《Waste Management》：Comparative effectiveness of composting sun-dried versus insect-bioconverted chicken manure: Impacts on maturity, early plant development, gaseous emissions, and microbial communities
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本研究评估了二次堆肥对鸡粪和黑 soldier fly幼虫粪便的稳定化效果，发现后者在促进植物生长、降低温室气体排放及微生物群落多样性方面表现更优。
张国彦|田书欣|王丽文|董一伟|吴志鹏|王宏亮
中国农业大学资源与环境科学学院，养分利用与管理国家重点实验室，北京100193，中国
摘要
未经处理的鸡粪直接施用存在植物毒性、养分流失和环境污染的风险。本研究评估了二次堆肥作为日光干燥鸡粪（CM）和黑水虻幼虫粪便（LF）稳定化策略的效果。经过堆肥处理后，这两种材料均达到了较高的成熟度且植物毒性较低。黑水虻幼虫粪便堆肥表现出更优异的农艺特性，包括更高的发芽指数、磷、钾和有机质含量，以及早期酶活性的提升。此外，它还促进了更多样化和更丰富的细菌群落的形成，其中关键菌门如Patescibacteria（与堆肥成熟相关）和Actinobacteriota（与腐殖化及CH4抑制相关）得到显著富集，同时减少了与氮排放相关的Firmicutes和Bacteroidota的数量。这种独特的微生物群落与显著降低的气体排放量密切相关：与CM相比，LF堆肥使CH4、CO2、N2O和NH3的排放量分别减少了41.90%、25.09%、14.50%和85.86%，从而总体上减少了64.89%的温室气体排放。冗余分析进一步将这些微生物变化直接关联到排放量的减少，为缓解过程提供了机制上的见解。两种堆肥均促进了植物的早期生长，其中LF的效果更为显著。因此，二次堆肥对于安全使用肥料至关重要，而黑水虻幼虫粪便在产生高质量堆肥的同时，通过微生物驱动的过程实现了重大的环境效益。
引言
由于发展中国家的经济增长和人口增长，预计到2050年全球食品需求将增加70%。随着收入的增加，人们对肉类、鸡蛋和乳制品的需求也在增加，而这些行业对资源的需求非常高（Michalk等人，2019年；Higa等人，2021年；Kanwal等人，2025年）。畜牧业的迅速扩张导致了大量粪便的产生，这对环境和社会带来了严峻挑战。堆肥是管理牲畜粪便的传统方法，但可能需要数周时间才能产生成熟的肥料，并且在分解过程中可能会造成大量的碳和氮损失（Tran等人，2024年；Zhang等人，2025年）。作为一种替代方案，基于昆虫的生物转化提供了一种高效且环境可持续的粪便处理方法（Miranda等人，2020年）。
其中，黑水虻幼虫（BSFL，Hermetia illucens）因其高效的有机废物处理能力而受到广泛关注。BSFL可以在各种有机废物基质上饲养，甚至包括粪便（Mai等人，2025年），并且处理后的幼虫可以用作牲畜和水产养殖饲料中的蛋白质成分（Barragan-Fonseca等人，2017年；Belghit等人，2019年；Freel等人，2021年），从而实现了养分循环，减少了对传统饲料来源的依赖（Siddiqui等人，2022年）。此外，从幼虫中还可以获得有价值的生物材料，例如壳聚糖可用于生物经济（Soetemans等人，2020年），其油脂可用于生物柴油（Surendra等人，2016年）或化妆品（Rabani等人，2019年）。此外，BSFL生物转化过程产生的幼虫粪便可以用作有机肥料（Beesigamukama等人，2020年；Lomonaco等人，2024年）或土壤改良剂（Chiam等人，2021年）。粪便可以替代传统的氮肥，减少使用任何类型传统氮肥所带来的全球变暖风险（Schmitt和De Vries，2020年）。然而，BSFL技术的实际应用不仅取决于这些产品效益，还取决于其作为废物管理过程的整体效率和可行性。
BSFL生物转化的特点是处理效率高、经济效益好且商业潜力不断增加。幼虫可以在10-15天内将基质质量减少50%-70%，远快于传统堆肥方法，并将15%-25%的废物转化为有价值的幼虫生物质（Miranda等人，2020年；Siddiqui等人，2022年）。技术经济评估表明，通过将幼虫作为饲料出售可以抵消处理成本，生命周期评估显示其相对于传统废物管理方法的竞争力（Spykman等人，2021年）。随着商业生产的迅速扩大和供应链的建立（例如，卵生产和养殖设施），BSFL技术正成为一种比简单晾晒等传统方法更实用的替代方案（Beesigamukama等人，2020年）。
然而，BSFL处理的效率和经济效益也带来了农艺上的挑战：其较短的饲养周期（通常约为两周）往往导致收获时的粪便尚未完全稳定（Bohm等人，2023年）。这种生物不稳定性可能会限制粪便产品的直接农业用途（Lopes等人，2022年；Liang等人，2023年），可能导致由于粪便中生物活性物质的再发酵而引起“土壤发热”和根部损伤（Ma等人，2022年）。未成熟的堆肥通常含有植物毒素，包括酚类化合物、有机酸和盐分过量积累，这些可能对植物生长产生负面影响（Luo等人，2018年）。例如，Alattar等人（2016年）报告称，BSFL粪便处理使玉米植株高度减少了39%。Wang等人（2022a）发现，当BSFL粪便的施用率为8%时，水稻产量比不添加粪便的处理减少了20%。此外，粪便中的氮通过NH3挥发而流失，这对它的农艺价值有害，并且是环境污染的来源（Chen等人，2018年）。鉴于这些挑战，粪便在使用前通常需要经过后处理。然而，很少有研究系统地评估BSFL粪便二次堆肥对成熟度改善（如植物毒性降低、种子早期发育）的影响，以及相关的养分损失和微生物反应。
在中国，大多数中小型蛋鸡场目前仍依赖传统的粪便收集方法，如刮板系统和临时储存池（Liu等人，2020年）。这些原始方法产生的粪便浆液含水量高，使得有机肥料的生产特别具有挑战性（Wang等人，2025年）。因此，大量家禽粪便仅经过简单的处理方法（如日光干燥），然后被过度施用于粮食作物和经济作物。这种次优的废物管理方式不仅导致多系统环境污染，影响大气质量、土壤完整性和水资源，还引发了重大的农艺问题（Park等人，2020年）。
因此，本研究旨在评估来自新鲜鸡粪的原始BSFL粪便的好氧堆肥性能，以日光干燥鸡粪堆肥作为对照。此外，我们确定了这两种原始肥料的施肥特性和植物毒性，以及二次成熟过程后发生的变化。具体来说，本研究旨在评估1）新鲜BSFL粪便和日光干燥鸡粪是否适合作为植物早期发育的生物肥料，然后确定2）进一步堆肥BSFL粪便和日光干燥鸡粪是否能提高其作为土壤改良剂的质量，3）堆肥过程中的碳和氮损失、酶活性谱以及微生物群落的变化。这一全面评估旨在为促进BSFL粪便在农业生产中的应用提供有价值的信息。
材料收集与准备
日光干燥鸡粪来自衢州市白寨镇的一家当地加工厂。新鲜粪便从鸡舍收集并运输到专门的太阳能干燥设施，在那里，通过将其水平铺开并在自然通风条件下暴露于阳光下7-15天进行系统预处理。本研究中使用的特定批次经过了大约10天的日光干燥。最终干燥的产品被包装好
温度变化
堆肥过程是由有机质（OM）的好氧分解驱动的，这是一种放热的生化反应，会产生表明微生物活动的热量。如图1a所示，两种处理方法在开始后都观察到了温度的迅速升高。堆肥温度在最初的24小时内超过了45℃，并在大约5天内保持在嗜热范围（>45℃），之后逐渐降至中温范围。
结论
本研究表明，二次堆肥是稳定日光干燥鸡粪和黑水虻幼虫粪便的必要且有效策略。在相同的堆肥过程中，BSFL粪便在肥料质量和环境性能方面始终优于日光干燥鸡粪。这些优势与昆虫生物转化引起的微生物演替密切相关，这影响了后续的微生物群落
CRediT作者贡献声明
张国彦：撰写——初稿、软件开发、数据整理。田书欣：撰写——初稿、数据可视化、调查、数据整理。王丽文：数据整理。董一伟：验证、软件开发。吴志鹏：监督。王宏亮：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，批准号：32573147）的支持。
