我国畜禽粪便和秸秆等农业废弃资源的年产生量超过50亿吨，好氧堆肥技术是其资源化和无害化最主要的手段之一。然而，畜禽粪便中腐殖酸前体物质产率低、木质纤维素降解难、重金属生物有效性较高，导致堆肥腐熟慢、生产能耗高、二次污染严重、肥效差等问题，严重制约了资源化绿色高效转化与利用成效。调控堆肥定向快速腐殖化并去除/钝化重金属等污染物，是有机肥产业发展的需求和引领性方向。

近日，资环所靳红梅研究员团队在环境工程技术领域权威期刊Bioresource Technology (一区Top期刊，IF 11.4)上发表了题为“Hydrochar drives reduction in bioavailability of heavy metals during composting via promoting humification and microbial community evolution”的研究成果。该研究报道了水热炭材料添加可加速堆肥腐殖酸的形成，显著提高了与腐殖化和重金属钝化相关的细菌菌群活性，通过腐殖酸络合和微生物吸收降低了重金属的生物有效性。研究结果为提升堆肥品质与安全提供了理论和技术支撑。

图1 水热炭促进堆肥腐殖酸形成和重金属生物有效性降低的机理

添加剂使用是促进堆肥腐殖酸形成、提高重金属钝化效果的有效策略。近年来，水热炭（Hydrochar）是一种制备能耗低、产率高、无需干燥预处理的新型生物炭，具有多孔结构和大量溶解性有机质，可为堆肥过程中的微生物提供适宜的栖息地。研究发现，水热炭添加促进了堆体温度升高，堆肥过程腐殖化程度明显增加，堆肥结束时腐殖酸含量相比对照提高7.3%，胡富比提高52.9%（图2）；锌、铜、铅和镍的生物有效态（DTPA-Zn、DTPA-Cu、DTPA-Pb和DTPA-Ni）含量较对照显著（p<0.05、0.01或0.001）降低，堆肥结束时降幅分别为19.2%、36.3%、37.8%和27.1%（图3）。

图2 水热炭强化好氧堆肥腐殖化程度

图3 水热炭强化好氧堆肥重金属生物有效性降低

研究进一步从化学层面和生物层面揭示了堆肥过程中重金属生物有效性降低的机理。水热炭添加主要通过影响微环境（如温度）显著改变了细菌群落的组成和多样性，提高了与腐殖化和重金属钝化有关的细菌类群相对丰度，从而促进了腐殖酸的形成，并通过腐殖酸络合和微生物吸收降低了重金属的生物有效性。研究为降低堆肥过程重金属的生物毒性提供理论和技术支撑。

图4 水热炭添加提高了堆肥体系中与腐殖化和重金属钝化有关的细菌类群相对丰度

江苏省农业科学院为论文第一署名单位，资环所龙玉娇博士为论文第一作者，靳红梅研究员为通讯作者。该研究得到江苏省农业科技自主创新资金项目、国家自然科学基金项目、江苏省重点研发计划项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130335

农业废弃物资源化利用创新团队长期从事农业废弃物资源化与污染防控技术和产品研发。近年来，团队重点围绕秸秆和畜禽粪便肥料化和基质化，以及重金属、抗生素及抗性基因和臭气减控等方面进行了机制研究和瓶颈技术攻关，并开发了基质块/盘/毯/膜/钵/蛋托等系列绿色低碳秸秆纤维基农用制品。研究成果已在Bioresource Technology、Science of The Total Environment、Biochar、Journal of Cleaner Production、Waste Management、Ecotoxicology and Environmental Safety等国际权威期刊上发表。堆肥与材料化技术授权美国和欧洲发明专利3件（专利号：US11235305B2、US11633714B2、EP3542896）。研究成果可广泛应用于有机肥企业、秸秆综合利用、养殖场污染治理、粪污集中处理中心等场景需求。

农业废弃物资源化利用创新团队

绿色低碳型系列秸秆纤维基农用制品

秸秆基质块无盘育秧根系盘结及应用示范