综述：好氧堆肥中微生物固氮技术及微生物作用机制的研究进展

《Microbial Ecology》：Research Progress on Microbial Nitrogen Conservation Technology and Mechanism of Microorganisms in Aerobic Composting

本文聚焦好氧堆肥微生物固氮技术，阐述其作用效果、机制并提研究方向，值得一读。

　　### 好氧堆肥中微生物固氮技术及微生物作用机制的研究进展

引言

随着经济发展和生活水平提高，中国对畜产品需求不断增加。据农业部数据，2021 年家禽、猪、牛的屠宰量分别达 157.4 亿只、6.7128 亿头和 4707 万头，同时产生大量畜禽粪便，每年约 38 亿吨。这些粪便富含氮、磷，在储存过程中会释放氨气（NH3?）和硫化氢（H2?S）等恶臭气体，严重污染生态环境，威胁人类健康。

好氧堆肥是处理畜禽粪便的有效技术手段。通过高温好氧发酵，畜禽粪便可转化为安全、稳定且营养丰富的土壤改良剂，减少环境污染，提高堆肥效率，改善土壤质量，促进农业可持续发展。然而，研究表明，好氧堆肥过程中氮损失占初始氮含量的 12 - 25%，其中NH3?挥发损失占 60 - 99%，还有少量氧化亚氮（N2?O）排放，这不仅降低堆肥效率，还会造成空气污染。调节堆肥过程中的氮转化以减少NH3?排放，是好氧堆肥固氮技术的主要关注点。

氮损失受多种因素影响，如原料组成、碳氮比（C/N）和堆体中氧气（O2?）浓度等。堆肥材料的组成直接影响微生物群落结构和代谢活动，例如富含蛋白质和氮源的材料可能促进微生物的氮同化和降解活动。C/N比在氮损失中起着关键作用，当C/N比低于 10 或高于 30 时，氮损失显著增加。较低的C/N比会导致氮的过度矿化，增加氮损失；较高的C/N比则直接导致氮挥发损失。为优化氮转化效率和减少NH3?损失，最佳C/N比在 24 - 30 之间。堆肥中的反硝化微生物在低氧浓度（span data-custom-copy-text="\(0.2mg/L\)"<0.2mg/L）下更活跃，而堆体中材料的聚集和压实通常会限制氧气渗透，低O2?浓度是驱动N2?O排放的主要因素。因此，为减少N2?O排放，应保持适当的通气率（如0.5L?min?1?kg?1），以确保氧气供应并抑制N2?O产生。堆肥中适宜的水分含量也有助于增加堆肥混合物的孔隙度，从而提高O2?含量，增强成熟度并减少氮损失。

通过物理、化学和生物途径调节氮转化以减少堆肥过程中的氮损失，是好氧堆肥固氮的关键研究领域。沸石、生物炭、硫和磷酸等物理和化学添加剂可在短期内减少NH3?排放，但存在明显缺点。例如，生物炭在吸附氮的同时，可能吸附其他必需养分（如磷和钾），影响堆肥过程中其他养分的有效性；沸石的添加可能影响微生物的多样性和代谢活性，且由于粒径和分布不均，其固氮效果不稳定；过量使用硫和磷酸会降低土壤 pH（span data-custom-copy-text="\(6.0\)"<6.0），抑制堆肥过程，降低堆肥质量，长期滥用还可能破坏土壤的有机平衡，对植物生长产生负面影响。此外，使用功能膜可减少NH3?排放 7.34%，减少N2?O排放 26.27%，但设备组装投资高，远超中小型农场的经济承受能力。

相比之下，使用固氮微生物菌剂（NRMA）无需复杂设备和高成本投资，操作简单，适用于各种规模的堆肥过程。其他固氮方法虽能减缓氮挥发，但无法改变氮转化途径，而 NRMA 可增强微生物活性，使氮以更稳定、可用的形式存在，提高氮利用效率。此外，NRMA 有助于增加堆肥中有益微生物的活性，改善堆肥结构和施肥效率，保障农田土壤健康，对环境负面影响极小，避免了化学添加剂带来的额外污染和土壤 pH 失衡问题。目前全球已有成熟产品，如 LALLEMAND 公司的 MANURE PRO，但 NRMA 固氮作用背后的机制尚不清楚，限制了产品的进一步开发和优化。

研究表明，添加外源微生物不仅能促进堆肥材料的成熟和提高质量，还能平衡原生微生物群落的演替。添加 NRMA 可通过增强与氮相关的酶活性，进一步提高固氮效率，对堆肥中的氮循环和保留产生积极影响。因此，添加 NRMA 是一种低成本、高效且无污染的固氮技术，但目前其作用机制仍未完全明确。

本文将概述好氧堆肥过程中氮转化的原理，综述现有研究中 NRMA 的固氮效果，探讨 NRMA 对好氧堆肥微生物群落的影响，分析与氮相关的基因和酶活性的调控机制，阐明固氮机制，并提出未来研究方向，旨在为 NRMA 在好氧堆肥固氮中的应用提供理论支持和技术指导。

好氧堆肥中的氮转化机制

好氧堆肥中的氮转化过程主要包括氨化、硝化、反硝化等与氮相关的过程。

1. 氨化：氨化是微生物分解有机氮化合物产生氨的过程，代表了有机氮的矿化。微生物在各种酶的帮助下，将复杂的含氮有机物质转化为较简单的含氮化合物，如氨基酸和肽。在微生物脱氨酶的作用下，这些化合物发生脱氨反应，形成NH4+??N或NH3?。在碱性条件下，铵离子（NH4+?）可转化为NH3?并挥发到大气中。此外，NH4+??N易溶于水，可通过渗滤液渗入土壤。因此，氨化过程将有机氮转化为氨，导致堆肥过程中的氮损失，对固氮效率产生负面影响。
2. 硝化：硝化作用在有氧条件下发生，以NH4+?为底物，在氨单加氧酶（AMO）的作用下被氧化为羟胺（NH2?OH），随后羟胺在羟胺氧化还原酶（HAO）的作用下进一步被氧化为亚硝酸盐（NO2??），NO2??在NO2??氧化还原酶的作用下转化为硝酸盐（NO3??），这一过程通过三步氧化反应完成。硝化作用主要由硝化细菌进行，主要发生在堆肥的升温期和降温期，温度低于 40 - 55°C。在整个堆肥过程中，硝化作用将NH4+?转化为NO3??，防止NH4+?转化为NH3?，从而减少氮损失。
3. 反硝化：反硝化是NO3??或NO2??被还原为氮气（N2?）的过程，由硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶和N2?O还原酶等复杂酶系统协同作用完成。硝酸氮（NO3???N）逐渐被还原为亚硝酸氮（NO2???N）、一氧化氮（NO）、N2?O，最终还原为氮气（N2?）。该过程通常发生在缺氧的堆肥中，如高水分含量、低孔隙度或通气不足等情况。反硝化会导致堆肥中相对少量的氮损失，估计约为 5%。
4. 其他与堆肥相关的氮转化过程：铵同化是通过谷氨酸脱氢酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的协同作用，将NH4+?转化为有机氮的过程，可显著减少堆肥过程中的氮损失，增强堆肥中的氮保留，提高堆肥的土壤改良剂效率。堆肥中少量的固氮细菌可将有限的大气氮或反硝化产生的氮转化为NH4+?，有助于氮保留。

综上所述，好氧堆肥过程中的氮损失主要通过NH3?挥发、NH4+??N渗滤液淋失和不完全反硝化（如 NO、N2?O和N2?排放）等方式发生。在好氧堆肥中添加 NRMA 可通过引入硝化细菌增强硝化过程，促进NH4+??N转化为NO3???N；同时，NRMA 中的氨化细菌可有效促进铵同化，将NH4+??N转化为氨基酸等含氮有机化合物，不仅减少NH4+??N的挥发损失，还增加堆肥中的氮含量，提高氮利用效率。

微生物添加剂及其对固氮、环境效益和权衡的影响

微生物添加剂可以是单一菌株，也可以是由几种不同微生物组成的复合菌剂。以往研究对多种用于好氧堆肥的 NRMA 进行了探讨，主要类型包括芽孢杆菌、氨氧化细菌、纤维素降解菌、硝化细菌和固氮根瘤菌等。表现突出的微生物群落如下：单独使用巨大芽孢杆菌、硫杆菌属、微小酵母菌或地衣芽孢杆菌，可有效减少畜禽粪便中NH3?排放，减少 31.3 - 90% 的气味排放；嗜热脂肪地芽孢杆菌菌株已被证明可减少 89.3% 的N2?O排放。不同菌株协同应用构建复合微生物菌群，进一步提高了固氮效率。例如，添加鸡粪整合微生物菌群可使总氮含量增加约 28.3%，同时减少NH3?和N2?O排放；在牛粪底物中添加氨氧化微生物菌群，可使凯氏总氮含量增加 24.43 - 38.87%；当枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、绿色木霉和黑曲霉以 0.1 - 0.4% 的比例添加到牛粪中时，总氮含量增加 5.5 - 20.6%；在猪粪中添加由枯草芽孢杆菌 NF1 等菌株组成的复合微生物菌群，总氮含量可增加高达 55.35%。

研究表明，在好氧堆肥过程中添加微生物菌剂可显著提高堆肥成熟度，减少气味排放和氮损失。目前市场上已有各种成熟的 NRMA 产品，如 LALLEMAND 公司的 MANURE PRO、北京沃特尔生物技术有限公司的畜禽粪便发酵菌剂 VT1010 和除臭剂 VT400 等。

此外，基于经济分析和生命周期评估（LCA），改进技术应用的生态效率、经济效益和潜在环境影响的比率，已成为衡量综合经济和环境影响的重要指标。目前尚未有通过 LCA 和 / 或技术经济研究评估堆肥固氮微生物接种技术的相关报道。成熟堆肥中的有机物和氮、磷等养分对作物生长至关重要，而生产氮、磷肥需要土地资源，消耗矿产资源并耗费大量能源。研究表明，生产 1kg 氮肥的土地利用影响为每作物当量0.31m2；在矿产资源稀缺方面，根据 Ecoinvent 数据库，生产 1kg 氮肥会产生 0.027kg 铜当量；氮肥生产的能源需求很高，因其需要高温高压过程，占肥料生产总能源的 90%。虽然不同地区堆肥对化肥的实际替代率难以量化且存在很大不确定性，但大量研究表明，将堆肥产生的有机肥料施用于农业土壤，可部分替代化肥，显著减少肥料生产中的资源消耗，同时提高土壤有机质含量，直接增加土壤碳固存，改善系统的碳足迹，间接改善土壤生态，如保水性、作物生产力和养分循环。生命周期评估还发现，更先进的堆肥技术（如反应器堆肥）可提高环境效益和生态效率。然而，好氧堆肥过程中产生的甲烷和氧化亚氮排放对全球变暖有显著贡献。因此，迫切需要研究好氧堆肥过程的减排措施，本文所述的微生物接种技术是一种有前景的减排措施，同时还能促进堆肥的成熟过程，提高堆肥的生物安全性。

微生物菌剂影响堆肥中氮转化的机制

1. 对氮转化微生物丰度的调节：在好氧堆肥过程中，氮以多种形式存在，包括NH4+??N、NO3???N和有机氮。这些氮形式的转化在很大程度上依赖于多种微生物的活动，如氨化细菌、硝酸还原细菌、硝化细菌、固氮细菌等功能微生物。鞘氨醇杆菌是一种常见于堆肥中的硝化细菌，在氨转化为NO3??和NO2??的过程中起着关键作用；芽孢八叠球菌是一种高效的固氮细菌，其代谢过程对堆肥过程中氮的形成和保留至关重要，关乎堆肥质量和肥力。

以往研究表明，接种氨氧化细菌（AOB）作为 NRMA，对堆肥中的微生物群落及其功能有显著影响。接种 AOB 可促进芽孢杆菌的生长，芽孢杆菌在堆肥高温期尤为活跃，其丰度增加至 29.18%，使氮损失率降低至 24.16%。在堆肥高温期，通过 16S rRNA 基因扩增子测序分析的操作分类单元（otus）数量，对照组为 57 个，而添加微生物添加剂 MT - AOB - 2 - 4 的处理组显著增加至 313 个，比对照组增加了 256 个 otus。此外，接种耐热氨氧化细菌 AOB 使芽孢杆菌科在芽孢杆菌组中的丰度在高温期增加至 29.18%，氮损失率降低至 24.16%，表明接种显著增加了高温期的细菌丰度和微生物多样性。这可能归因于 AOB 接种剂中存在芽孢杆菌，芽孢杆菌相对耐热，在堆肥过程中活性较高，被认为是调节氮转化的关键属，在氮保留和转化中发挥重要作用，影响微生物丰度和代谢活动，有助于减少氮损失，提高固氮效率。

除了调节氮转化，NRMA 还能改善氮转化微生物的生长环境。研究发现，在好氧堆肥过程中添加 NRMA 可显著提高氮利用效率，主要机制是增加了参与氮转化的微生物丰度，促进了有效的氮转化。NRMA 含有氨化细菌、硝化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和固氮细菌等，这些微生物通过促进氨的硝化和随后亚硝酸盐的转化，有效减少氨的产生和氮损失。例如，添加微生物菌剂 NRMA 显著增加了如寡盐芽孢杆菌、芽孢八叠球菌、鞘氨醇杆菌和海洋芽孢杆菌等氮转化细菌的丰度，尤其是在高温期，它们的相对丰度分别增加了 7.2%、8.33%、0.18% 和 0.01%，导致氮损失减少 58.8%，总氮含量增加 22.6%，表明添加微生物菌剂增强了这些微生物群落的活性，从而减少氨排放，提高氮利用效率。

研究还表明，添加 NRMA HA - 1 和 HA - 2 可显著提高堆肥中的NO3???N含量。接种微生物菌剂 HA - 1 和 HA - 2 后，细菌剂组中变形菌门的相对丰度增加了 32.3%，厚壁菌门的丰度更高，促进了硝化作用，减少了氮损失；细菌剂组中累积的NH3?和N2?O排放分别比对照组低 36.1% 和 32.1%。

因此，在好氧堆肥过程中添加不同的微生物接种剂，可显著增加氮转化微生物群落（如芽孢杆菌科、变形菌门、厚壁菌门、寡盐芽孢杆菌、芽孢八叠球菌、鞘氨醇杆菌和海洋芽孢杆菌等）的丰度，改变群落组成，从而减少氮损失（如NH3?和N2?O排放），增强氮保留，提高总氮含量和堆肥质量。
2. 氮转化酶活性的变化：好氧堆肥过程中的氮循环涉及多种关键酶，每种酶在氮化合物的转化中都起着至关重要的作用。脲酶催化尿素水解，将其转化为氨，随后氨转化为铵离子；AMO 是 AOB 和氨氧化古菌（AOA）中的一种重要酶，负责将氨氧化为NO2??，这是氮从有机形式转化为无机形式的关键步骤；亚硝酸氧化酶将NO2??氧化为NO3??，使氮以氧化态稳定存在，便于有效利用；硝酸还原酶在厌氧条件下将NO3???N还原为NO2???N，在氮还原中起重要作用；亚硝酸还原酶进一步将NO2??还原为NH3?，完成氮还原过程；氧化亚氮还原酶参与反硝化过程中N2?O的还原；固氮酶对固氮至关重要，在好氧堆肥过程中将氮气转化为可用的氮化合物。

NRMA 对酶活性有显著影响，可通过调节堆肥温度和 pH、作为酶激活剂或抑制剂以及优化氮循环等多种机制来调节酶的功能，从而提高氮利用效率。研究显示，接种冷适应微生物菌剂（CAMA）显著提高了鸡粪和锯末好氧堆肥过程中的脲酶活性，接种 CAMA 的处理组脲酶活性峰值为7.82mgNH4+??Ng?124 h?1，而对照组仅为6.24mgNH4+??Ng?124 h?1。在整个堆肥过程中，对照组的脲酶活性始终<