在堆肥过程中，氮源的形式通过铵离子的供应动态来调控氨的吸收和氮的保留

《Bioresource Technology》：Nitrogen source forms govern ammonia assimilation and nitrogen retention through ammonium supply dynamics during composting

氮源形式对堆肥中微生物氨同化及氮素保留的影响机制研究。通过对比无机氮与苯丙氨酸添加的氨供应动态及微生物群落结构，发现有机氮能同步释放氨并促进其转化为稳定有机氮，降低氨挥发20.6%-67.1%。机制涉及谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性提升，glnA、gltB和gdhA基因表达增强，以及苯丙氨酸代谢诱导的微生物互作网络重构。

　　

王安琪|梁正|高淼|常瑞雪|李彦明

中国农业大学资源与环境科学学院，农田土壤污染预防与修复重点实验室，北京 100193，中国

摘要

微生物对氨的吸收是堆肥过程中氮保留的关键途径，但连接氮形态与吸收效率的调控机制仍不明确。在本研究中，我们探讨了在碳氮输入相同的控制堆肥条件下，无机氮和有机氮来源如何调节铵的供应动态，并影响氨的吸收途径和氮的保留。与无机氮相比，添加氨基酸能够产生持续且时间协调的铵供应，使累积氨排放量减少了20.6%–67.1%，并促进了铵向稳定有机氮的转化。这与谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶活性的提高、关键氨吸收基因（glnA、gltB和gdhA）表达的增加以及谷氨酸的积累有关。微生物群落分析进一步表明，氨基酸氮重塑了细菌组成和共现网络，使其更加紧密相连，这与吸收能力的增强相吻合。路径模型表明，无机氮通过瞬时基因诱导间接影响吸收，而铵的快速可用性则降低了吸收效率并破坏了群落结构。相比之下，氨基酸氮通过同步铵的释放与微生物代谢能力直接促进了吸收。本研究确定了铵的供应动态作为连接氮形态、微生物代谢和氮保留的过程级调控因素，为氮保留和损失缓解提供了新的见解。

引言

好氧堆肥因其操作简单、成本低廉以及适用于多种原料而广泛用于有机固体废物的回收（Chen等人，2026年；Dankwa等人，2026年）。氮是堆肥肥料质量的关键决定因素，其在堆肥过程中的转化与氨挥发和氮氧化物排放密切相关，这些直接影响了养分保持和环境性能（He等人，2026年）。因此，提高氮保留已成为优化堆肥系统以实现资源回收的核心挑战。

在好氧堆肥过程中，氮经历了一系列由微生物介导的转化，包括氨化、硝化、反硝化、氨吸收和生物固氮（Hou等人，2025年）。这些过程共同决定了氮是保留在堆肥基质中还是通过气体排放流失。先前的研究试图通过调节个别途径（如抑制反硝化或促进硝化）来提高氮保留（Gao等人，2025年）。然而，这些方法往往效果不一，表明氮保留并非由单一转化途径控制，而是由竞争性的氮汇和吸收过程之间的平衡决定的（Zhang等人，2025b年）。

操作参数，包括基质组成（Le等人，2025年）、C/N比（Xu等人，2024a年）、pH值（Mo等人，2023年；Wang等人，2023年）、通气（Sun等人，2025年；Zhang等人，2025c年）和湿度（Wang等人，2025年），已知会影响堆肥过程中的氮转化。其中，C/N比长期以来一直被认为是减少氮损失和支持微生物生长的关键指标（Chiarelotto等人，2024年）。然而，即使在相似的C/N比和操作条件下，氮保留也存在显著差异，表明氮的保持不能仅通过基质本身的性质来完全解释。

在各种氮转化途径中，微生物对氨的吸收是堆肥过程中最有效的氮保留机制（Liang等人，2024年；Zhu等人，2023a年）。通过这一过程，铵（${\text{NH}}_4^{+}）被整合到谷氨酸和其他有机氮化合物中，从而在微生物生物量和堆肥有机物中实现稳定的氮保留（Liang等人，2024年；Mo等人，2023年；Zhu等人，2023a年）。先前的研究表明，增强氨吸收微生物的活性可以显著减少氮损失。然而，调控堆肥条件下氨吸收效率和可持续性的因素仍不够清楚。$

先前的研究已经证明，氮来源的变化可以显著影响堆肥参数，如氮损失（Garcia-Randez等人，2025年）、腐殖化（Yang等人，2022年）和微生物群落结构（Li等人，2022年）。然而，这些研究主要集中在氮的整体转化上，而未深入探讨其背后的机制驱动因素。铵作为连接有机氮矿化和无机氮转化的中心中间体，其生成速率、积累水平和持久性决定了氨吸收能否有效竞争挥发和其他损失途径（Liang等人，2024年）。重要的是，在总氮输入和C/N比相似的条件下（Chiarelotto等人，2024年），不同的氮来源形式可能会产生根本不同的铵供应动态。这种铵可用性的差异是否调节堆肥过程中的氨吸收效率和氮保留仍大部分未解决。

在本研究中，使用不同的氮来源形式进行堆肥实验，同时保持初始总碳和氮含量相同，以分离氮形态的影响。通过整合铵供应动态、氨吸收底物和产物、关键酶活性、功能基因表达和微生物群落结构的分析，我们旨在阐明氮来源形式如何调节堆肥过程中的氨吸收和氮保留。这些发现提供了对氮保留的过程级理解，并为优化有机废物堆肥系统中的氮管理提供了指导。

部分摘录

堆肥材料

蔬菜废弃物（VW）和锯末来自中国农业大学的上庄实验站。氯化铵（NH₄Cl）、硝酸钾（KNO₃）、亚硝酸钠（NaNO₂）和苯丙氨酸为分析级，购自广东宝利特医疗科技有限公司。原料的基本理化性质见补充材料。

反应器设置和操作

堆肥在8升实验室规模的PVC反应器中进行（有效体积：8升）

不同氮来源形式对氮保留的影响

通过整合堆肥过程中的气体排放和氮池动态（图1），评估了不同氮来源形式对氮保留的影响。氮来源形式对氮的命运有显著的控制作用，苯丙氨酸的氮保留效率明显高于无机氮来源。

总氮含量在堆肥过程中有所波动，但总体呈下降趋势（图1E），表明

结论

本研究表明，堆肥过程中的氮保留不仅受氮输入或瞬时铵浓度的影响，还受氮形态引起的铵供应动态调节的影响。通过将氮形态与总氮可用性分离，我们的结果表明，铵释放的时间模式和代谢同步性对氮是吸收成稳定有机形式还是通过挥发而流失至关重要。

CRediT作者贡献声明

王安琪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法学，数据管理。梁正：方法学，数据管理。高淼：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。常瑞雪：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。李彦明：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，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所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD1701203）和北京农业研究系统创新联盟（BAIC01）的支持。我们还要感谢所有实验室同事和研究人员的建设性建议和帮助。