连续渗滤液灌溉作为一种氨源，可促进填埋场生物覆盖土壤中甲烷的氧化作用

《Journal of Environmental Management》：Continuous leachate irrigation as an ammonia source enhancing methane oxidation in landfill biocover soils

甲烷氧化活性受氮源补充模式影响显著，连续渗滤液灌溉较批次氨水处理更能持续提升覆盖层土壤的甲烷氧化效率，通过促进I、II型甲烷氧化菌增殖及氮代谢活性。

　　

罗何|周瑞|钱雷|徐立坤|童雪|张欣

浙江工商大学环境科学与工程学院，杭州，310012，中国

摘要

氮素添加有助于恢复垃圾填埋场覆盖土壤中甲烷（CH₄）氧化活性，这些土壤在达到峰值后会出现下降趋势。本文评估了利用富含氨的渗滤液来恢复CH₄氧化活性的可行性，并比较了批量添加和连续添加氨这两种方法在垃圾填埋场生物覆盖土壤中的效果。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，连续添加渗滤液的CH₄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生物覆盖土壤中。与批量处理相比，连续添加氨和渗滤液更有利于微生物生长。I型甲烷氧化菌（MOB），包括Methylocaldum、Methylomicrobium和Methylobacter，以及II型MOB Methylosinus是垃圾填埋场生物覆盖土壤中的主要甲烷氧化菌。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MOB的总丰度范围为9.06 × 10⁷至1.26 × 10⁸个/g^?1，比批量处理组高10.0-29.2倍，这表明在低生物可利用氮条件下，MOB的N₂固定活性有可能得到增强。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）显示，连续添加氨和渗滤液主要通过增加垃圾填埋场生物覆盖土壤中的微生物和MOB数量来增强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，用于运行覆盖系统以减少垃圾填埋场的CH₄排放。

引言

填埋是发展中国家处理城市固体废物的常见方法，但渗滤液和垃圾填埋气的不当处理可能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的全球变暖潜力约为CO₂的28倍（Mao等人，2022年）。垃圾填埋场是大气中CH₄的主要来源，估计年排放量为60-69 Tg，占全球人为排放量的约12%（Saunois等人，2020年）。虽然在大规模填埋场中可以收集垃圾填埋气进行资源利用，但由于气体生成速率不稳定，在小型填埋场中实施这一方法并不实际（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）发现，添加生物炭的垃圾填埋场覆盖土壤在低浓度（低于10,000 ppm）下，CH₄氧化能力可提高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CH₄减排方法，尤其是在经济上不可行进行垃圾填埋气回收的小型填埋场中（Bogner等人，2007年）。

氮是影响CH₄氧化活性的关键调节因素。在氮缺乏条件下，适当的氮素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、土壤阳离子交换容量和MOB类型（Zhang等人，2014年；Li等人，2025年）。最近，Tong等人（2025年）发现，在CH₄氧化活性降至低稳定水平后，适当添加氨和硝酸盐可以恢复其活性。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沉积物渗透，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、多孔结构良好和表面积较大，如堆肥和废物生物覆盖土壤等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氧化活性通常表现出一个峰值，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中的CH₄氧化活性及其机制是主要的研究焦点。最近，Tong等人（2025年）揭示了一种新的机制：包括外源氨和硝酸盐添加在内的氮素补充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来恢复垃圾填埋场生物覆盖土壤中CH₄氧化活性的可行性，特别是在其活性降至低水平之后。本研究使用了从挖掘出的旧垃圾填埋场废物中获得的细废物（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）。评估了渗滤液的添加方式，包括批量添加和连续添加。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，以及微生物丰度和群落结构。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

从挖掘出的已有8年以上的旧垃圾填埋场中收集了细废物。经过风干并用4毫米筛子筛选后，这些细废物（也称为腐殖质土壤）被用作实验生物覆盖土壤。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

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，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）。在第二和第三阶段，CK组中的CH₄氧化速率从第41天的6.1 μg g^?1 h^?1逐渐上升到

结论

本研究表明，渗滤液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，该速率会降至较低水平。与氨添加相比，连续添加渗滤液在解决生物可利用氮缺乏和刺激垃圾填埋场覆盖土壤中的CH₄氧化方面更为有效

作者贡献声明

罗何：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、概念化。周瑞：撰写 – 原始草稿、方法学、调查、正式分析、数据管理。钱雷：方法学、调查、正式分析、数据管理。徐立坤：正式分析、数据管理。童雪：正式分析、数据管理。张欣：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财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

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。