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低C/N餐厨垃圾堆肥中生物炭与硝化菌协同调控氮转化及减排机制研究。通过添加椰壳生物炭和硝化菌接种剂，发现单独使用生物炭可减少氮总损失33%，主要抑制NH3和N2O排放；硝化菌接种加速硝化进程但增加N2O排放；两者协同使NH3减排41%，总氮损失减少27%，堆肥周期缩短14天，同时调控amoA、nosZ等功能基因丰度。
李东一|巴拉苏布拉马尼·拉文德拉纳|梁家琳|徐秋香|张嘉宇|严星|袁丽珠|黄俊伟
广东省东莞市东莞理工大学生态与环境工程研究中心，邮编523808，中国
摘要
在低碳氮比（C/N）条件下，食品废弃物消化物（FWD）的堆肥技术被越来越多地应用于提升处理能力，但该过程常受到氨（NH3）过度挥发、一氧化二氮（N2O）排放以及硝化作用延迟等问题的限制。本研究评估了生物炭和硝化细菌接种剂对FWD堆肥过程中氮转化、气体排放、微生物群落演替及功能基因动态的单独及联合效应，初始碳氮比约为15。结果表明，单独使用生物炭可使总氮损失减少33%，主要通过物理化学吸附作用抑制NH3和N2O的排放，并提高N2O的还原潜力（例如增加nosZ基因的丰度）。相比之下，单独使用硝化细菌接种剂可加速硝化作用和堆肥成熟，但由于硝化菌-反硝化菌之间的相互作用，反而增加了N2O的排放。生物炭与硝化细菌的联合应用表现出协同效应，在保持高硝化效率的同时减少了N2O的排放，NH3排放减少了41%，总氮损失减少了27%，堆肥成熟时间缩短了14天。宏基因组学和qPCR分析显示，硝化细菌接种剂显著增加了amoA和hao基因的丰度，而生物炭添加则与更高的N2O还原潜力相关。总体而言，将生物炭与硝化细菌接种剂结合使用是一种有前景的策略，有助于提高氮保留率、减少气体排放并加速低C/N比FWD堆肥的成熟过程。
引言
随着食品废弃物厌氧消化产业的迅速发展，食品废弃物消化物（FWD）的产量大幅增加，对其可持续管理带来了严峻挑战。堆肥被广泛认为是FWD回收的有效生物转化方法，可将消化物转化为具有附加价值的土壤改良剂或肥料，为直接处置提供环保替代方案（Wang等，2025；Zhao等，2025）。然而，FWD的固有特性——尤其是其较低的碳氮比（C/N）、高水分含量以及较高的铵态氮（NH4+–N）水平——严重限制了传统堆肥技术的效果。这些特性通常导致氨（NH3）过度挥发、一氧化二氮（N2O）排放增加、硝化作用延迟、堆肥周期延长以及氮损失严重，从而降低最终堆肥产品的农用价值（Li等，2023；Xu等，2020）。
为缓解这些问题，传统堆肥方法通常建议通过添加锯末等膨松剂将初始碳氮比调整至25至30之间（Aboutayeb等，2025；Ekinci等，2021；Song等，2021；Wu等，2025）。虽然这种方法在一定程度上能有效减少氮损失，但不可避免地会增加物料投入和运营成本。相比之下，在较低碳氮比（通常<20）下运行堆肥系统已成为工业应用中的趋势，因为这可以提高处理能力和经济效益。根据以往研究，这一范围（C/N<20）被称为“低C/N”（Kumar等，2010；Wu等，2025；Zhu，2007）。然而，低C/N堆肥仍会加剧氮相关问题，特别是NH3、N2O排放和硝化作用延迟，这不仅降低养分回收率，还会对环境造成长期影响（Agyarko-Mintah等，2017；Tang等，2023）。因此，开发有效的氮转化调控策略对于推动FWD堆肥技术的发展至关重要。
在低C/N堆肥过程中，氮损失主要源于丰富的铵态氮（NH4+–N）与不足的易利用碳之间的不平衡。碳限制会阻碍微生物的吸收并干扰氮转化途径，而较高的NH4+浓度会进一步抑制硝化菌活性，从而延迟硝化作用并增加气体氮损失（Kumar等，2010；Zhu，2007）。因此，人们探索了多种策略来减少堆肥过程中的氮损失。化学改良剂如镁盐和磷盐可将NH4+沉淀为鸟粪石，但这会增加材料成本并引发盐分问题（Wang等，2018b）。物理吸附剂如沸石可以减少NH3的挥发，但它们缺乏生物炭的碳相关优势和为微生物提供的栖息环境（Li等，2023）。值得注意的是，生物炭具有双重优势：既能吸附NH4+/NH3，又能为功能性微生物提供栖息地（Chang等，2025）。操作优化措施（如通气控制和碳补充）可部分减少排放，但在碳氮比严重受限的情况下往往效果不佳（Li等，2022b；Liang等，2024；Meng等，2016）。生物方法（如异养硝化菌或木质纤维素降解微生物的接种）可针对特定氮转化过程，但很少能同时解决NH3和N2O的问题（Chang等，2025）。因此，结合物理化学氮保留和定向生物转化的方法对于低C/N FWD堆肥特别有吸引力。
微生物接种和生物炭添加是实现这一目标的两种代表性途径。微生物接种被认为是一种有前景的方法，可通过增强功能性微生物过程来提高氮保留率。特别是硝化细菌可促进NH4+向硝酸盐（NO3?的转化，从而减少NH3挥发并加速堆肥稳定（Xu等，2023）。先前的研究表明，微生物接种在粪便基堆肥系统中能有效改善氮保留和堆肥效率。例如，Qiu等（2021）报告称，在鸡粪堆肥中NH3损失减少了58.8%，堆肥周期缩短了15天；Yang等（2019）发现，针对性接种（一种亚硝酸盐菌株和一种固氮菌，调节细菌结构）重塑了细菌群落并增强了氮积累。尽管取得了这些进展，但在富含NH4+–N的FWD堆肥中应用硝化细菌接种剂的研究仍较少，其在低C/N条件下的调控作用尚不明确。同时，生物炭添加被广泛认为是通过吸附NH4+和NH3并改变堆肥微环境来有效减少氮损失的方法（He等，2019；Iqbal等，2021）。然而，生物炭单独使用的氮保留主要是被动的，并不能直接促进定向氮生物转化。值得注意的是，堆肥过程中的高温阶段（大部分NH3排放发生时）温度通常超过50℃，这对硝化菌活性不利（Cui等，2019；Wang等，2020）。在这种情况下，初期添加生物炭可以暂时保留氮，待温度下降后通过生物途径进行转化。此外，生物炭可为微生物提供有利栖息地，可能增强硝化菌的活性和持久性。多项研究表明，生物炭与微生物接种剂的联合使用可协同提高氮保留和微生物功能（Awasthi等，2016）。具体而言，Tu等（2019）发现，在猪粪堆肥中，生物炭与微生物接种剂的联合使用比单独使用生物炭更有效地减少了NH3和N2O的排放；Mao等（2018）表明，生物炭和细菌粉末的联合使用不仅减少了气体氮损失，还提高了微生物活性和堆肥稳定性。这些发现表明，结合物理化学吸附和生物调控方法有助于控制堆肥过程中的氮损失。然而，这些研究主要集中在粪便基堆肥系统上，生物炭与硝化细菌接种剂在低C/N FWD堆肥中对氮转化途径、功能基因调控和气体排放的交互作用仍不甚明了。
因此，本研究旨在探讨在低C/N条件下调控氮转化的方法，这种条件既能提高处理能力，又能减少对膨松剂的依赖，但通常伴随着NH4+积累过多、碳限制和硝化作用抑制的问题。在这种条件下，NH3挥发和N2O排放导致的氮损失尤为明显。为解决这些问题，本研究旨在评估生物炭与硝化细菌接种剂的联合使用是否能在低C/N FWD堆肥（初始碳氮比约为15，代表典型的低C/N情况）中发挥协同效应。生物炭用于初始阶段以保留NH3/NH4+，并提供适宜的微生物栖息地，而硝化细菌接种剂则在高温阶段后加入，以促进定向的氮转化。系统研究了其对氮损失、气体排放（NH3和N2O）、堆肥性能和成熟度的影响。此外，还通过宏基因组学和定量PCR分析阐明了微生物群落演替和氮相关功能基因的动态，从而提供了物理化学吸附和生物调控交互作用的机制见解。这种综合策略为低C/N FWD堆肥系统中的氮保留提供了实用方法。
材料与实验设计
FWD和成熟堆肥来自香港有机资源回收中心（第一阶段），膨松剂锯末和商业硝化细菌接种剂（含有制造商规定的Nitrosomonas和Nitrobacter菌种）在当地采购。本研究使用了椰壳生物炭（在900℃下热解），其主要物理化学性质包括碱性pH值（8.79）、中等BET表面积（19.13 m2/g）和多孔结构（总孔体积
通过温度、pH值、电导率和种子发芽指数评估堆肥性能
所有处理组均迅速进入高温阶段，第一天内温度达到约65℃，随后逐渐冷却（图1a）。硝化细菌接种（R3和R4）并未改变整体温度曲线，尽管R3在冷却阶段保持略高的温度，表明微生物活性持续时间较长。第35天时，所有处理组的堆肥温度接近环境温度，表明过程正常进行（Qiu等，2021）。
结论
本研究表明，在低碳氮比食品废弃物消化物堆肥过程中，生物炭添加和硝化细菌接种在调控氮转化方面发挥着不同但互补的作用。单独使用生物炭通过抑制NH3和N2O排放显著减少了氮损失，部分原因是提高了N2O的还原潜力。相比之下，硝化细菌接种加速了硝化作用和堆肥成熟，但由于硝化菌-反硝化菌之间的相互作用，N2排放增加
作者贡献声明
李东一：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，资金获取，数据分析，概念构思。巴拉苏布拉马尼·拉文德拉纳：撰写 – 审稿与编辑。梁家琳：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。徐秋香：撰写 – 审稿与编辑。张嘉宇：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。严星：撰写 – 审稿与编辑。袁丽珠：撰写 – 审稿与编辑。黄俊伟：撰写 – 审稿与编辑，监督
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：广东省区域联合基金（项目编号：2024A1515110159）、广东省创新与创业团队引进计划（项目编号：2023ZT10L060）、东莞理工大学顶尖人才教授启动基金（项目编号：221110133）、人才启动基金（项目编号：221110356005），以及云浮现代农业产业集群创新与创业人才项目：创新与创业
