基于硫和硫氧化细菌作用下好氧堆肥氮素转化调控机理研究

The nitrogen loss and odor release are important and difficult problems in aerobic composting. The experiment was presented to prove that sulfur addition could make the pH value decrease and reduce the nitrogen loss in composting. Meanwhile, previous experiment also showed that sulfate radical content and nitrate nitrogen obviously increased with sulfur-oxidizing bacteria (SOB) amended. Therefore, we have reasons to believe that there should be a certain correlation among pH changes, SOB amended and microbial metabolism involved nitrogen cycle. Combined biological and chemical methods were utilized to regulate and control nitrogen transformation, reduce nitrogen loss and odor release. In this study, the functional genes from nitrogen microbes were used as molecular marker genes. real-time RT-PCR and illumine high-throughput sequencing methods were used to detected functional genes expression at transcription level and genome level, respectively. Furthermore, microbial diversity, microbial community abundance and metabolism pathway changes were analyzed. The aim of this study is to elucidate the mechanism of nitrogen transformation in aerobic composting with sulfur and SOB amended. Provide the theory foundation for inhibition of nitrogen loss and odor release with sulfur and SOB industrial application and technology optimization. .

氮素损失和臭气释放始终是好氧堆肥研究的难点和热点。我们通过实验证明堆肥中加入硫磺可以降低pH，减少氮素损失。并发现硫氧化细菌的加入可以增加堆肥硫酸根含量，显著增加硝态氮含量。因此，我们推断堆肥的pH变化和硫氧化细菌与堆肥氮素微生物的代谢具有一定相关性。本项目利用化学和生物学方法联合调控堆肥氮素转化，减少氮素损失和臭气释放。以氮转化微生物功能基因为分子标记基因，利用real-time RT-PCR和illumina高通量测序技术分别从转录水平和基因水平上研究氮转化微生物功能基因表达，微生物群多样性组成、丰度、群落演替以及代谢通路的变化，并结合堆肥pH的改变，阐明硫和硫氧化细菌的加入对堆肥氮素转化调控机理，为硫和硫氧化细菌在控制堆肥氮素损失和臭气释放的应用以及堆肥技术工艺优化提供理论基础和依据。

好氧堆肥是实现有机固体废弃物无害化和资源化的良好选择。好氧堆肥中氮素转化不仅涉及到堆肥产品价值，更与臭气和温室气体释放息息相关。因此，明确堆肥氮素转化，控制堆肥过程中的氮素损失对于提高堆肥品质，减少大气污染都具有重要意义。.本项目利用硫磺和硫氧化细菌联合调控堆肥氮素转化，减少氮素损失和臭气释放。以氮转化微生物功能基因为分子标记基因，利用real-time RT-PCR和illumina高通量测序技术分别从转录水平和基因水平上研究氮转化微生物功能基因表达，微生物种群多样性组成变化，并结合堆肥pH的改变，阐明硫和硫氧化细菌的加入对堆肥氮素转化调控机理。研究结果表明：添加硫磺和T. thioparus 1904对堆肥的氮循环基因、氮素含量具有明显的调控作用。添加硫磺对于氮循环相关基因的表达活性与对照处理相比没有显著差异。但硫磺的添加能降低堆肥pH，减少NH3排放，从而减少氮素损失。添加T. thioparus 1904对于腐熟阶段的AOA、nxrA有明显的上调作用，可提高NO3-N含量，降低了堆肥氮素损失。联合添加硫磺和T. thioparus 1904对参与氮循环的6个基因的相对表达均有上调作用，并且其保氮效果最佳。相关性分析表明：联合添加硫磺和T. thioparus 1904的AOB、nxrA、nosZ与NO3--N具有正相关，AOA与NH3呈负相关关系，参与硝化作用和反硝化作用的基因表达均很活跃。堆肥臭气释放受堆肥pH和温度影响。添加硫磺可有效降低堆肥pH，从而使氨气释放和N的损失下降47.80%和44.23%，但是添加硫磺引起了含硫臭气释放增加和硫的损失。添加排硫硫杆菌1904可有效减少含硫气体的释放，同时减少氮的损失。联合应用硫磺和排硫硫杆菌可有效减少氨气和含硫气体的释放，氨气累计释放量减少63.33%。氮的损失减少71.93%，保氮除臭效果显著。通过illumina高通量测序结果表明：除了雷尔氏菌属 (Ralstonia)外，其他四种硫氧化细菌的丰度随着堆肥进入高温期均急剧下降，第7天左右降到最低值。而添加排硫硫杆菌的处理硫氧化细菌丰度基本保持高于其他两个处理。本研究结果为硫和硫氧化细菌在控制堆肥氮素损失和臭气释放的应用以及堆肥技术工艺优化提供理论基础和依据。