家蝇幼虫预处理调控鸡粪堆肥过程氮转化与温室气体减排机制研究

《Environmental Technology & Innovation》：Mitigation of NH 3 and Greenhouse Gas Emissions in Chicken Manure Composting via Housefly Larvae Pretreatment

为缓解传统堆肥过程中NH3和温室气体（GHG）排放导致的氮损失问题，本研究创新性地提出家蝇幼虫（HL）预处理联合好氧堆肥的两阶段处理策略。结果表明，HL预处理显著延长高温期至13天，发芽指数（GI）提升66.3%，NH3排放和GWP分别降低50.3%和17.8%，但N2O排放增加。宏基因组分析揭示HL调控尿素酶（ure）和反硝化基因（nirK、nosZ）表达是关键机制，为畜禽粪污资源化提供新思路。

　　

随着集约化养殖业的快速发展，中国每年产生约6亿吨禽畜粪便，其中鸡粪因富含氮、磷、钾等营养元素，常被用作有机肥。然而，鸡粪的高氮含量和碱性pH值在传统好氧堆肥过程中极易引发氨（NH₃）挥发和温室气体（如N₂O、CH₄）排放，导致氮素损失率达9.6-46.0%，不仅降低肥料品质，还加剧全球变暖。昆虫生物转化技术（如家蝇幼虫处理）虽能快速降解有机物并转化氮素为昆虫蛋白，但存在有机质分解不彻底、堆肥产物成熟度不足等问题。

为解决上述矛盾，福建省农业科学院资源环境与土壤肥料研究所的研究团队在《Environmental Technology》发表论文，提出将家蝇幼虫预处理与好氧堆肥相结合的两阶段处理新工艺。该研究通过对比HL预处理组与常规堆肥组，系统评估了堆肥理化性质、气体排放及微生物功能基因的响应机制。

研究采用的关键技术方法包括：基于封闭舱法的NH₃和温室气体（N₂O、CO₂、CH₄）动态监测、宏基因组测序分析氮循环功能基因（如ure、nirK、nosZ I/II）、实时荧光定量PCR验证关键基因表达量，并结合微生物群落结构解析（如Proteobacteria、Actinobacteria等脱氮菌群）。实验样本为福建大田县养殖场的鸡粪，预处理阶段以2%接种家蝇幼虫卵，堆肥阶段维持65%湿度并定时通风。

3.1 家蝇幼虫预处理提升堆肥效率与成熟度

HL预处理使堆肥高温期延长至13天，最高温度达70°C，显著高于对照组（63°C）。尽管HL组pH最终升至8.92（对照组8.73），但其发芽指数（GI）达83.3%，较对照组（50.1%）提升66.3%，表明HL预处理有效促进堆肥腐熟并降低植物毒性。

3.2 HL预处理调控气体排放格局

HL组累计NH₃排放量（27.8 g N·m^-2）较对照组（55.4 g N·m^-2）降低50.3%，主要因幼虫消耗氮源减少NH₄⁺转化基础。但N₂O排放量增加84.3%，峰值出现在高温期和降温期，与反硝化过程增强相关。整体温室效应潜势（GWP）下降17.8%，凸显HL技术在协同减排中的潜力。

3.3 功能基因揭示氮转化分子机制

宏基因组分析显示，对照组ure基因丰度较高，直接促进NH₄⁺生成与NH₃释放；HL组则显著富集nirK基因（与N₂O排放正相关），并降低nosZ II/I比值，抑制N₂O还原为N₂。qPCR进一步证实HL组nosZ II基因表达量下降，导致N₂O积累。

3.4 脱氮菌群演替驱动气体排放

Proteobacteria和Actinobacteria为优势脱氮菌门。HL预处理促进 thermophilic阶段Firmicutes和Bacteroidetes增殖，其携带的nirK基因加剧NO₂^-向N₂O转化。降温期HL组以Halomonas为主导nosZ II菌群，但其还原活性受堆体氧气扩散增强抑制。

结论与讨论

本研究证实家蝇幼虫预处理可通过延长高温期、优化微生物群落结构，实现NH₃和整体温室气体减排，但需警惕N₂O排放增加风险。机制上，HL调控尿素酶活性（ure）与反硝化基因（nirK/nosZ）平衡是核心环节。该策略为畜禽粪污资源化提供了“昆虫转化-堆肥强化”双阶段技术路径，未来需通过调控堆肥条件（如氧气浓度、盐度）优化nosZ II菌群功能，以实现全流程气候效益最大化。