利用红外光谱技术和可解释的机器学习框架对生物柴油的质量特性进行表征，以用于生物喷气燃料的生产

《Journal of Environmental Management》：Bio-diesel quality characterization towards bio-jet fuel production using infrared spectroscopy and an interpretable machine learning framework

利用生活污水作为氨源补充可有效恢复垃圾填埋场覆盖层土壤的甲烷氧化活性，连续施用效果优于批次施用，且能显著提升甲烷氧化微生物丰度及群落多样性。

　　

罗赫 | 周睿 | 钱磊 | 徐立坤 | 孟彤 | 张鑫

浙江工商大学环境科学与工程学院，杭州，310012，中国

摘要

氮肥的添加有助于恢复垃圾填埋场覆盖土壤中甲烷（CH₄）的氧化活性，这些土壤在达到峰值后会出现活性下降的现象。本文评估了利用富含氨的渗滤液作为液体来恢复CH₄氧化活性的可行性，并将其与批量和连续施用氨的方法进行了比较。尽管批量添加氨和渗滤液（浓度均为400 mg kg^?1 NH₄⁺-N）同样能够提高初始的CH₄氧化速率，但在培养结束时，连续添加渗滤液所实现的CH₄累计消耗量是其他方法的1.17-2.61倍。添加的氨可以迅速转化为有机氮并沉积在垃圾填埋场覆盖土壤中。与批量处理相比，连续添加氨和渗滤液更有利于微生物的生长。垃圾填埋场覆盖土壤中的主要甲烷氧化菌包括Methylocaldum、Methylomicrobium和Methylobacter（I型甲烷氧化菌），以及Methylosinus（II型甲烷氧化菌）。在培养结束时，对照组及连续添加氨或渗滤液的处理组中，II型甲烷氧化菌的总量范围为9.06 × 10⁷至1.26 × 10⁸个/g，比批量处理组高出10.0-29.2倍，这表明在氮素供应不足的条件下，甲烷氧化菌的固氮活性有可能得到增强。偏最小二乘路径模型（Partial Least Squares Path Modeling）表明，连续添加氨和渗滤液主要通过增加垃圾填埋场覆盖土壤中的微生物和甲烷氧化菌的数量来提升CH₄氧化活性。这些发现表明，连续的小规模渗滤液灌溉可以作为氨的来源，用于操作覆盖系统以减少垃圾填埋场的CH₄排放。

引言

在发展中国家，垃圾填埋是处理城市固体废物的常见方法，然而渗滤液和垃圾填埋气的不当处理可能会导致污染和健康问题。垃圾填埋气主要由甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂组成，这两种气体都是温室气体，其中CH₄的全球变暖潜力大约是CO₂的28倍（Mao等人，2022年）。垃圾填埋是大气中CH₄的主要来源，估计每年排放量为60-69 Tg，占全球人为排放量的约12%（Saunois等人，2020年）。虽然大规模垃圾填埋场可以收集垃圾填埋气进行资源化利用，但由于气体生成率不稳定，其在小型垃圾填埋场的应用并不实际（Merouani等人，2024年）。因此，有效管理垃圾填埋气是垃圾填埋场运营的关键方面。

垃圾填埋场覆盖土壤是垃圾填埋气与大气之间的环境界面，在减少垃圾填埋场的CH₄排放方面起着重要作用（Sadasivam和Reddy，2014年；Chen等人，2023年）。Dhulia等人（2025年）的研究表明，添加生物炭的垃圾填埋场覆盖土壤在甲烷浓度低于10,000 ppm时，其CH₄氧化能力可以提高15-20%。Berger等人（2005年）发现，在模拟的垃圾填埋场覆盖层中，57-98%的CH₄可以被氧化，其中多孔粗砂土的氧化效率最高。覆盖土壤层作为“生物过滤器”，可以氧化垃圾填埋气中的CH₄，其氧化活性受到覆盖材料特性、胞外聚合物基质（EPS）、碳基材料、CH₄和O₂浓度、温度、含水量、pH值等因素的影响（Scheutz等人，2009年；Chen等人，2023年）。在特定条件下，垃圾填埋场覆盖土壤还可以氧化大气中的CH₄（Bogner等人，1995年）。垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化被认为是一种低成本的方法，可用于减少CH₄排放，尤其是在经济上不可行回收垃圾填埋气的小型垃圾填埋场中（Bogner等人，2007年）。

氮是影响CH₄氧化活性的关键调节因素。在氮缺乏的条件下，适当的氮补充可以促进甲烷氧化菌（MOB）的生长和/或其与CH₄氧化相关的生物合成途径，从而增强土壤中的CH₄氧化（Reay和Nedwell，2004年）。氨是微生物生长的重要氮源。适当添加氨可以促进MOB的生长并增加垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化（Zhang等人，2014年）。然而，过量添加氨可能会降低土壤中的CH₄氧化，这主要是由于氨对甲烷单加氧酶的竞争性抑制（Dong等人，2021年）以及有毒代谢物（如羟胺和亚硝酸盐）的积累（He等人，2017年）。氨添加对CH₄氧化的影响受多种环境因素的影响，包括氨浓度、CH₄浓度、含水量、土壤阳离子交换能力和MOB类型（Zhang等人，2014年；Li等人，2025年）。最近，Tong等人（2025年）发现，适当添加氨和硝酸盐可以在CH₄氧化活性降至低水平后将其恢复。这表明氮，尤其是无机氮，在维持垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化方面非常重要。

垃圾填埋场渗滤液是一种受污染的液体废物，它通过垃圾填埋场中的废弃物渗透出来，其特征是含有高浓度的有机物和氨（Gu等人，2019年）。渗滤液灌溉已被广泛研究用于通过物理、化学和生物作用在垃圾填埋场覆盖土壤和填埋废弃物中去除污染物（Mohammadi等人，2017年；Zhang等人，2023b）。尽管渗滤液灌溉可以增加垃圾填埋场覆盖土壤中的氮含量，但高浓度的氨和重金属等污染物可能会通过底物竞争和毒性抑制CH₄氧化（Mohammadi等人，2017年；Dong等人，2021年）。目前，关于氨和渗滤液灌溉对CH₄氧化的影响主要集中在促进或抑制垃圾填埋场覆盖土壤中CH₄氧化的浓度阈值上（Lü等人，2012年；Zhang等人，2014年）。然而，关于氨添加方式（如批量添加和连续输入）对垃圾填埋场覆盖土壤中CH₄氧化和微生物群落的影响仍不清楚。

在过去十年中，由于微生物群落丰富、多孔结构良好以及表面积较大，生物覆盖土壤（如堆肥和废物生物覆盖土壤）显示出比传统垃圾填埋场覆盖土壤更高的CH₄氧化活性（Majdinasab和Yuan，2017年；Duan等人，2022年）。在实验室土壤柱和生物过滤器中，垃圾填埋场覆盖层中的CH₄氧化活性通常先达到峰值，随后下降到稳定的较低水平（Scheutz等人，2009年）。如何恢复垃圾填埋场覆盖层后的CH₄氧化活性及其机制是一个主要的研究焦点。最近，Tong等人（2025年）揭示了一种新的机制：氮肥的添加，包括外源氨和硝酸盐的添加，可以有效恢复垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化活性。因此，本研究旨在探索利用富含氨的渗滤液作为液体来恢复垃圾填埋场生物覆盖土壤中CH₄氧化活性的可行性，尤其是在其活性降至低水平后。本研究使用从旧垃圾填埋场挖掘出的细废物（即废物腐殖质土壤）作为典型的生物覆盖土壤，这种土壤已被证明具有比传统垃圾填埋场覆盖土壤更高的CH₄氧化活性（He等人，2020年）。本文估算了渗滤液的添加方式，包括批量和连续施用。在培养过程中，确定了垃圾填埋场覆盖土壤中CH₄氧化活性和物理化学变量的变化，以及微生物的数量和群落结构。应用共现网络分析（RDA）和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）方法来研究氨添加方式（即连续添加与批量添加）和氨来源（即化学氨NH₄Cl与垃圾填埋场渗滤液）对CH₄氧化活性、微生物组成和环境变量的影响。所得结果可以为在覆盖系统中操作渗滤液灌溉以减少垃圾填埋场CH₄排放提供理论基础。

实验材料

从一处已有8年以上的旧垃圾填埋场挖掘出的细废物经过风干并用4毫米筛子筛选后，作为实验用的生物覆盖土壤。垃圾填埋场覆盖土壤的理化特性如下：pH值7.31 ± 0.14；有机物含量5.06 ± 0.15%；总氮（TN）含量2867.2 ± 160.6 mg kg^?1；NO₃^?-N含量148.1 ± 5.5 mg kg^?1；NO₂^?-N含量0.39 ± 0.02 mg kg^{?1₄+-N含量}

氮添加方式对垃圾填埋场覆盖土壤中CH₄氧化的影响

在暴露于CH₄后，垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化速率从第4天开始显著增加，并在第6天达到289.4 μg g^?1 h^?1的峰值，然后逐渐下降到6.1 μg g^?1 h^?1（图1a）。这种CH₄氧化速率的变化与之前的现场或实验室研究结果相似（Scheutz等人，2009年）。在第II和III阶段，CK组中的CH₄氧化速率从第41天的6.1 μg g^?1 h^?1逐渐上升至

结论

本研究表明，渗滤液的添加对垃圾填埋场覆盖土壤中CH₄氧化的刺激效果与氨补充剂相当。尽管批量添加氨可以迅速提高垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化速率，但随着氨的转化，其氧化速率会降至较低水平。与氨添加相比，连续供应渗滤液在解决生物可利用氮缺乏和刺激CH₄氧化方面更为有效

作者贡献声明

罗赫：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、概念化。周睿：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析、数据管理。钱磊：方法学、调查、正式分析、数据管理。徐立坤：正式分析、数据管理。孟彤：正式分析、数据管理。张鑫：撰写——审稿与编辑、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（项目编号：LZ20E080002）和国家自然科学基金（项目编号：91851109）的财政支持。