Spatial nitrifications of microbial processes during composting of swine, cow and chicken manure

豬糞、牛糞和雞糞堆肥過程中微生物過程的空間硝化

來源：Scientific RepoRts | 5:14932

 

論文摘要

本研究揭示了豬糞、牛糞和雞糞在強制通風堆肥過程中，其顆粒內部的微環境演變和微生物過程的空間分層。盡管堆肥通常被視為好氧生物過程，但本研究證實，在高溫活性階段，這些糞便顆粒內部長期存在大范圍的缺氧區。氧化還原電位（ORP）的剖面先急劇下降后逐漸回升。氨氮濃度的空間差異不顯著，但硝酸鹽濃度隨深度增加而持續降低。糞便顆粒內部的缺氧條件被證明是導致嚴重氨氣排放和堆肥周期長的主要原因。這些發現為理解“好氧”堆肥過程提供了新視角。

研究目的

本研究旨在闡明：

 

堆肥過程中，糞便顆粒內部的氧氣傳輸特性及微生物氮轉化的空間分布。

顆粒內部溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）、銨根離子（NH??）和硝酸根離子（NO??）的化學梯度。

氧氣滲透深度、ORP、C/N等因素對NH?、CO?和CH?排放率的影響。

 

氧氣傳輸與糞便穩定化過程、微生物分層與化學梯度之間的關系。

 

研究思路

研究采用實驗室尺度的強制通風堆肥實驗，結合高分辨率原位測量技術：

 

樣本與設置：分別對豬糞、牛糞和雞糞（均與多孔浮石作為膨脹劑混合）進行為期30天的恒溫堆肥。

常規化學分析：定期測量糞便的含水量、揮發性固體、pH值、C/N比、溶解性有機碳（DOC）以及NH??/NH?含量。同時，每日通過化學滴定法測定NH?和CO?的排放率，通過氣相色譜測定CH?排放率。

微環境原位測量：在堆肥的第0、10、20、30天，使用丹麥Unisense微電極系統，原位測量糞便顆粒表面2毫米深度層內DO、ORP、NH??和NO??的垂直分布（空間間隔20μm）。

 

數據關聯分析：將微電極獲得的化學梯度數據與宏觀排放數據、化學分析結果關聯，闡釋內部微環境對堆肥過程的影響。

 

測量的數據、研究意義及來源

研究測量了多方面的數據：

 

NH?排放與NH??含量數據：

 

數據內容：雞糞的累計NH?排放量（189.4 mmol）遠高于豬糞（59.2 mmol）和牛糞（12.3 mmol）。NH??/NH?含量也呈現相同趨勢。顆粒內部NH??濃度空間差異不顯著。

 

研究意義：表明雞糞氮損失最嚴重，且氨化作用釋放的NH??在液相中分布均勻，其揮發受pH升高、水分流失和溫度升高的共同驅動。數據來自圖1a-e。

 

 

碳轉化與溫室氣體排放數據：

 

數據內容：雞糞的DOC含量最高，三種糞便的DOC均隨堆肥進行而下降。CO?排放率在前15天顯著降低。CH?排放主要發生在堆肥初期。

 

研究意義：DOC下降反映有機物的生物降解。CH?的排放直接證明了糞便內部存在嚴格厭氧環境。數據來自圖2a-c。

 

 

溶解氧（DO）垂直剖面數據（使用丹麥Unisense電極測量）：

 

數據內容：DO濃度在進入糞便表層后迅速下降。在堆肥前期（第20天），氧氣僅能滲透到豬糞約0.30mm，雞糞0.78mm，牛糞2.10mm的深度，表明糞便顆粒內部絕大部分區域處于缺氧狀態。

 

研究意義：直接證實了堆肥活性階段糞便顆粒內部存在長期、大范圍的缺氧區，挑戰了堆肥是完全好氧過程的傳統認知。氧氣擴散是堆肥中氧氣傳輸過程的限速步驟。數據來自圖3a-c。

 

 

氧化還原電位（ORP）垂直剖面數據（使用丹麥Unisense電極測量）：

 

數據內容：ORP值隨深度增加而降低，與DO下降趨勢一致。缺氧區的ORP在堆肥初期急劇下降（雞糞最低至-120mV），隨后逐漸回升。

 

研究意義：ORP的劇烈變化定義了微生物代謝的化學環境。初期的低ORP為產甲烷過程提供了條件，這與觀測到的CH?排放峰在時間上吻合。數據來自圖4a-c。

 

 

硝酸鹽（NO??）垂直剖面數據：

 

數據內容：顆粒核心區的NO??濃度在堆肥前期下降，后期逐漸上升。NO??濃度與DO水平呈正相關，表層濃度高于深層。

 

研究意義：前期NO??的下降表明缺氧區內發生了反硝化作用。后期NO??的上升則與堆肥后期（腐熟期）好氧條件改善，硝化作用增強有關。數據來自圖5a-c。

 

 

研究結論

 

好氧-缺氧雙重結構：堆肥活性階段，糞便顆粒內部長期存在“表層好氧、內部缺氧”的雙重結構。這是導致堆肥周期長的重要原因，因為缺氧區的有機物降解速率遠低于好氧區。

氮轉化路徑：在活性階段，內部缺氧區主要發生反硝化（消耗NO??），而硝化作用（產生NO??）受高溫、低DO/ORP等因素抑制，主要發生在堆肥后期的腐熟階段。

氨氣排放機制：嚴重的NH?排放主要歸因于氨化作用釋放NH?、水分蒸發導致的NH?濃縮、高溫降低其溶解度以及硝化作用被抑制，而非傳統認為的低C/N比。

 

溫室氣體產生：初期的低ORP環境導致了CH?的產生和排放。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量的DO和ORP數據在本研究中具有革命性的研究意義，其詳細解讀如下：

 

高空間分辨率揭示微觀世界：Unisense微電極的尖端極細（20-30μm），能夠以微米級的分辨率無損地穿刺進入柔軟的糞便顆粒中進行原位、實時測量。傳統破壞性取樣方法無法獲得這種連續的、反映真實生理狀態的垂直剖面數據。本研究獲得的DO和ORP剖面（圖3和圖4），首次直觀地、定量地揭示了堆肥物料基本單元——糞便顆粒內部的化學微環境。

直接挑戰傳統認知：堆肥長期以來被冠以“好氧”之名。然而，Unisense電極測量的DO數據直接證實，即使在強制通風條件下，氧氣也只能滲透到糞便顆粒表層極薄的范圍（例如豬糞僅0.3mm），而顆粒內部絕大部分體積（直徑通常>8mm）在活性階段長期處于缺氧狀態。這一發現從根本上動搖了“堆肥是完全好氧過程”的傳統觀念，將研究視角從堆體宏觀氣相引向了顆粒內部微米尺度的好氧-缺氧界面。

連接微環境與宏觀現象的關鍵橋梁：該測量數據完美地將微觀的化學梯度與宏觀的堆肥表現（如氣體排放、處理周期）聯系起來。

 

DO剖面解釋了為何堆肥周期長：因為大部分有機物在缺氧區內降解緩慢。

ORP剖面與CH?排放數據結合，解釋了CH?何時、為何產生：初期的低ORP為產甲烷菌創造了條件。

 

DO和NO??剖面的結合，清晰地展示了氮素轉化（硝化與反硝化）的空間分異：硝化在表層好氧區，反硝化在內部缺氧區。

 

指導優化堆肥工藝：這一發現指出，單純增加堆體宏觀通風無法有效改善顆粒內部的缺氧問題。這為開發新型堆肥技術（如減小物料粒徑、添加納米氧載體、優化攪拌方式等以增強內部氧氣傳遞）提供了直接的理論依據和明確的改進方向。

 

綜上所述，丹麥Unisense電極測量的數據不僅是本研究發現核心科學現象（好氧-缺氧雙重結構）的基石，更是連接微觀機制與宏觀效能、挑戰傳統理論、并指引未來技術發展的重要工具，凸顯了高分辨率原位測量技術在環境工程研究中的巨大價值。