《Environmental Technology & Innovation》：Effects of biochar addition and semi-permeable membrane covering on aerobic composting: Insights into carbon–nitrogen transformations and bacterial community and function succession
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为解决传统好氧堆肥存在效率低、温室气体（如CH4、N2O）和NH3排放高、氮损失大等问题，研究人员系统比较了生物炭添加堆肥（BAAC）、半透膜覆盖堆肥（MCAC）与常规堆肥的碳氮转化、微生物群落及代谢功能变化。研究表明，两种技术均可改善堆体有氧环境，显著减少N2O排放和氮损失，提升堆肥产品腐殖化与卫生化水平。该研究为优化农业有机固废资源化利用、实现高效低碳堆肥提供了重要理论依据和技术支撑。
在中国，农业有机固体废弃物（如秸秆、畜禽粪便）的无害化与减量化处理广泛依赖于好氧堆肥技术。然而，传统的堆肥过程常常面临效率低下、排放问题突出等挑战。大量甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）和氧化亚氮（N2O）等气体的释放，不仅导致碳、氮元素的大量损失，降低了最终堆肥产品的品质，也给环境带来了不容忽视的负面影响。因此，开发能够兼顾经济可行性、资源回收效率和环境友好排放的新型好氧堆肥技术，已成为突破我国农业有机固废资源化利用瓶颈的迫切需求。在影响堆肥过程的诸多因素中，堆体的有氧条件是关键指标。优化堆体的渗透性和氧气供应，被证明是抑制温室气体与异味排放、提升堆肥质量的有效途径。近年来，生物炭添加与半透膜覆盖作为两项能够显著改善堆肥有氧微环境的技术，吸引了广泛的研究兴趣。生物炭凭借其高比表面积和稳定的多孔结构，能够增加堆体孔隙度，而半透膜覆盖则通过创造稳定的微正压有氧环境，促进氧气在堆料内部的溶解与扩散。尽管这两种技术均被证实能改善堆肥性能，但现有研究多聚焦于单一技术，缺乏从碳氮转化、气体排放、微生物机制到经济可行性等多维度的系统比较。尤其是，它们如何通过改变微观环境来驱动细菌群落结构演替和代谢功能变化，进而解释截然不同的物质转化与排放行为，其内在机制尚不清晰。为了填补这些知识空白，并为实践应用提供科学依据，一项深入研究应运而生。此项题为“Effects of biochar addition and semi-permeable membrane covering on aerobic composting: Insights into carbon–nitrogen transformations and bacterial community and function succession”的研究论文，发表于《Environmental Technology》期刊，为我们揭示了生物炭与半透膜如何“双管齐下”，重塑堆肥世界的微观生态。
研究人员主要采用了实验室规模的好氧堆肥反应器系统进行对比实验。他们设置了对照组（CK，常规堆肥）、生物炭添加组（BC，添加10%干重生物炭）和半透膜覆盖组（MC）三个处理。整个实验持续24天，采用间歇曝气策略以优化氧供应。研究过程中，系统监测了堆体的物理化学性质（如温度、pH值、游离空气空间FAS、碳氮含量等）、多种气体（CO2、CH4、N2O、NH3）的排放速率与累计排放量。为了揭示微生物层面的机制，研究团队运用了高通量测序技术分析细菌群落的组成与演替，并通过PICRUSt2软件对群落的代谢功能潜力进行了预测。此外，还通过生态网络分析和Mantel检验等方法，深入探究了细菌群落间相互作用及其与环境因子、气体排放之间的关联。
3.1. 物理化学结果分析
研究发现，半透膜覆盖维持了50–1000 Pa的微正压环境。与对照组相比，生物炭添加和半透膜覆盖均提高了微生物的氧气利用效率，使堆体温度更高，其中MC组因膜的保温作用，升温效应更为明显。生物炭的骨架支撑作用显著增加了堆体的游离空气空间。两种处理均促进了约2%的有机物降解。所有处理的pH值在堆肥初期因含氮有机物分解释放NH3/NH4+而迅速上升，后期趋于稳定；电导率则在初期因显著的NH3挥发而快速下降。
3.2. 主要碳氮形态的转化模式
堆肥过程中，所有处理的总碳含量下降，总氮含量上升，反映出微生物消耗了更多比例的碳。最终，BC和MC组的总碳损失（分别为52%和49%）高于CK组（44%），而总氮损失（分别为13%和15%）显著低于CK组（27%），表明两种技术能更有效地保留氮素。NH4+浓度在高温期迅速上升后下降，而NO2?和NO3?主要在降温和腐熟阶段积累。BC和MC组由于改善了有氧条件，促进了硝化细菌的恢复，其NO2?和NO3?积累的时机和速率均高于CK组，其中BC组因生物炭为硝化细菌提供了有利生境，积累量最高。
在气体排放方面，CO2排放主要集中在堆肥早期，BC和MC组因其更高的有机物降解速率，出现了更早、更高的CO2排放峰。MC组因半透膜的阻隔作用，累计CO2排放比CK组降低了2%，而BC组则增加了9%。CH4排放出现在高温期和腐熟期，BAAC和MCAC通过增加堆料颗粒的有氧层厚度，有助于抑制CH4产生，最终BC和MC组分别将累计CH4排放降低了29%和6%。N2O排放主要集中于降温阶段，此时较低的堆温和累积的NO3?、NO2?重新激活了硝化与反硝化作用。BAAC和MCAC分别将累计N2O排放降低了16%和68%，其中MC组的减排效果尤为显著。NH3排放则集中于高温期，高温和高pH值共同促进了NH3挥发。BC组因生物炭对NH3/NH4+的吸附作用，NH3排放最低，比CK组降低了21%；而MC组因维持了最高的堆温和最长的高温期，反而使累计NH3排放增加了15%。
3.3. 细菌群落演替及其与气体排放的相关性分析
细菌群落α多样性分析显示，BC和MC组的丰富度和多样性略有下降，这可能是微环境变化施加选择压力、富集了功能适应性细菌的结果。主坐标分析表明，BC和MC组诱导了相似的细菌群落演替模式，很可能都是通过改善堆料颗粒内部的微观有氧条件实现的。在属水平上，两种处理均提高了纤维素降解菌（如Halocella、unclassified_f__Bacillaceae）和嗜热菌（如Thermobacillus、Hydrogenispora、Thermobifida）的相对丰度，促进了难降解有机物的分解。更重要的是，BC和MC组显著提高了甲烷氧化菌norank_f__Methylococcaceae的丰度（是CK组的2-30倍），促进了CH4的氧化。同时，潜在氨氧化菌Longispora和硝化菌norank_f__Limnochordaceae在改善的有氧条件下被富集，这与BC和MC组更高的NO3?和NO2?浓度相符。相反，一些反硝化细菌（如Corynebacterium、norank_f__MWH-CFBk5）在CK组冷却期后的丰度更高，表明其厌氧生态位更明显，具有更高的N2O排放潜力。值得注意的是，携带一氧化二氮还原酶基因nosZ的norank_c__Gemmatimonadetes在MC组冷却和腐熟期的丰度是CK组的2-8倍，这有助于MCAC实现最显著的N2O减排。Spearman相关性分析进一步揭示了特定细菌属与气体排放速率之间的显著关联。
3.4. 细菌群落的生态网络分析
构建的生态网络显示，与CK组相比，BC和MC组的边数减少，表明BAAC和MCAC降低了微生物生态网络的复杂性。同时，网络中的负相互作用（竞争或捕食）在BC和MC组分别减少了73%和42%，这可能是因为两种处理促进了有机物降解，为细菌提供了更多养分，减少了竞争。BC组具有更多的节点、边和更高的模块性，表明生物炭通过提供丰富的微生境和吸附养分，增强了细菌群落间潜在的相互作用及网络的功能稳定性。而MC组则表现出更高的平均聚类系数，促进了更紧密的局部微生物互作。网络分析还发现，与含碳气体排放相关的细菌属之间存在显著的正相关，反映了它们在碳代谢中的协同作用。在BC组中，氨氧化菌、硝化菌与其他类群之间的协同相互作用得到加强。与N2O排放相关的细菌属之间也存在显著正相关，并与反硝化菌协同作用。总体来看，BAAC和MCAC增强了碳降解菌与氮转化菌之间的正相关关系，表明功能微生物群之间的协同相互作用得到了加强。
3.5. 关键代谢功能模块的演变及其与理化指标和气体的相关性分析
对甲烷和氮代谢相关功能模块的预测显示，BC和MC组的甲烷生成潜力低于CK组，其中BC组最低，这与其实验中最大的CH4减排相对应。在高温期，BAAC下调了氨生成相关模块，而MCAC上调了它们，这分别解释了BC组NH3排放减少和MC组增加的现象。同时，BC和MC组的氨氧化与硝化模块丰度高于CK组，而MCAC在降温期对反硝化模块的下调最为显著，导致了最大的N2O原位减排。Mantel检验表明，氧气浓度和温度对所有气体排放速率均有显著影响，而微生物代谢功能模块与气体排放速率之间未发现显著相关性，提示气体排放还受温度、氧气可用性及传质过程等理化条件的综合影响。
3.6. 综合评估与未来研究建议
综合评估表明，BAAC和MCAC将总氮损失降低了44%–50%，将发芽指数（GI）和腐殖质（HSs）含量分别提高了8%–10%和3%–4%，表明堆肥产品的安全性和腐殖化程度得到提升。在温室气体潜能（GWP）方面，两种处理将总GWP降低了16%–67%。其中，N2O对总GWP的贡献最大（92%–98%）。成本分析显示，本研究中添加生物炭（BC组）的成本约为25美元/吨，而使用半透膜覆盖（MC组，假设重复使用10次）的成本约为6.5美元/吨，后者具有显著的经济优势。
本研究系统阐明了生物炭添加（BAAC）与半透膜覆盖（MCAC）两种技术对好氧堆肥过程中碳氮转化、气体排放及微生物机制的差异化影响。核心结论如下：两种技术均能有效改善堆肥有氧微环境，上调有机物降解菌的丰度，促进有机物分解；同时上调甲烷氧化菌norank_f__Methylococcaceae的丰度，下调产甲烷和反硝化功能模块及相应细菌的丰度，从而分别实现CH4减排6%–29%、N2O减排16%–68%。BAAC在控制NH3排放方面效果更佳（减排21%），而MCAC在减少N2O排放方面表现突出（减排68%）且实施成本更低。两种技术通过重塑细菌群落结构与互作网络，降低了微生物生态网络的复杂性，增强了功能菌群间的协同作用，最终在减少氮损失、提升堆肥产品品质（卫生化与腐殖化）和降低全球变暖潜能方面取得了显著成效。这项研究的重要意义在于，它不仅从微生物生态和功能基因层面揭示了BAAC和MCAC调控堆肥过程的内在机制，而且通过全面的技术经济比较，为不同目标导向（如侧重减排某种气体或控制成本）的堆肥实践提供了清晰的选择依据。论文最后指出，未来研究应探索将两种技术结合的优化策略，以期在提升堆肥效率的同时，进一步最小化其对环境的影响，这为农业有机固体废弃物资源化处理技术的创新发展指明了方向。
