱ)盐更为有效。研究还发现，FeCl?和FeCl?这两种典型的Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)盐在堆肥初期显著降低了CH?的累积排放，分别减少了35.7%和67.3%，并有效降低了NH?的排放量。

在堆肥过程中，氧化还原电位（ORP）和微生物活性是影响有机质分解的关键因素。Fe(Ⅲ)盐的添加提高了堆肥初期的ORP，同时抑制了关键的微生物群落，如mmoX和pmoA基因的表达，从而减少了CH?和NH?的生成。相比之下，Fe(Ⅱ)盐的添加效果较弱，对这些微生物的抑制作用不如Fe(Ⅲ)盐明显。此外，研究还发现Fe(Ⅲ)盐可能促进N?O的排放，这与堆肥体系中的氮转化过程有关，尤其是在初始阶段，NH??-N含量、nirK和norB基因的表达增加可能促进了N?O的释放。

研究进一步分析了不同处理方式对堆肥过程中关键微生物群落和代谢基因的影响。结果显示，在初始阶段，Fe(Ⅲ)盐处理下的nosZ基因表达显著下降，而Ctrl和FeⅡ处理下的nosZ基因表达则有所上升。这一变化可能对脱氮过程产生抑制作用，从而减少N?O的排放。同时，Fe(Ⅲ)盐处理下的主要甲烷生成菌Methanobrevibacter的丰度在初始阶段显著降低，表明Fe(Ⅲ)盐在抑制CH?生成方面具有重要作用。

在堆肥过程中，不同的处理方式和条件对温室气体和氮损失的影响具有显著差异。本研究通过实验发现，可溶性铁盐在降低温室气体总全球变暖潜力方面表现更优，而Fe(Ⅲ)盐在抑制CH?、NH?和CO?排放方面效果更显著。这表明，在选择铁基调理剂时，Fe(Ⅲ)盐可能是更有效的选项。然而，Fe(Ⅲ)盐对N?O排放的促进作用也需要进一步关注，以避免其对环境的负面影响。

在堆肥过程中，温度和pH值是重要的调控参数，它们直接影响有机质的分解速率和微生物的活性。研究将整个堆肥过程分为四个阶段：加热期（第0天至第1天）、高温期（第1天至第12天）、降温期（第12天至第32天）和成熟期（第32天至第60天）。结果显示，Ctrl、FeⅡ和FeⅢ处理的堆肥温度在高温期均迅速上升至50°C以上，表明这些处理方式均能有效促进堆肥过程的进行。然而，在降温期和成熟期，Fe(Ⅲ)盐处理的堆肥温度下降速度较快，这可能与其对微生物活性的调节作用有关。

此外，研究还发现，Fe(Ⅲ)盐的添加对堆肥过程中的氮转化有显著影响。在初始阶段，FeCl?和FeCl?的添加显著降低了NH??-N的含量，并抑制了nirK和norB基因的表达，从而减少了N?O的生成。然而，Fe(Ⅲ)盐的添加也促进了N?O的排放，这可能与氮转化过程中某些酶的活性有关。研究还发现，在Fe(Ⅲ)盐处理下，nosZ基因的表达显著下降，而Ctrl和FeⅡ处理下则有所上升，这表明Fe(Ⅲ)盐可能对脱氮过程产生抑制作用，从而减少N?O的排放。

综上所述，本研究通过实验分析了铁元素对猪粪堆肥过程中温室气体和氨排放的影响，提出了一个具有可行性和经济性的策略，以减少堆肥过程中产生的温室效应和氮损失。研究结果表明，可溶性铁盐在降低温室气体总全球变暖潜力方面优于不可溶性铁矿物，而Fe(Ⅲ)盐在抑制CH?、NH?和CO?排放方面效果更显著。这些发现为优化堆肥过程提供了重要的理论依据和技术支持。