在青藏高原上，研究功能性膜覆盖条件下羊粪堆肥过程中重金属和磷的转化机制及其生物可利用性

《Biomass and Bioenergy》：Investigation into the transformation mechanisms of heavy metals and phosphorus and their bioavailability during sheep manure composting under functional membrane coverage on Qinghai-Tibet Plateau

功能性膜覆盖堆肥技术提升青藏高原羊粪堆肥效率及重金属磷转化机制研究。该技术通过调节氧环境与微生物活性，使堆肥温度峰值提高10.7℃，腐殖酸含量增加17.9%，且显著降低Pb、Cr等重金属的活性态比例，同时提升磷生物有效性达19.2%。研究揭示了温度、有机质、腐殖酸及微生物群落结构对重金属-磷复合转化的调控作用，证实膜技术通过有机磷矿化、无机磷活化及多聚磷酸降解等微生物代谢途径实现环境风险防控与资源化协同。

　　

蔡瑞|李荣荣

中国湖北省长江流域多媒体污染协同控制重点实验室，华中科技大学环境科学与工程学院，珞喻路1037号，武汉，湖北，430074

摘要

功能性膜覆盖堆肥（FMC）技术的应用可以提高堆肥的腐殖化效率。然而，这项技术在青藏高原（QTP）的应用仍需进一步改进。此外，关于该技术下堆肥过程中重金属和磷转化机制的研究仍然非常有限。本研究探讨了FMC对青藏高原羊粪堆肥中重金属和磷的转化及其生物可利用性的影响，以及其背后的机制。结果表明，FMC使堆肥温度升高了10.7°C，同时增加了腐殖酸含量17.9%和发芽指数13.8%。FMC使羊粪堆肥中残留的Pb、Mn、Zn和Cr的比例分别增加了23.6%、11.1%、9.2%和8.0%，并提高了活性磷浓度19.2%。通过植物培养实验发现，FMC抑制了玉米幼苗对Pb、Cr、Zn和As的吸收，同时促进了磷浓度的增加。重金属和磷的形态受到有机物含量、温度、腐殖质和堆肥成熟度的显著影响。FMC可以通过调节这些环境因素来影响重金属和磷的生物可利用性。此外，FMC通过促进有机磷矿化、无机磷溶解和多磷酸盐降解等微生物过程来提高磷的生物可利用性。这些研究结果为青藏高原羊粪的无害处理和资源化利用提供了科学依据。

引言

青藏高原是中国主要的牧区之一，每年养羊数量超过2300万头[1]。在集约化的圈养系统中，这些牲畜会产生大量的粪便。合理管理和回收羊粪对青藏高原的可持续发展具有重要的实际价值。堆肥是将羊粪转化为宝贵资源的有效方法。然而，青藏高原具有独特的气候条件，如高海拔、低温和缺氧环境，这些条件严重阻碍了堆肥的腐殖化过程[1,2]。特别是缺氧环境抑制了堆肥基质中有氧微生物的代谢活动，导致温度上升缓慢和有机物分解效率降低[3]。因此，提高羊粪堆肥过程中的氧气利用效率并增强该地区微生物群落的代谢潜力具有重要的实际意义。

近年来，功能性膜覆盖的好氧堆肥技术受到了越来越多的关注[4]。功能性膜在堆肥反应器中形成屏障效应，产生“微正压”环境[5]，通过增加氧气与有机底物之间的接触面积和停留时间来改善氧气分布，从而促进微生物代谢产热[6]。这项技术已被广泛证明可以有效加速各种有机废物（包括动物粪便[5,7]和污泥[8,9]）的堆肥过程中的温度升高和成熟过程。例如，Fang等人[5]发现该技术可以促进牛粪堆肥的温度升高，最高温度超过80°C。Li等人[6]报告称，该技术使污泥堆肥过程中的有机物降解速率提高了12.1%，堆肥峰值温度提高了3.4°C，发芽指数提高了8.05%。该技术在提高氧气利用效率和促进堆肥成熟方面的优越性能，表明其在青藏高原羊粪堆肥中的应用具有巨大潜力。

值得注意的是，由于多种因素，畜禽粪便中含有不同浓度的重金属，这可能对这些堆肥产品的土地施用安全构成潜在风险[10]。然而，畜禽粪便也富含磷等必需营养素，使其堆肥形式成为有价值的有机肥料来源。堆肥过程有助于将重金属从可生物利用的形式转化为难以吸收的形式，从而增强这些潜在有毒元素的固定[11,12]。Wang等人[11]报告称，堆肥后猪粪中Cu和Zn的可交换部分分别减少了13.9%-23.7%和18.4%-38.3%。此外，堆肥过程改变了堆肥中磷的化学形态，可能会影响堆肥产品的磷生物可利用性[[13], [14], [15]]。Cai等人[16]报告称，堆肥后羊粪中的生物可利用磷浓度显著增加（超过16%）。阐明堆肥过程中重金属和磷形态的转化动态及其生物可利用性对于优化堆肥工艺和提高堆肥产品的安全性和农艺价值至关重要。功能性膜好氧堆肥技术已被证明可以有效调节堆肥的物理化学性质和微生物群落结构[17]。这些受调节的参数反过来又影响重金属和磷的形态和生物可利用性：例如，有机物组成的变化和腐殖化程度的变化会改变金属-磷酸盐的络合和吸附行为，而功能性微生物种群的变化会影响这些元素的氧化还原转化和酶促迁移/释放[18,19]。因此，功能性膜的应用可能显著调节羊粪堆肥过程中重金属和磷的形态和生物可利用性。然而，现有研究主要集中在通过添加有机或无机改良剂[10,15,18,20]和功能性微生物[21,22]来改善重金属固定和磷转化。关于膜好氧堆肥技术对重金属和磷转化的影响及其背后的机制，目前了解还不够充分。因此，系统性的研究对于阐明功能性膜在羊粪堆肥过程中调节重金属和磷形态转化的机制至关重要。

本研究探讨了功能性膜覆盖对青藏高原羊粪堆肥过程中重金属和磷转化动态的影响，旨在确定影响这些过程的关键环境因素。此外，还采用了宏基因组方法分析与磷转化相关的功能基因和微生物群落，并阐明了重金属与微生物之间的相互作用。这些发现将为青藏高原羊粪的无害处理和资源化利用提供科学支持。

实验材料与设计

主要原料为羊粪， rapeseed straw作为堆肥调理剂（见补充材料图S1）；其来源和物理化学性质的详细信息见补充材料表S1。

将风干的羊粪和压碎的rapeseed straw按3:1的比例混合，并将混合物的含水量调整至50%。将50公斤的混合物放入60升的堆肥容器中进行堆肥实验

物理化学指标和成熟度

两组在初始阶段的温度都迅速上升（图1A）。具体来说，FMC组在24小时内温度超过了60°C，而CK组在同一时期达到了50.4°C。在接下来的两周里，FMC组和CK组的温度都保持在50°C以上，FMC组从第二天到第五天的温度超过了70°C。两组的最高温度分别出现在第四天，FMC组为75.7°C，CK组为64.9°C。

结论

功能性膜的应用可以显著提高青藏高原羊粪堆肥的效率和产品质量。与传统堆肥方法相比，功能性膜系统使峰值温度升高了10.7°C，提高了腐殖酸含量和发芽指数17.9%和13.8%。更重要的是，功能性膜系统通过促进重金属的钝化降低了环境风险。

CRediT作者贡献声明

蔡瑞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，软件使用，资源获取，数据分析，数据管理。李荣荣：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，项目协调，数据分析。

致谢

本工作得到了中国湖北省自然科学基金（编号2025AFB134）、国家自然科学基金（编号52500159）以及渭南师范学院青年人才项目（编号2024XJ-QNRC-O5）的支持。