磷石膏协同畜禽粪便堆肥过程中磷的活化特性与关键解磷细菌鉴定

《Agriculture》：Characteristics of Phosphorus Activation and Identification of Phosphorus-Solubilizing Bacteria During Composting of Livestock and Poultry Manure with Phosphogypsum Yabin Zhan, Yuquan Wei, Min Xu, Jingang Xu and Yunfeng Chen

本文通过研究磷石膏(PG)对猪粪与鸡粪堆肥过程的影响，揭示了PG在促进堆肥产物磷活化、调控细菌群落与功能基因表达方面的双重作用。研究表明，虽然PG会延缓堆肥升温与腐熟进程，但最终产物仍能达到腐熟标准(GI>70%)。其关键在于PG通过影响特定解磷细菌(PSB)的丰度与功能基因(如ppx-gppA、phoR、phnE、phoP)，显著提升了堆肥中可提取磷(如NaHCO3-P)的含量，为磷石膏与畜禽粪便的资源化利用提供了微生物学依据。

　　

磷石膏协同畜禽粪便堆肥过程中磷的活化特性与关键解磷细菌的鉴定

1. 引言

磷石膏(PG)是磷肥与磷化学品生产过程中产生的大宗固体废弃物。据统计，每生产1吨磷肥约产生4.5-5.0吨磷石膏。截至2023年底，我国磷石膏堆存量已超过7亿吨，且资源化利用率不足50%，大量堆存不仅占用土地，还存在污染水体的风险。虽然磷石膏可直接农用，但其有效磷含量低，效果有限。因此，如何高效活化磷石膏中难溶性磷，成为当前研究的关键。

在堆肥过程中，丰富的微生物活动可驱动有机质分解并产生有机酸，这为促进难溶磷的溶解与转化提供了可能。已有研究表明，在堆肥原料中添加磷矿粉和磷石膏可显著提升堆肥产物的有效磷(AP)含量。然而，磷石膏的添加是否会影响堆肥过程的成熟，其促进磷活化的微生物学机制是什么，尤其在猪粪与鸡粪等不同畜禽粪便中是否存在差异，尚不清楚。

本研究假设，添加磷石膏可能影响畜禽粪便堆肥的腐熟过程，并通过改变细菌群落结构，最终影响堆肥过程中磷的活化。基于此，本研究构建了磷石膏与畜禽粪便（猪粪或鸡粪）的联合堆肥体系，通过分析堆肥过程中磷的有效性（如Olsen-P、磷形态分布）及细菌多样性演替规律，旨在探究：（1）磷石膏的添加是否抑制堆肥腐熟；（2）磷石膏的添加是否能促进堆肥中有效磷含量的增加；（3）在猪粪或鸡粪与磷石膏共堆肥中，哪些细菌影响了磷的活化？本研究旨在阐明堆肥过程中磷活化的细菌调控机制，为畜禽粪便和磷石膏的磷资源循环利用提供途径。

2. 材料与方法

实验材料包括来自山东养殖场的猪粪和鸡粪、来自南京木材厂的木屑（粒径0.1-1 cm）以及来自湖北废弃磷矿的磷石膏。通过添加木屑将猪粪和鸡粪堆肥的初始碳氮比(C/N)均调整为25。共设置四个处理，每个处理3次重复：猪粪堆肥(PM)、猪粪+磷石膏堆肥(PM-P)、鸡粪堆肥(CM)、鸡粪+磷石膏堆肥(CM-P)。其中，PM-P和CM-P处理中磷石膏的添加量为堆体干重的10%。所有处理的初始含水量控制在约60%。堆肥在60 L的反应器中进行，为期60天。定期监测堆体温度，并在特定时间点（第0、3、7、12、18、30、35、40、60天）采样，测定pH、电导率(EC)、发芽指数(GI)、磷含量及其形态分布，并利用16S rRNA基因高通量测序分析细菌群落结构，通过PICRUSt2软件预测磷循环功能基因的丰度。

3. 结果与讨论

3.1. 磷石膏与畜禽粪便共堆肥的腐熟特征

温度、pH、电导率(EC)和发芽指数(GI)是评估堆肥腐熟度的关键指标。研究发现，磷石膏(PG)的添加抑制了堆肥初期的升温过程。在猪粪堆肥中，PM处理在第2天即进入高温期（>50°C），而PM-P处理则在第3天才达到第一个温度峰值（59.3°C），且最高温度显著低于PM处理（66.5°C）。鸡粪堆肥也观察到类似趋势，CM-P处理的升温速度较CM处理更慢。这归因于磷石膏固有的低pH（约2.0）可能抑制了堆肥必需细菌的活性。

PG的添加使整个堆肥过程的pH始终低于未添加的对照处理。堆肥结束时，PM、PM-P、CM、CM-P的pH最终分别为8.11、7.45、8.84、8.54，PG处理使终点pH更接近中性范围（7.0-7.5）。PG处理也导致了更高的初始和最终EC值，但所有处理的最终EC值均低于4.0 mS/cm的安全阈值。在GI方面，PG添加显著抑制了堆肥过程中GI值的上升速度，但经过60天堆肥后，PM-P和CM-P的最终GI值分别为88.97%和97.27%，均达到了腐熟标准（GI > 70%）。综上，磷石膏添加虽延迟了堆肥升温与腐熟进程，但最终产物仍能满足腐熟要求。

3.2. 磷石膏与畜禽粪便共堆肥过程中的磷活化特性

磷石膏的添加直接并间接地调控了堆肥中总磷(TP)的含量与形态。分析表明，PG显著增加了堆肥产物的TP含量，PM-P的TP（25.71 g/kg）高于PM（24.27 g/kg），CM-P（12.03 g/kg）高于CM（10.66 g/kg）。水溶性磷(H₂O-P)在所有处理中保持稳定（约5 mg/kg），表明PG对短期磷溶解度无影响。然而，PG添加虽未增加堆肥初始的Olsen-P含量，却显著提升了堆肥结束时的Olsen-P水平。PM-P和CM-P处理结束时的Olsen-P含量分别达到12.25 g/kg和8.97 g/kg，显著高于对应的PM（9.62 g/kg）和CM（6.85 g/kg）处理，相对增幅分别为27.34%和30.95%。柠檬酸溶性磷(Citrate-P)在PM-P处理中也表现出更高的趋势。这些结果证明，PG添加不仅提高了TP，也促进了有效磷（特别是Olsen-P和柠檬酸溶性磷）的积累。

在磷形态转化方面，传统猪粪堆肥(PM)中，活性磷组分(H₂O-P + NaHCO₃-P)的比例从初始的71.79%下降到结束时的52.90%，表明存在磷的钝化过程。与之相反，PM-P处理表现出不同的动态：NaHCO₃-P在0-12天增加，同时HCl-P减少。堆肥结束时，PM-P保留了比PM更高比例的H₂O-P（27.27% vs. 22.40%）和NaHCO₃-P（36.05% vs. 30.50%），显示出更高的磷生物有效性和更弱的钝化。在鸡粪堆肥中，CM-P处理结束时活性磷总量(H₂O-P + NaHCO₃-P)达到55.10%，比CM处理（52.64%）高出2.46个百分点，同时NaOH-P和HCl-P的比例下降，表明PG中难溶性磷被部分溶解和利用。总体而言，PG添加显著提升了猪粪和鸡粪堆肥中难溶性磷的活化效率。

3.3. 磷转化主要途径分析

通过对16S rDNA数据预测的24个磷循环功能基因分析发现，添加PG后，猪粪堆肥中mdh、maeA、ppx-gppA、pstS和phoR等基因的丰度增加；鸡粪堆肥中maeA、pstB、pstC、pstA、pstS、phnE和phoP等基因的丰度增加。这表明PG添加促进了上述磷转运基因的丰度，从而推动了不溶性磷的活化。

这些预测的磷转运基因主要来源于八个细菌属，包括乳杆菌属(Lactobacillus)、奇异菌属(Atopostipes)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、狭义梭菌属_1(Clostridium_sensu_stricto_1)、假纤细芽孢杆菌属(Pseudogracilibacillus)和迪茨氏菌属(Dietzia)。其中，芽孢杆菌属(Bacillus)和假纤细芽孢杆菌属(Pseudogracilibacillus)显著增强了无机磷溶解基因（如mdh, maeA）和磷酸盐转运基因(pstS, pstB)的丰度，表明它们在活化无机磷方面占主导地位。棒状杆菌属(Corynebacterium)则对多磷酸盐代谢基因(phoD, ppa, ppx-gppA)和磷酸盐转运基因(pstB, pstC, pstA, pstS)有重要贡献。

PG添加重塑了堆肥过程中的细菌群落结构，从而增强了与磷循环相关的功能基因丰度，驱动了磷的转化。在PM-P处理下，芽孢杆菌属(Bacillus)和棒状杆菌属(Corynebacterium)的优势地位提升了关键基因(mdh, maeA, ppa, phoD)的丰度。在CM-P体系中，芽孢杆菌属(Bacillus)和假纤细芽孢杆菌属(Pseudogracilibacillus)在高温期和腐熟期保持较高的相对丰度，显著增加了无机磷溶解基因(mdh, maeA)和磷酸盐转运基因(pstS)的丰度。

3.4. 解磷细菌(PSB)的变化及其与磷形态分布的相关性分析

对八种关键解磷细菌(PSB)的动态变化及其与磷形态的相关性分析表明，在猪粪堆肥早期，棒状杆菌属(Corynebacterium)和狭义梭菌属1(Clostridium_sensu_stricto_1)是优势PSB，而后期则以狭义梭菌属1为主。在鸡粪堆肥早期，优势PSB是棒状杆菌属(Corynebacterium)和乳杆菌属(Lactobacillus)，后期则以假纤细芽孢杆菌属(Pseudogracilibacillus)为主。整个堆肥过程中PSB丰度呈下降趋势，这归因于高温环境不适于其生长。PG的添加总体上促进了PSB的生长。

相关性分析揭示了关键PSB与不同磷形态的特定关系：

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  棒状杆菌属(Corynebacterium)与H₂O-P呈显著正相关，其生长有利于H₂O-P的增加。
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  迪茨氏菌属(Dietzia)与HCl-P呈显著正相关，其增殖有助于HCl-P的活化，且该菌在猪粪堆肥中丰度更高，表明它在猪粪堆肥的磷活化中起关键作用。
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  狭义梭菌属_1(Clostridium_sensu_stricto_1)与H₂O-P和NaHCO₃-P呈显著正相关，与NaOH-P呈显著负相关，表明其生长有利于将NaOH-P转化为H₂O-P和NaHCO₃-P，在猪粪堆肥磷活化中扮演重要角色。
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  乳杆菌属(Lactobacillus)与NaOH-P呈显著正相关，与NaHCO₃-P和残渣态磷(Residual-P)呈显著负相关，表明抑制其生长有利于将NaOH-P转化为NaHCO₃-P。该菌是鸡粪堆肥中的优势菌属，因此抑制其生长可能增强鸡粪堆肥中的磷活化。
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  假纤细芽孢杆菌属(Pseudogracilibacillus)与NaOH-P呈显著正相关，其丰度下降可能促进NaOH-P的活化。该菌也是鸡粪堆肥中的优势菌属，抑制其生长可能同样有利于鸡粪堆肥中的磷活化。

4. 结论

磷石膏(PG)的添加虽然延缓了堆肥的升温和腐熟进程，但并未影响堆肥的最终成熟。PG影响了猪粪和鸡粪堆肥中的细菌群落结构。迪茨氏菌属(Dietzia)和狭义梭菌属_1(Clostridium sensu stricto_1)是猪粪堆肥中的优势解磷细菌(PSB)，而乳杆菌属(Lactobacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)是鸡粪堆肥中的优势PSB。添加PG后，猪粪和鸡粪堆肥中NaHCO₃-P的含量分别增加了9.36和17.86个百分点。未来研究的一个可行策略是通过调控堆肥参数（如温度、pH、C/N和C/P）来刺激关键PSB的生长，最终提高磷石膏与畜禽粪便共堆肥体系中磷的有效性。