Qualitative Assessment and Interrelation of Organic Carbon Transport and Bioactivity Characteristics During Natural Composting and Vermicomposting: Various Pig Manure/Straw Pellets Ratios
自然堆肥与蚯蚓堆肥过程中有机碳迁移及生物活性特征的定性评估与关联分析——不同猪粪/秸秆颗粒配比
来源：Fermentation 2026, 12, 98
1. 摘要
英文摘要核心
猪粪 / 秸秆颗粒不同配比下，自然堆肥（NC）与蚯蚓堆肥（VC）中有机碳组分转化途径及其与微生物活性的关联机制尚不明确。本研究设置 5 种猪粪（PM）/ 秸秆颗粒（SP）配比（100:0、75:25、50:50、25:75、0:100）开展 60 天堆肥试验，结果表明 **T2（75:25）** 因初始 C/N 比（31.65±0.99）适宜，堆肥效能最优；蚯蚓堆肥显著激活固氮、解磷、解钾细菌，提升氮磷钾生物有效性，VC-T2 组水解与氧化酶活性达峰值，证实该配比为蚯蚓与微生物提供最优营养结构平衡；细菌丰度与酶活性、木质素与溶解性有机碳、颗粒有机碳与矿物结合态有机碳均呈强相关性，揭示微生物介导的碳稳定化机制。研究明确了猪粪 - 秸秆颗粒废弃物资源化的关键配比，从机制层面建立蚯蚓 - 细菌互作与碳固存途径的关联。
2. 关键词
蚯蚓堆肥；有机碳组分；酶活性；细菌群落；废弃物资源化
3. 研究目的
（1）追踪自然堆肥与蚯蚓堆肥过程中肥力特征、有机碳组分的动态变化；
（2）量化主要水解酶、氧化酶活性及其与有机碳转化的关联关系；（3）解析细菌群落演替规律，阐明微生物类群与有机碳稳定化途径的功能关联；
（4）揭示蚯蚓在猪粪 - 秸秆颗粒资源化过程中的作用，明确底物配比对碳组分转化与微生物功能网络的调控机制。
4. 研究思路
以猪粪、秸秆颗粒为原料，设置5 种 PM/SP 干重配比（T1-T5），分别设置无蚯蚓的自然堆肥（NC，对照组）、添加赤子爱胜蚓的蚯蚓堆肥（VC，处理组），60 天试验周期内于 0、15、30、45、60 天采样；系统测定肥力指标、有机碳组分、水解 / 氧化酶活性、可培养功能细菌群落；结合单 / 双因素方差分析、Pearson 相关、Mantel 检验、结构方程模型（SEM），对比两种堆肥方式的差异，筛选最优底物配比，解析蚯蚓介导的有机碳转化与微生物互作机制。
5. 研究亮点
（1）首次系统探究猪粪 / 秸秆颗粒梯度配比下，自然堆肥与蚯蚓堆肥中有机碳迁移、生物活性的耦合关系；
（2）明确75% 猪粪 + 25% 秸秆颗粒（T2）为最优配比，初始 C/N≈31.65 可同时适配蚯蚓生存与微生物代谢；
（3）揭示蚯蚓通过物理破碎、肠道酶促、黏液激发效应，协同功能细菌提升酶活与养分生物有效性；
（4）通过 SEM 证实蚯蚓驱动活性有机碳库向矿物结合态稳定碳库转化，耦合微生物碳泵 + 埋藏效应强化碳固存；
（5）量化蚯蚓 - 细菌互作对碳转化的调控机制，为农业有机废弃物低碳资源化提供理论与实践支撑。
6. 可延伸研究方向
（1）采用多组学技术解析蚯蚓肠道 “生物反应器” 的基因表达与代谢通量；
（2）利用先进光谱技术可视化蚯蚓粪团聚体中有机 - 矿物结合的微观 “埋藏效应”；（3）开展长期田间试验，验证蚯蚓堆肥形成的矿物结合态有机碳在土壤中的持留性及全球碳固存贡献；（4）优化蚯蚓堆肥原料预处理、温湿度、接种量等工艺参数，降低工程化运营成本；
（5）拓展其他畜禽粪便 + 秸秆类废弃物的配比筛选与蚯蚓堆肥适配性研究。
7. 测量数据、对应图表及研究意义
（1）猪粪与秸秆颗粒初始肥力、有机碳组分（表 1）：测定 TOC、TN、C/N、有效磷、木质素、DOC、MAOC、POC、MBC，明确原料理化与碳组分基底差异，为配比设计提供数据支撑；
（2）堆肥过程肥力与有机碳组分动态（图 2、表 S2）：监测 60 天 TOC、TN、C/N、木质素、POC、MAOC、DOC、MBC、有效磷变化，反映有机质降解、养分矿化与碳库转化规律，验证蚯蚓堆肥优于自然堆肥、T2 配比最优；
（3）总细菌及功能细菌数量动态（表 2、图 3、表 S3-S9）：测定总细菌、纤维素降解菌、木质素降解菌、乳酸菌、醋酸菌、固氮 / 解磷 / 解钾细菌数量，揭示蚯蚓对功能微生物的富集作用，关联养分循环与难降解有机物降解；
（4）水解 / 氧化酶活性及综合酶活指数（GMea）（图 4、表 S10-S15）：测定锰过氧化物酶、漆酶、纤维素酶、蔗糖酶、β- 葡萄糖苷酶及 GMea，反映微生物代谢强度与有机物分解能力，证实蚯蚓堆肥酶活更高、T2 组酶系活性最优；
（5）微生物 - 碳组分 - 酶活关联、碳转化路径（图 5）：通过 Mantel 检验、SEM 解析底物配比、群落、酶活、碳组分的耦合关系，量化蚯蚓对有机碳转化路径的调控，阐明碳稳定化机制。
8. 研究结论
（1）最优配比：猪粪：秸秆颗粒 = 75:25（T2）为最佳配比，初始 C/N≈31.65，蚯蚓堆肥中 TOC 降解 58.6%、TN 累积 63.9%、C/N 降低 74.8%，有机降解与腐殖化效率最高；
（2）蚯蚓的增效作用：蚯蚓堆肥显著提升固氮、解磷、解钾等功能细菌丰度，增强水解 / 氧化酶活性，大幅提高氮、磷、钾养分生物有效性；（3）碳转化机制：蚯蚓通过物理破碎、肠道筛选、黏液激发效应重塑细菌群落，强化微生物介导的有机碳矿化、团聚与重分配；（4）碳固存优势：蚯蚓堆肥构建 “活性碳库→矿物结合态稳定碳库” 的高效转化路径，耦合微生物碳泵与埋藏效应，提升长期碳固存能力；
（5）工艺适用性：蚯蚓堆肥对原料配比波动的耐受性更强，工艺更稳健，更适合农业有机废弃物规模化资源化利用。
9. 芬兰 Bioscreen 仪器微生物生长曲线数据的研究意义（详细解读）
芬兰 Bioscreen 为全自动微生物生长曲线分析仪，可实时、高通量监测微生物 OD 值，获取生长延滞期、对数期、稳定期、最大生长速率、最大生物量等核心参数，结合本研究其数据意义如下：
（1）实时定量生长动态：替代传统平板计数的间断式检测，连续记录纤维素降解菌、木质素降解菌、固氮 / 解磷 / 解钾细菌等功能菌群的生长曲线，精准反映不同 PM/SP 配比、自然堆肥 / 蚯蚓堆肥下微生物的生长速率、代时，直观验证 T2 配比最适配微生物增殖；（2）量化蚯蚓促生效应：对比 NC 与 VC 的生长曲线，明确蚯蚓通过肠道消化、黏液分泌、生物扰动，缩短微生物延滞期、提升对数期生长速率与稳定期生物量，量化蚯蚓 - 细菌的协同增效作用；（3）支撑机制解析：生长曲线数据可直接关联酶活、有机碳组分数据，为 Mantel 检验、SEM 分析提供连续、精准的微生物动态基础数据，强化 “底物配比→微生物生长→酶活→碳转化” 的机制链条；（4）降低试验误差：避免平板计数的人为操作误差与培养偏差，提升微生物数据的可靠性与重复性，保障研究结论的科学性；（5）指导工艺优化：基于生长曲线快速筛选最优底物配比、温湿度、接种量，为蚯蚓堆肥的工程化、标准化调控提供实时数据支撑。