园林绿化废弃物蚯蚓堆肥腐熟过程控制及氮转化机制研究

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园林绿化废弃物主要以木质纤维素高分子化合物为碳源,C/N比高,导致堆肥过程中有机质分解速率低、腐熟度差。蚯蚓处理废弃物过程中N2O和N2显著释放,导致氮素损失率高。因此,针对高C/N比原料,如何控制蚯蚓堆肥腐熟过程,减少氮素损失并提高堆腐产品质量,是需要解决的蚯蚓堆肥工艺问题。本研究通过氮源调节C/N、无机添加剂和促腐菌剂施用来有效控制蚯蚓堆腐过程中氮素损失并提升产品质量。分别通过1)尿素与全氮含量较高的有机废弃物(牛粪、豆粕和热水解污泥)调节原料C/N为25:1进行蚯蚓堆肥;2)5%无机添加剂(沸石、膨润土和过磷酸钙)加入蚯蚓堆肥;3)优化组合木质素降解菌应用于蚯蚓堆肥。研究不同处理对氮素损失和提高堆肥产品质量的影响,以获得蚯蚓堆腐过程控制的最优外源氮、无机添加剂和菌剂类型;探究3种条件相互作用如何影响有机碳、氮转化,腐熟度和产品质量;并利用了宏基因组学技术揭示蚯蚓堆肥过程中的微生物结构和功能及对碳、氮代谢的影响。主要结论如下:(1)与对照尿素相比,含氮丰富的有机废弃物处理的CO2释放量显著增加,氮损失率显著降低,牛粪处理保氮效果最优,且该处理可以显著提高最终蚯蚓堆肥中的总腐殖酸和胡敏酸含量及蚯蚓数量。不同处理最终蚯蚓堆肥的腐熟度和质量指标的主成分分析结果显示,牛粪调节原料C/N获得了质量最优的蚯蚓堆肥产品。(2)5%过磷酸钙处理显著降低有机质含量的34%;增加全氮含量的178%。且过磷酸钙处理显著增加NH4+-N和NO3--N含量、GI值、蚯蚓生长质量和繁殖数量,降低E4/E6比值,保氮和促腐效果最佳。(3)优化复合菌株:No.A:No.2:No:11:No.5=1:2:2:1在第18 d和35 d在园林废弃物固态发酵培养基中分泌最大木质素降解酶酶活力,分别为5380 IU/g和731IU/g;木质素和纤维素的降解率显著最大,分别为40.1%和55.8%。将优化复合菌剂按5%接种至园林绿化废弃物蚯蚓堆肥后结果显示,蚯蚓堆肥的木质素和纤维素降解率显著降低,蚯蚓卵数量、养分和腐殖酸含量显著增加,产生的蚯蚓堆肥产品质量最优。(4)蚯蚓堆肥结束时,牛粪和菌剂结合处理显著增加NH4+-N和NO3—N含量,分别为39.89和422.85 mg kg-1;显著增加CO2释放量,为1980 ml kg-1,显著降低氮素损失率,79%;显著提高木质纤维素降解酶系(纤维素酶、Lip、Mnp和Lac)的酶活性、总腐殖酸和胡敏酸含量,CEC值。最终蚯蚓堆肥的腐熟度和质量指标的主成分分析结果显示,牛粪和菌剂结合处理产生的蚯蚓堆肥产品质量最优。(5)不同处理蚯蚓堆肥后,真菌和细菌群落结构发生显著变化,微生物在门、属水平的组成相同,但相对丰度差异较大;最丰富的碳水化合物酶均为糖苷水解酶(GH)家族。添加剂结合处理可以增加碳循环相关的通路基因序列且对氮代谢氧化还原酶的影响较大。牛粪和菌剂结合处理分别通过增加nir G、nir K和nif K基因促进了蚯蚓堆肥硝化、反硝化和固氮作用。NH4+-N的积累主要由于硝酸盐异化还原作用导致。牛粪和添加剂结合处理使蚯蚓堆肥过程中的氮转化更复杂化,其中纤维素酶活性对氮循环具有显著影响。本研究通过C/N比和添加剂调节以促进园林绿化废弃物蚯蚓堆肥腐熟过程和减少氮素损失。在园林绿化废弃物蚯蚓堆肥处理中应考虑利用牛粪进行原料C/N调节、5%过磷酸钙施用和复合木质素菌剂添加来促进蚯蚓堆肥腐熟,达到降低氮素损失并提高产品质量的效果。牛粪和菌剂联合处理促进了蚯蚓堆肥过程中的硝化、反硝化和固氮作用,产生了质量最优的蚯蚓堆肥产品。本研究对控制蚯蚓堆肥腐熟过程中氮损失和提高园林绿化废弃物高效资源化利用具有重要意义。
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