农用氮肥增效剂对污泥堆肥中氮素转化和微生物群落演变的影响

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脱水污泥作为一种富含有机质的固体废弃物,其中含有的病原微生物、重金属和有机污染物可能在污泥处置和放置的过程中导致对环境的二次污染。堆肥可以将污泥转化为安全稳定的产品并加以利用,然而堆肥过程中产生的氮素损失不仅降低了堆肥作为土壤肥料或改良剂的农艺价值,也降低了堆肥的环境效益。堆肥中的氮素损失主要是由于含氮气体的排放引起的,主要包括高温期的氨化作用分解产生的氨气(NH3)和硝化和反硝化作用生成的氧化亚氮(N2O)。硝化抑制剂(Nitrification inhibitor,NI)和脲酶抑制剂(Urease Inhibitor,UI)作为常用的氮肥增效剂(Nitrogen Fertilizer Synergist,NFS)可有效控制农田中NH3和N2O排放。然而关于NI和UI联合调控堆肥过程中NH3和N2O排放及其减排机制尚不明确。因此,本研究以NI和UI为堆肥添加剂,研究NI和UI单独或是联合添加对堆肥中氮素化合物转化和NH3和N2O排放的影响;并从微生物群落结构特征、酶活性和功能基因丰度等方面,揭示NI和UI单独或是联合添加对堆肥中氮素化合物转化和NH3和N2O排放的调控机制。课题将为堆肥过程中NH3和N2O的排放和氮素损失控制提供理论依据和技术支撑,对污泥的资源化利用具有重要的意义。双氰胺(Dicyandiamide,DCD)是最常用的一种硝化抑制剂之一,它具有挥发性小易降解的特点,本研究首先对DCD的不同添加方式对污泥堆肥过程中NH3和温室气体(Greenhouse gases,GHG)排放的影响进行比较。试验共设置四种DCD添加方式,混合(M)、表面铺撒(B)和两者的组合(M+B),其中未添加DCD的处理作为对照处理(CK)。结果表明,DCD的添加对有机质(OM)的降解有轻微抑制作用,但对CO2排放没有显著影响。DCD的表覆盖处理对NH3、N2O和CH4排放没有显著影响。与对照相比,M处理显著增加了32.5%的NH3排放;M和M+B处理显著降低了35.1%和51.8%的N2O排放;M和M+B处理的CH4排放量分别下降了33.9%和31.8%。此外,与对照相比,M和M+B处理的温室气体总排放量显著减少了16.7~25.7%(P<0.05)。综上,通过混合和表面覆盖相结合的方式添加DCD是减少堆肥中温室气体排放的有效方法。然后,研究了UI对堆肥中氮素转化、酶活性变化和真菌群落演变特征的影响。实验设置2个处理,U1(添加物料干重0.5%的UI,U1)和U2(添加物料干重1.0%的UI,U2),不添加UI处理作为对照。结果表明,与CK相比,U1和U2处理在堆肥过程中分别显著减少了18.7%和26.4%的NH3排放量。堆肥结束时,CK、U1和U2中总氮(TN)含量分别为21.7、23.8和24.8 g kg-1,U1和U2中的TN含量相对于CK而言分别增加了9.7%和14.3%。UI的添加抑制了高温期的酶活性,而增加了降温期和腐熟期的酶活性。研究发现子囊菌门、担子菌门和未分类真菌是堆肥样品自中的主要菌类,腐熟期子囊菌门数量显著增加。网络分析表明,曲霉属、青霉属、木霉属、Talaromyces、Peseudeurotium和Exophiala是主要的“连接”属。冗余分析(RDA)表明真菌群落主要受温度、可溶性有机碳(DOC)、p H和脲酶活性的影响。结果表明,UI是一种有效的固氮添加剂,可减少污泥堆肥过程中的氮损失提高酶活性。通过上述研究发现,单独添加UI和NI只能单一减少N2O或NH3的排放,因此研究UI和NI联合添加对堆肥过程中NH3和N2O排放以及氨单加氧酶基因(amo A)和亚硝酸还原酶基因(nir S)丰度。结果表明,UI和UI+NI处理分别减少了26.3%和24.3%的NH3排放,UI+NI处理的N2O排放减少了63.9%,但UI并没有减少N2O排放。UI和NI的添加显著降低了高温期nir S基因的丰度,而显著增加了腐熟期amo A基因的丰度。Crenarchaeota是主要的硝化古菌门,并受到p H值的显著影响。Proteobacteria是主要的反硝化细菌门,UI+NI处理的相对丰度高于其他处理。微生物功能预测分析表明,UI和NI的添加抑制了高温期与氮素转化相关的酶活性,同时增加了腐熟期的酶活性。总体而言,M处理增加了32.5%的NH3排放,M+B处理显著降低了35.1%和51.8%的N2O排放量。相对于CK,U1和U2处理分别降低了堆肥中18.7%和26.4%的NH3排放量。通过联合添加NI和UI能够同时减少NH3和N2O排放。因此在堆肥中通过联合添加NI和UI是一种有效减少氮素损失和NH3和N2O排放的有效方法。
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