《Journal of Cleaner Production》：Process parameter optimization for greenhouse gas mitigation during green-waste composting and mechanistic insights from microbe–environment networks in treatments with contrasting outcomes
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通过正交试验研究颗粒大小、饲料比（绿色废物与家禽粪便）及通风率对城市绿色废物堆肥过程中温室气体减排及堆肥质量的影响，发现最佳处理组合（15mm颗粒，3:1饲料比，0.4L·min?1·kg?1通风率）可使CO?、N?O和CH?排放分别降低4.07%、53.07%和20.89%，总全球变暖潜势下降46.94%。微生物功能预测与共现网络分析表明，颗粒大小主导温室气体通量，中等颗粒降低CO?和N?O排放，大颗粒抑制CH?排放，而通风率通过调节氧气扩散间接影响微生物代谢网络。研究揭示了工艺参数调控微生物群落结构与功能，进而实现低碳高效堆肥的机制。
李晓文|曹敏|黄文旭|梅豪|罗攀|马萍|张俊豪|朱伟勤|何淼淼|丁颖
杭州师范大学环境科学与工程学院，中国杭州310036
摘要
绿色废弃物（GW）是城市固体废弃物中增长最快的部分之一，好氧堆肥为其增值提供了可持续的途径。然而，温室气体（GHGs）的排放仍然是一个关键的环境挑战。在这项研究中，我们应用了三因素、三水平的正交设计来评估颗粒大小、原料比例和通风速率对堆肥成熟度、养分保留和温室气体减排的交互作用。使用15毫米的颗粒大小、3:1的原料比例（GW：鸡粪）以及0.4 L min?1·kg?1的通风速率（CT4）的处理方法取得了最佳的整体性能。与其他处理方法相比，CT4分别减少了4.07%、53.07%和20.89%的CO2、N2O和CH4排放，从而使总全球变暖潜力（GWP）降低了46.94%，同时保证了高质量的堆肥。正交分析和相关性分析表明，颗粒大小是控制温室气体通量的主导因素：中等大小的颗粒与减少CO2和N2O排放有关，而较大的颗粒在抑制CH4排放方面更为有效。微生物功能预测和共现网络分析显示，CT3表现出强烈的碳和氮代谢，形成了复杂的微生物-环境反馈循环，放大了温室气体的排放。相比之下，CT4保持了中等的代谢活性和简化的微生物网络，其温室气体排放主要受内部代谢平衡调节，并且仅与Sphingobacterium有单一关联。这些发现阐明了工艺参数如何塑造微生物网络结构和功能，为优化低碳、高效的绿色废弃物堆肥提供了机制上的见解和指导。
引言
绿色废弃物（GW）主要来源于景观维护过程中的修剪残余物、落叶和风暴损坏的树枝，已成为全球城市固体废弃物中增长最快的组成部分之一（Xiao和Zhang，2024年）。统计数据显示，2018年美国产生了约3210万吨GW（美国环境保护署，2020年），2022-2023年澳大利亚新南威尔士州产生了约42.6万吨（新南威尔士州政府，2024年），2020年中国城市地区产生了4729万吨（中国国家林业和草原管理局，2020年）。这些数字突显了GW在环境和资源管理中的紧迫性。
GW的特点是碳氮比（C/N）高（>25），氮含量低（0.5%–1.5%），以及纤维素、半纤维素和木质素的比例高（>75%）（Feng和Zhang，2022年；Wu等人，2024年）。此外，其组成具有明显的季节性波动（Ansari等人，2023年），导致降解效率低、堆肥周期长和产品质量差。这些特性限制了其有效分解和资源利用。传统的处理方法，如填埋和焚烧，不仅浪费了养分，还会造成二次污染（Zhang等人，2025年）。相比之下，好氧堆肥被认为是GW增值最有前景的方法，能够将其转化为富含氮、磷、钾和多种有机化合物的稳定土壤有机改良剂（Wang等人，2024年；Zhang和Sun，2018年）。
在中国南方，樟树（Cinnamomum camphora）是主要的街道树种之一，会产生大量的修剪残余物（Wang等人，2020年）。与许多常见的绿色废弃物不同，樟树含有生物活性化合物（如樟脑、桉叶油），这些化合物对植物和微生物具有明显的化感或抑制作用（Lee等人，2022年）。先前的研究表明，樟树叶屑可以抑制生物活性（Chen等人，2020年），这表明这些生物活性成分可能会影响堆肥过程中的微生物活动。然而，基于樟树的绿色废弃物在堆肥研究中的关注度仍然有限。这些特性突显了基于樟树的绿色废弃物作为堆肥原料的独特性，强调了需要更好地理解和优化这类富含生物活性物质的堆肥策略。
在绿色废弃物的好氧堆肥过程中，不可避免地会排放温室气体，其中CO2、CH4和N2O是主要成分（Zhu-Barker等人，2017年）。其中，CH4和N2O的全球变暖潜力分别是CO2的28-34倍和265-298倍（IPCC，2021年）。例如，Zhu-Barker等人（2017年）报告称，加利福尼亚州的绿色废弃物堆肥每年产生约78.9万吨CO2当量排放，占该州农业部门总排放量的2.1%。这些发现表明，尽管绿色废弃物堆肥促进了有机废弃物的资源利用，但其通过温室气体排放对气候变化的贡献不可忽视。因此，迫切需要开发和优化减排策略（Nordahl等人，2023年）。
调节堆肥过程中温室气体产生的机制很复杂，受原料性质、操作条件和微生物动态的影响（Zhang等人，2021年，2022年；Tang等人，2023年）。许多研究试图通过优化个别参数来减少温室气体排放，如通风速率（Peng等人，2023年）、碳氮比（Azis等人，2023年）、颗粒大小（Mishra和Yadav，2022年）和原料比例（Zhang等人，2023年）。然而，这种单因素方法往往会产生权衡；例如，高通风速率会抑制CH4的排放，但会增加NH3和N2O的损失（Nordahl等人，2023年）。同时，原料的物理结构也会显著影响气体通量。Li等人（2025年）表明，颗粒大小改变了秸秆-牛粪堆肥中的CH4、N2O和CO2排放，而建模和实验证据都表明颗粒结构会影响氧气扩散并改变CO2或CH4的动态（Ge等人，2016年）。尽管这些研究强调了原料结构的相关性，但直接将颗粒大小与CH4和N2O排放联系起来的定量评估仍然有限，且很少评估多个参数之间的相互作用。这一差距突显了进行综合分析的必要性。为此，本研究应用了三因素、三水平的正交设计，结合颗粒大小、原料比例和通风速率，系统地评估它们对温室气体排放和堆肥质量的单独和交互作用。
值得注意的是，工艺参数对温室气体排放的调节主要是通过改变微生物群落的结构和功能来实现的（Zhang等人，2022年）。先前的研究广泛使用了16S/ITS测序来监测绿色废弃物或基于绿色废弃物的混合物堆肥过程中的细菌和真菌演替（Wang等人，2022年；Zhang等人，2022年）。此外，共现网络分析已被用来将微生物属与氮循环功能基因（如narG、nirK、nosZ）关联起来，以识别堆肥系统中N2O排放的潜在驱动因素（Shi等人，2023年）。共现网络被认为是阐明关键微生物类群与环境因素之间关系的强大工具。它们在有机废物处理和堆肥生态系统中得到广泛应用（Siles等人，2021年）。然而，很少有研究比较不同工艺参数如何塑造微生物网络结构和功能预测。因此，本研究的另一个创新在于结合了共现网络分析，以揭示在不同参数组合下微生物相互作用和环境因素如何共同调节CO2、CH4和N2的排放。
基于这些考虑，本研究旨在：（1）系统评估关键工艺参数组合对绿色废弃物好氧堆肥过程中温室气体排放和堆肥质量的影响；（2）阐明关键参数之间的相互作用及其对温室气体减排的影响；（3）识别整个堆肥过程中的核心微生物演替模式；（4）利用共现网络分析来阐明环境因素和微生物群落如何调节温室气体排放。研究结果有望为绿色废弃物的可持续管理和气候变化缓解提供理论见解和实际指导。
实验材料
绿色废弃物（GW）由中国杭州的环卫工人从修剪下来的树枝和叶子中收集，而新鲜的鸡粪（CM）则来自安徽省黄山的养鸡场。在堆肥之前，混合的GW（大约90%为Cinnamomum camphora，10%为松树，两者之间的树枝与叶子比例为1:1）被切碎。鸡粪经过手工清理，去除了羽毛、石头、塑料和其他杂质。堆肥原料的基本物理化学性质如下
基本物理化学特性
温度是堆肥过程中的一个关键参数，反映了微生物的代谢活动、有机物的降解和病原体的失活。它对过程稳定性和最终堆肥质量有着重要影响（Wu等人，2020年）。在本研究中，所有处理方法都表现出典型的好氧堆肥温度曲线，包括升温、嗜热、降温、二次升温和成熟阶段（图1a）。在所有处理方法中，嗜热阶段持续了三天以上
结论
本研究系统研究了颗粒大小、原料比例和通风速率对绿色废弃物好氧堆肥的影响。结果表明，使用中等大小的颗粒（15毫米）、3:1的原料比例和0.4 L min?1·kg?1的通风速率（CT4）不仅有效地减少了温室气体排放和总体气候影响，还提高了养分保留和堆肥成熟度。此外，机制分析表明，在CT3处理中，主要的细菌属包括
CRediT作者贡献声明
李晓文：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，数据分析，概念化。曹敏：撰写——审稿与编辑，验证，数据管理。黄文旭：撰写——审稿与编辑，验证。梅豪：撰写——审稿与编辑，验证。罗攀：撰写——审稿与编辑，验证。马萍：撰写——审稿与编辑，验证。张俊豪：撰写——审稿与编辑，验证。朱伟勤：撰写——审稿与
知情同意书，人类/动物权利声明
本研究不存在冲突、知情同意或涉及人类或动物权利的问题。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了浙江省教育厅一般科学研究项目（Y202351651）、浙江省大学生科技创新活动计划（新种子人才计划，2024R426C074）、国家大学生创新创业培训计划（202510346064）、杭州市社会发展项目（项目编号20160533B78）以及海外归国学者创业项目的财政支持
