养殖废弃物堆肥中抗生素和抗性基因的降解研究

抗生素的滥用及排放会造成细菌产生耐药性以及抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes, ARGs)的传播和扩散。畜禽粪便是导致环境中抗生素污染的主要来源之一。本文综述了四环素类、大环内酯类、喹诺酮类、β-内酰胺类、磺胺类和氨基糖苷类等在水土环境中广泛存在的抗生素及其环境残留水平和对动植物、微生物的影响,分析了当前利用堆肥技术降解畜禽粪便中抗生素和ARGs效果及机制的研究情况。总结得出,猪粪中抗生素残留量最高,其中四环素类残留量为1390~354 000 mg·kg^-1,磺胺类170.6~89 000 mg·kg^-1,氟喹诺酮类411.3~1 516.2 mg·kg^-1,硝基呋喃类85.1~158.1 mg·kg^-1,大环内酯类1.4~4.8 mg·kg^-1。堆肥对大部分抗生素具有好的降解效果,其中四环素类抗生素降解率为62.7%~99%,磺胺类为0~99.99%,对大环内酯类几乎可以完全降解,但是,堆肥无法降解喹诺酮类抗生素。养殖废弃物堆肥过程中,ARGs的降解情况同样因抗生素种类和堆肥方式而不同。已有的研究表明,除大环内酯类ARGs外,堆肥对其他ARGs均具有有效的降解效果,降解率为50.03%~100%。堆肥初期的优势菌门是厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和拟杆菌门;堆肥结束后放线菌门成为最优势菌门。初始抗生素的浓度不影响堆肥结束时微生物的群落组成。温度和pH是影响抗生素降解的最主要因素,而ARGs的降解效果主要受温度影响。     

高温秸秆降解菌的筛选及其纤维素酶活性研究

筛选能在高温（55~75℃）好氧堆肥中高效降解纤维素的菌株，并评估其降解秸秆的能力与产纤维素酶的热稳定性。从高温期堆肥中采样，以水稻秸秆粉为唯一碳源，通过55、65℃和75℃连续高温传代驯化并分离筛选耐高温菌，结合水解圈和水稻秸秆崩解试验筛选不同高温下高效降解秸秆的目标菌株，采用16S rRNA测序和系统发育分析鉴定目标菌株分类地位，通过分析目标菌株纤维素降解相关酶在50~90℃之间的热稳定性，解析其高温适应性机制，评价其在实际生产中的应用潜力。高温驯化分离得到13株耐高温降解菌，其中B-5、B-6、B-7和B-11的纤维素和秸秆降解能力较强，而只有B-7和B-11在55~65℃和75℃具有高效降解水稻秸秆的能力，将其认定为目标菌株。系统发育分析表明B-7和B-11菌株与芽孢杆菌科高度相似，分别命名为短小芽孢杆菌B-7和嗜热脂肪芽孢杆菌B-11。酶活热稳定性分析发现B-7和B-11各纤维素酶活性在50~90℃之间先升高后降低，其最适温度范围不同，分别为55~65℃和70~80℃，其中B-11在85℃时的相对酶活仍高于60%。研究表明，菌株B-7和B-11是耐高温高效秸秆降解菌，其具有不同高温偏好性，纤维素酶热稳定性强，在秸秆高温好氧堆肥中具有潜在的应用前景。     

功能膜覆盖好氧堆肥过程氨气减排性能研究

畜禽粪便高温好氧堆肥过程中氨气的排放不仅污染环境,而且会降低有机肥氮素含量。因此,控制好氧堆肥过程中氨挥发是降低氮损失及减少堆肥周边环境恶臭的关键。为研究膜覆盖对畜禽粪便好氧堆肥过程氨气挥发的影响,以猪粪和小麦秸秆为试验原料,采用具有选择渗透性的Gore膜作为覆盖材料,在实验室好氧堆肥反应器系统中进行了为期27 d的好氧堆肥试验。试验设置覆膜组和对照组,采用开启1 h、关闭1 h间歇通风方式,通风速率为3 L/min,重点监测堆肥过程堆体温度、氧浓度和NH3排放速率等。研究表明:覆膜组比对照组高温期持续时间略长,更有利于杀死堆体有害病原菌;相比于对照组,覆膜组NH3排放量减少18.87%;相比于温度峰值出现的时间,两组试验NH3峰值出现时间均延后,且覆膜组延后时间更长。     

Effects of different loading rates and types of biochar on passivations of Cu and Zn via swine manure composting

Pollution of arable land caused by heavy metals in livestock and poultry manure has become a potential threaten to human health in China. Safe disposal of the contained toxic pollution with animal manure by co-composting with biochar is one of the alternative methods. Biochars from different sources (wheat straw, peanut shells and rice husks) amended with different loading rates were investigated for passivations of copper and zinc (Cu and Zn) in swine manure composting. Results showed that the passivation effects of the three types of biochar on Cu and Zn were enhanced with increasing biochar dose. Contents of Cu and Zn measured by diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) and Community Bureau of Reference (CBR) showed that wheat straw biochar with the loading rates of 10%-13% (w/w) was superior to the other two types of biochar in this study. Compared with the control, sample from wheat straw biochar was more favorable for the bacterial growth of Proteobacteria, Firmicutes and Actinobacteria. In addition, pot experiment showed that organic fertilizer amended with wheat straw biochar could significantly improve the growth of Chinese pakchoi and enzyme activities (superoxide dismutase, peroxidase, polyphenol oxidase and catalase) as compared with the control. Cu and Zn contents of Chinese pakchoi in the organic fertilizer group containing wheat straw biochar reduced by 73.2% and 45.2%, 65.8% and 33.6%, respectively, compared with the group without loading biochar. There was no significant difference in the contents of vitamin C and reducing sugar between the groups of organic fertilizer amended with/without wheat straw biochar, however, there was significant difference compared with the heavy metal addition group. The application of organic fertilizer formed by adding biochar can effectively reduce the adverse effects of heavy metals on crops.     

C/N比对好氧堆肥中NH3挥发损失和含氮有机物转化的影响

利用牛粪和不同比例玉米秸秆的混合,设置5个不同C/N比处理(T1=15、T2=20、T3=25、T4=30、T5=35),研究其对条垛式好氧堆肥过程中的NH_3挥发损失和含氮有机物转化的影响。结果表明:在肥堆前24 d有11.1%～23.1%的总氮损失,堆体C/N比越低,总氮损失率越高。堆肥结束时,T1～T5处理的总氮损失率为10.1%～24.1%,其中由NH_3挥发造成的氮损失占总氮损失的30.9%～40.5%。堆肥过程的NH_3挥发主要发生在升温期和高温期,此期的NH_3挥发量占总挥发量的95%以上,是总氮损失的主要途径。堆肥前6 d各处理堆体铵态氮积累并达到最高值,导致pH值迅速升高,是造成堆肥NH_3挥发的直接原因。堆体C/N比越低,pH值越高,NH_3挥发量越大,由此造成的氮损失占总氮损失的比例越大。堆肥材料总氮的90%以上为有机氮,其降解主要发生在堆肥前24 d,堆体初始C/N比越低,有机氮矿化越快。不同有机氮组分的降解速率不同,以氨基酸态氮和酰胺态氮的降解为主。当堆体初始C/N比低于25时,堆肥材料中氨基酸态氮和酰胺态氮等有机态氮快速降解产生大量的铵态氮,由此导致堆体pH值的迅速升高,是导致堆肥过程中大量NH_3挥发和氮素损失的主要原因。     

基于正交试验的花生种养结合栽培方式研究

种养结合是农业循环经济发展的重要措施之一。通过正交试验设计,分析了不同种植密度、复合肥用量、腐熟干粪用量对花生生长发育及产量的影响。分析结果表明:1)三因素中高钾复合肥用量对花生的生长发育及产量影响最大。2)13-10-20高钾复合肥用量为300kg/hm2的处理组合普遍表现出植株较高、分枝数较多、单株结果数多等特点。3)产量分析结果显示:最优处理组合为种植密度120 000穴/hm2、高钾复合肥300kg/hm2、腐熟干粪30kg/hm2,同时影响产量大小的因素顺序为:高钾复合肥腐熟干粪种植密度。     

不同原料好氧堆肥过程中碳转化特征及腐殖质组分的变化

为探讨不同畜禽粪便（牛粪和羊粪）为主料，添加不同作物秸秆（玉米秸秆和小麦秸秆）为辅料在堆肥过程中的碳转化特征及腐殖质组分的变化规律，采用条垛式好氧堆肥研究了不同原料组合（T1：牛粪+玉米秸秆；T2：牛粪+小麦秸秆；T3：羊粪+玉米秸秆；T4：羊粪+小麦秸秆）在堆肥过程中总有机碳（TOC）、可溶性有机碳（DOC）和腐殖酸含量的碳转化特征以及胡敏酸（HA）和富里酸（FA）的含量变化规律。结果表明：所有处理的TOC含量随堆肥过程的推进而下降，至堆肥结束时T1~T4处理的TOC含量分别下降了22.1%、21.5%、23.6、23.7%；DOC含量也随堆肥过程的推进而降低，至堆肥第15天时降低至最低，T1~T4处理分别降低至6.57、5.47、4.73 g·kg^-1和4.93 g·kg^-1，但不同处理的变化规律明显不同：以牛粪为主料的T1和T2处理在第10天以前几乎无变化，而以羊粪为主料的T3和T4处理从一开始就迅速下降至最低值，至堆肥第15天时T1~T4处理的降幅分别为32.4%、36.5%、51.8%和39.3%；总腐殖酸(THA)含量的增加始于堆肥的第10天，第15天时达到最高值，最高值分别为25.5%、22.5%、29.8%和30.0%，整个堆肥过程中T3和T4处理显著高于T1和T2处理（P＜0.05）。随堆肥过程的推进，游离腐殖酸(FHA)含量逐渐降低，堆肥结束时降幅为7.6%~18.0%； HA含量逐渐增加，至堆肥结束时增幅为65.4%~197.8%，堆肥过程提高了胡敏酸态碳。T3和T4处理的FHA和HA含量在整个堆肥过程中始终高于牛粪组合T1和T2处理。FA含量随堆肥进程推进逐渐下降，至堆肥结束时降幅为44.9%~54.9%。羊粪中较高含量的纤维素、半纤维素和HA可能是堆肥产品中THA和HA含量较高的主要原因，在以牛粪为主料的堆肥配料中适当加入羊粪可以提高堆肥产品的腐殖酸含量和胡敏酸态碳。     

Stability of co‐composted hydrochar and biochar under field conditions in a temperate soil

Hydrothermally converted biomass (hydrochar) is evaluated as a carbon‐rich soil amendment in addition to pyrogenic biochar. After assessing the suitability of hydrochar for use in agriculture, its environmental safety and comparing its chemistry with that of biochar, we describe a field trial established at Halle (Germany) under natural conditions for a temperate climate and without further external management practices. The main objective of our study was to analyse the stability and hence the C sequestration potential of composted chars over a period of 2 years. Four treatments (no amendment control, compost, co‐composted hydrochar and co‐composted biochar) in fourfold field replication were chosen to make a direct comparison of biochar and hydrochar under field conditions. The total organic carbon and total N increased in all treatments in comparison with the control but only in biochar‐amended treatments were N concentrations more stable. Composted biochar showed significantly more black carbon content in topsoil, sampled some months after application, compared with all other treatments. We show that hydrochar is less suitable for long‐term C sequestration in comparison with biochar but has potential for soil amelioration because it delivers essential nutrients. On the other hand, biochar is richer in polyaromatic C than hydrochar and therefore is more stable in the long term. We assessed biochar stability using the black carbon analysis of the different soil samples.     

堆肥过程中氮素转化及保氮措施研究进展

堆肥过程中氮素损失既降低堆肥质量,又污染环境。为了深入研究堆肥过程中的氮素转化及合理的堆肥保氮措施,笔者归纳总结了堆肥中氮素的氨化作用、氨同化作用、硝化作用、反硝化作用以及形成鸟粪石沉淀等过程,分析了与氮素损失密切相关的堆体的C/N比、pH值、温度、通风与氧气供应等因素,指出可通过调节C/N比、接种微生物菌剂、添加吸附剂和化学物质、控制通风等措施控制氮素损失。今后有必要从基于堆料碳氮组成形态的C/N比、氮素转化的微生物学机理以及适合规模化堆肥生产的保氮技术等方面进一步开展研究。     

家畜粪便好氧堆肥中主要微生物类群分析

以牛粪、猪粪和玉米秸秆为堆肥原料，添加不同调理剂，在自制的强制通风静态垛堆肥反应器中进行堆肥试验，研究不同处理的微生物变化规律。各处理在堆肥过程中的微生物总数呈波浪型的变化，其中细菌的数量变化类似于微生物总数的变化；真菌的数量变化呈现一条类似于“W”型曲线；放线菌一直呈下降趋势。牛粪和猪粪处理分别添加果园粘土和炉渣对堆肥过程中的微生物影响大，添加果园粘土能够增加微生物总数。堆肥处理中细菌是优势种群，Bacillus sp.和Aspergillus sp.是优势种。家畜粪便的粪大肠菌值在堆肥末期第39d以后达到GB规定的标准。