東北地理所在好氧堆肥中重金屬的鈍化機制與調控研究中取得進展
農業廢棄物的合理利用是美麗鄉村建設和循環農業發展的關鍵所在。目前，好氧堆肥是最常用的農業廢棄物資源化技術。規模化養殖中重金屬添加劑的大量使用，已成為限制堆肥產品資源化利用的瓶頸。堆肥過程中微生物快速分解有機質，堆肥物料發生劇烈的物理、化學和生物變化。重金屬的形態將發生怎樣的變化？探明堆肥過程中重金屬形態變化及關鍵影響機制，形成有效降低重金屬生物可利用性及潛在風險的堆肥技術體系，成為促進畜禽廢棄物循環利用的關鍵所在。
中科院東北地理所水環境污染與防治學科組以畜禽糞便好氧堆肥過程中重金屬為研究對象，系統的分析堆肥過程中重金屬的形態變化關鍵影響機制。研究結果表明，不同堆肥工藝條件下（不同碳氮比和不同物料配比），有機質是影響重金屬形態再分配的關鍵影響因子；為強化重金屬的鈍化效果，篩選了物理化學型鈍化劑（生物炭和沸石）和營養型鈍化劑（硼泥和磷礦粉），均可提高重金屬的鈍化效率（2%-40%），其中鈍化效果對于不同的金屬作用不一：Cu>Cd>Pb>Zn>Cr。生物炭改變高溫期微生物群落，直接或者間接地影響重金屬的生物可利用性（圖1.A）；磷礦粉通過增加可溶性磷濃度，進而改變堆肥高溫期菌群結構，促進堆肥的腐殖化過程而改變重金屬的生物可利用性（圖1.B）；不同粒徑的外源添加劑可通過增加吸附比表面積和改善堆體孔隙結構，影響堆肥重金屬的鈍化效果；大顆粒的添加劑通過改善堆體孔隙結構，促進腐殖質的生成而強化了重金屬的鈍化效率，這也表明堆肥中外源添加劑的作用主要依靠有機質對重金屬的結合固定而非表面吸附沉淀的作用（圖2）。
圖1 外源添加劑對堆肥微生物群落結構影響（A:生物炭添加；B:磷礦粉添加）
圖2 堆肥過程中重金屬生物有效性的主控因子
該系列研究從堆肥進程中微生物群落結構演替、物質分解轉化、重金屬吸附共沉淀固定等角度，識別了不同外源添加劑對重金屬的形態變化的關鍵影響因子，為深度揭示堆肥進程中重金屬鈍化機制提供理論依據，并為堆肥及土壤修復中重金屬的調控指明了方向。
以上研究由東北地理所崔虎博士生、王莉霞研究員、歐洋副研究員、閻百興研究員等共同完成。研究結果先后發表在國際環境科學領域主流學術期刊Journal of Hazardous Materials, Journal of Environment Management, Waste Management, Journal of Integrative Agriculture, Bioresource Technology上。該研究得到了國家重點研發計劃（2018YFD0500205）和中國科學院戰略性先導研究（XDA23070502）項目的聯合資助。
1.Cui H., Ou Y., Wang L.X.*, Yan B.X., Li Y.X., Bao M.W. Critical passivation mechanisms on heavy metals during aerobic composting with different grain-size zeolite. Journal of Hazardous Materials. 2020, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat. 2020.124313
2.Wang L.X, Liu H.T., Prasher S.O., Ou Y., Yan B.X, Zhong R.Z. Effect of inorganic additives (rock phosphate, PR and boron waste, BW) on the passivation of Cu, Zn during pig manure composting. Journal of Environmental Management, 2021, 285,112101, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112101
3.Cui H., Ou Y., Wang L.X.*, Yan B.X., Li Y.X., Ding D.W. The passivation effect of heavy metals during biochar-amended composting: Emphasize on bacterial communities. Waste Management, 2020, 118:360-368
4.Cui H., Ou Y., Wang L.X.*, Yan B.X., Li Y.X., Ding D.W. Phosphate rock reduce the bioavailability of heavy metals by influencing the bacterial communities during aerobic composting. Journal of Integrative Agriculture, 2021, 20(5): 2–11
5.Wang L.X., Li Y.X., Prasher S. O., Yan B.X., Ou Y., Cui H., Cui Y. Organic matter, a critical factor to immobilize phosphorus, copper, and zinc during composting under various initial C/N ratios. Bioresource Technology, 2019, 289, 121745.
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