【摘 要】
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畜禽粪便已成为我国亟待处理的有机固体废弃物,其具有数量庞大、氮、磷养分含量高等特点,具有良好的农用价值,好氧堆肥是处理和实现畜禽粪便资源化的重要途径。磷是农作物的生长发育所必须的营养元素,在堆肥环境中磷以多种形态存在,但农作物只能吸收和利用其中性质较为活泼的有效磷,可见,有效磷的含量与堆肥产物的肥效密切相关。生物炭具有独特的孔隙结构和丰富的表面官能团,在改善堆肥微环境、提升堆肥产物肥效等方面具有重
【基金项目】
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陕西省自然科学基金-青年项目(2021JQ-501)“畜禽粪便堆肥中氧化亚氮排放与生物炭固着反硝化菌群的响应机制”(2021/01-2022/12); 中国博士后面上项目(2020M673357)“堆肥中猪粪源Cu(Ⅱ)对质粒介导的抗生素抗性基因扩散的影响机制”(2020/07-2022/06); 陕西省教育厅重点项目(20JT039)“西北生态脆弱区水污染控制过程副产物(污泥)资源化利用研究-以
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畜禽粪便已成为我国亟待处理的有机固体废弃物,其具有数量庞大、氮、磷养分含量高等特点,具有良好的农用价值,好氧堆肥是处理和实现畜禽粪便资源化的重要途径。磷是农作物的生长发育所必须的营养元素,在堆肥环境中磷以多种形态存在,但农作物只能吸收和利用其中性质较为活泼的有效磷,可见,有效磷的含量与堆肥产物的肥效密切相关。生物炭具有独特的孔隙结构和丰富的表面官能团,在改善堆肥微环境、提升堆肥产物肥效等方面具有重要的调控潜力。基于此,本文研究了添加小麦秸秆生物炭和竹炭对猪粪堆肥过程中理化性质、磷形态转化、碱性磷酸酶(ALP)活性、编码ALP的phoD基因丰度和携带phoD基因微生物群落的影响。分析了磷组分、环境因素和携带phoD基因微生物间的定量关系,并确定了影响磷形态转化的关键环境因素和微生物,揭示了生物炭作用下堆肥中磷形态转化的微生物学机制。本文取得的主要结论如下:(1)添加生物炭提升了堆肥过程的温度、pH和氧气环境并改变了氮、碳元素转化过程。添加小麦秸秆生物炭和竹炭分别使堆肥过程中的pH增加了0.10-0.73和0.18-0.67,并分别使堆肥产物中的铵态氮含量减少了14.6%和10.1%,硝态氮含量增加了86.0%和84.1%,总氮含量增加了5.71%和8.38%。添加小麦秸秆生物炭增加了堆肥产物中10.1%的总有机碳含量,添加竹炭增加了堆肥产物中68.8%胡敏酸的含量,但减少了2.50%的总有机碳含量。(2)添加生物炭增强了堆肥过程中的ALP活性并对磷形态组分的转化产生了影响。与不添加生物炭的堆肥相比,添加小麦秸秆生物炭和竹炭使堆肥过程中的ALP活性分别升高了3.20-10.8%和15.0-32.8%;而堆肥产物中的H2O-P分别减少了33.1%和44.4%,NaHCO3-P分别减少了36.7%和31.2%,而NaOH-P分别增加了22.6%和25.3%,HCl-P分别增加了87.5%和67.7%,残余态磷(Residual-P)分别减少了10.5%和27.7%。通过对磷形态组分与理化性质进行冗余分析发现,ALP和pH是影响堆肥过程中磷形态组分变化的关键因素,ALP主要分解性质不稳定的有机磷,pH升高会抑制难溶性磷的分解。(3)添加小麦秸秆生物炭和竹炭可导致堆肥中分泌ALP和分解利用不同形态磷的关键菌属发生变化,这可能是导致磷组分发生变化的重要原因。添加小麦秸秆生物炭和竹炭均增强了分泌ALP微生物的活性,其中,溶杆菌属(Lysobacter)和鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)是产生ALP的重要菌属并且这些菌属对有效磷的分解利用能力更强。溶杆菌属(Lysobacter)、甲基杆菌属(Methylobacterium)和糖丝菌属(Saccharothrix)等微生物是重要的溶磷菌,但pH升高会抑制这些关键溶磷菌的活性。
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