《Environmental Technology & Innovation》：Biochar mitigates N
2O and NH
3 emissions in sheep manure composting by regulating microbial genes associated with nitrogen cycle
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为解决畜牧业粪便处理不当导致的NH3（氨气）和N2O（氧化亚氮）排放问题，研究人员探讨了添加稻壳生物炭（RHB）和木屑生物炭（SDB）对羊粪堆肥过程的影响。研究发现，两种生物炭均可显著降低NH3（RHB 42.0%， SDB 61.3%）和N2O（RHB 17.5%， SDB 41.7%）的累积排放量。宏基因组分析表明，生物炭通过调控氮循环相关基因（如抑制反硝化基因narG/Z/nxrA、nirK和norB/C，促进nosZ，抑制矿化基因GLUD1_2/gdhA等），并改变微生物群落互作，提升了堆肥总有机碳（TOC）和C/N，从而有效减少了温室气体和污染气体排放。本研究为开发高效堆肥添加剂、实现农业废弃物绿色处理提供了重要理论依据。
论文解读：生物炭如何“指挥”微生物，为羊粪堆肥按下减排键？
随着生活水平的提升，人们对肉制品的需求日益增长，这推动了畜牧业的快速发展，但同时也带来了一个棘手的副产品——海量的畜禽粪便。在中国，每年产生的粪便量高达42亿吨。如果处理不当，这些堆积如山的粪便不仅会污染土壤和水体，还会向大气释放大量有害气体。其中，氨气（NH3）会带来令人不悦的恶臭，而氧化亚氮（N2O）则是一种强效的温室气体，其全球增温潜势是二氧化碳（CO2）的265倍，对气候变化构成严重威胁。
好氧堆肥作为一种经济高效的粪便资源化处理方式，能将废弃物转化为稳定的腐殖质肥料。然而，堆肥过程中的氮损失，特别是以NH3和N2O形式的气体排放，不仅降低了堆肥产品的肥效价值，也加剧了环境污染。因此，寻找一种能够有效减少堆肥过程中气体排放的方法，对于实现农业可持续发展、应对气候变化至关重要。
以往的研究发现，添加生物炭（一种由生物质在缺氧条件下热解产生的富碳材料）能够吸附气体，并影响堆肥中的微生物活动，从而可能减少气体排放。但生物炭的作用仅仅是“物理吸附”这么简单吗？它的原材料（如木质类、草本类）不同，其内部结构和化学性质差异很大，这是否会影响其减排效果？更重要的是，生物炭究竟是如何与堆肥中复杂的微生物“军团”互动，通过调控哪些关键的基因“开关”，来从源头遏制NH3和N2O的产生？这些问题尚未得到清晰的解答。
为此，来自甘肃农业大学的研究团队在《Environmental Technology》上发表了一项研究。他们选择了两种来源不同的生物炭——草本来源的稻壳生物炭（RHB）和木质来源的木屑生物炭（SDB），将它们按10%（重量比）添加到羊粪中进行堆肥实验，并以不添加生物炭的组别作为对照（CK）。研究团队系统监测了堆肥过程中的气体排放、理化性质变化，并运用宏基因组测序技术，深入剖析了微生物群落结构及氮循环相关功能基因的动态变化，旨在揭示生物炭调控气体排放的微观分子机制。
关键研究方法概览
研究人员设置了对照组（CK）、添加10% RHB和添加10% SDB三个处理组进行堆肥实验，周期为22天。每日监测堆体核心温度，并在特定时间点（第1、4、7、10、13、16、19、22天）取样。每日使用静态箱法收集N2O和NH3气体，并通过气相色谱和滴定法测定其排放通量。同时，测定样品的pH、电导率（EC）、发芽指数（GI）、总氮（TN）、总有机碳（TOC）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）等理化指标。研究的关键在于利用宏基因组测序技术，对堆肥初期（第1天）、高温期（第4天）和腐熟期（第22天）的样品进行深度分析，以鉴定微生物群落组成和氮循环功能基因（NC genes）的丰度变化。通过冗余分析（RDA）、偏最小二乘路径模型（PLS-PM）和微生物共现网络分析，探究了堆肥性质、气体排放与功能基因之间的复杂关系。
研究结果：生物炭如何多管齐下实现减排？
1. 气体排放与氮素动态
两种生物炭均显著降低了NH3和N2O的累积排放量。与CK组相比，RHB和SDB分别使NH3排放降低了42.0%和61.3%，使N2O排放降低了17.5%和41.7%。其中，木质来源的SDB减排效果更优。同时，生物炭处理提高了堆肥末期有机氮（Org-N）和硝态氮（NO3--N）的含量，表明其有效保留了氮素，减少了损失。
2. 氮循环功能基因的调控
宏基因组分析揭示了生物炭调控气体排放的分子开关。研究发现，生物炭并非主要通过其物理属性（如孔隙率）直接吸附气体来减排，因为这些属性与气体排放量的相关性很弱。其核心机制在于对微生物氮循环基因的精准调控：
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抑制产气基因：在整个堆肥过程中，尤其是高温期和腐熟期，RHB和SDB显著抑制了与反硝化过程（产生N2O的关键步骤）相关的基因，如编码硝酸盐还原酶的narG/Z/nxrA、编码亚硝酸盐还原酶的nirK以及编码一氧化氮还原酶的norB/C。同时，也抑制了与有机氮矿化为铵态氮（NH4+-N，NH3的前体）相关的基因，如编码谷氨酸脱氢酶的GLUD1_2/gdhA、gudB/rocG以及编码尿素酶的E3.5.1.49。
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促进消减基因：在高温期，两种生物炭，尤其是SDB，显著促进了编码氧化亚氮还原酶的nosZ基因的丰度。该基因负责将温室气体N2O还原为无害的氮气（N2），是减少N2O净排放的关键。
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阶段性差异：不同生物炭和不同堆肥阶段对基因的调控存在差异。例如，在高温期，SDB对norB/C和E3.5.1.49的抑制更强；而RHB在初期促进了氮吸收相关基因。
3. 关键微生物群落的变化
基因的变化对应着特定微生物种群的变化。生物炭的添加重塑了与产气过程相关的微生物群落：
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抑制产气菌群：生物炭抑制了携带narG/Z/nxrA等反硝化基因的微生物，如Proteobacteria_Unclassified、Bacillaceae_Unclassified、Corynebacterium和Geminicoccus。同时，也压缩了携带nirK的Luteimonas、Ornithinibacillus等，以及携带norB/C的Luteimonas、Rhodanobacter、Halomonas等菌群。对于产NH3的核心矿化菌，如携带多种矿化基因的Saccharomonospora，生物炭（尤其是SDB）在其丰度上也表现出显著的抑制作用。
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促进消减菌群：生物炭促进了携带nosZ基因、能将N2O还原为N2的微生物，如Pseudomonadaceae_Unclassified、Opitutaceae_Unclassified和Cesiribacter。
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增强群落稳定性：微生物共现网络分析显示，添加生物炭（特别是SDB）后，微生物群落的复杂性和正相关与负相关比值（从CK的1.83提升至RHB的3.00和SDB的3.08）显著增加，表明生物炭增强了微生物间的协同作用，提升了系统稳定性，这有助于抑制如反硝化菌等功能群体的竞争性增长。
4. 理化性质与基因的关联机制
冗余分析和路径模型进一步阐明了生物炭减排的作用路径。研究发现，总有机碳（TOC）和碳氮比（C/N）与N2O和NH3排放量呈显著负相关。生物炭的加入提升了堆肥基质的TOC和C/N。更重要的是，PLS-PM模型证实，TOC对产N2O和产NH3相关基因有显著的负向影响，而这些基因又对气体排放有直接的正向驱动作用。这意味着生物炭通过双重路径减排：一是通过提升TOC间接抑制产气基因的表达；二是直接调控这些产气基因的丰度，从源头上减少气体的产生。
结论与意义：从“吸附”到“调控”的认知飞跃
本研究表明，稻壳生物炭和木屑生物炭添加至羊粪堆肥中，均能有效减少NH3和N2O排放，并提升堆肥产品的氮素保留。其减排机制远不止于简单的物理吸附，核心在于通过对微生物群落及其功能基因网络的深度调控。
具体而言，生物炭通过抑制反硝化途径中的关键基因（narG/Z/nxrA、nirK、norB/C）和氮矿化途径的关键基因（GLUD1_2/gdhA、E3.5.1.49、gudB/rocG），同时促进将N2O还原为N2的关键基因nosZ，从分子层面“关闭”产气通道，“打开”消减通道。木质来源的SDB因具有更高的总有机碳含量，在抑制产气基因和核心产气菌群方面表现更优，因此减排效果也更显著。
这项研究的重要意义在于，它将生物炭在堆肥中的作用机制从传统的“物理吸附”认知，深化到了“微生物群落与功能基因调控”的分子生态学层面。研究明确指出，生物炭自身的总有机碳（TOC）含量可作为筛选高效减排添加剂的一个重要指标。这为未来设计和筛选针对性的堆肥添加剂提供了关键的理论依据和明确的路径——即通过调控堆肥微生态中的关键微生物功能，来实现温室气体和污染气体的协同减排，对于推动畜牧业废弃物的绿色、低碳、资源化处理具有重要的科学价值和实践指导意义。
