the inoculation of thermophilic heterotrophic nitrifiers improved the efficiency and reduced ammonia emission during sewage sludge composting
亲热异养硝化菌接种提升污泥堆肥效率并减少氨气排放
期刊：Chemical Engineering Journal，2024，479：147237
一、摘要总结
本研究从污泥高温堆肥物料中筛选3株耐高温异养硝化菌株复配为微生物菌剂（TM菌剂），将其接种至半透膜覆盖污泥堆肥体系，系统检测堆肥理化指标、氮素转化、微生物群落与代谢通路变化。结果显示接种菌剂可将高温维持时长由4天延长至7天，有机质降解率提升14.06%，腐殖化程度提高；累计氨气排放降低34.64%，堆肥硝态氮含量为对照组2.72倍，氮流失显著减少。菌剂驱动菌群演替，富集芽孢杆菌、热双歧孢等有机质降解菌，曲霉、 Cephalotrichum等病原菌丰度下降；功能基因分析表明体系硝化通路增强、反硝化过程受抑制，构建高效保氮代谢系统。该研究为污泥减污提质堆肥提供专用高温菌剂，证实接种耐高温异养硝化菌是兼顾堆肥效率与氮素留存的可行技术方案。
二、关键词
半透膜覆盖堆肥；污水污泥；高温异养硝化菌；氨气排放；氮损失；微生物菌剂；腐殖化
三、研究目的
筛选高效耐高温异养硝化菌株并复配功能菌剂；探究菌剂对堆肥温度、有机质分解、腐熟度、氮素挥发的影响；解析菌剂介导细菌、真菌群落演替规律；阐明碳、氮代谢功能通路与关键功能基因变化；揭示菌剂减少氨挥发、留存氮素的内在微生物机制。
四、研究思路
从污泥高温堆肥样品驯化分离高温异养硝化菌，测定各菌株氨氮去除效率、最适生长温度，经16S测序鉴定后复配TM复合菌剂；设置对照组（CK，无菌水接种）与接种组（TM），半透膜覆盖开展28天实验室箱式堆肥，定期采集样品；监测堆体温度、pH、挥发性固体、有机质、碳氮比、种子发芽指数；检测氨释放量、铵态氮、硝态氮、总凯氏氮，采用三维荧光表征可溶性腐殖质；对不同堆肥阶段样品进行细菌、真菌16S/ITS高通量测序，PICRUSt2预测碳氮代谢功能基因；结合Mantel检验、关联网络分析环境因子、微生物、功能基因相关性；采用Bioscreen高通量生长仪测定菌株生长曲线筛选耐热菌株。
五、研究亮点
筛选获得3株高氨氮去除耐高温芽孢类菌株，复配菌剂可显著延长堆高温期、加速有机质降解；明确菌剂双重控氮机制：强化硝化、抑制反硝化，大幅削减氨气挥发、提升成品氮含量；从真菌、细菌群落层面证实菌剂富集有机质降解菌、降低致病微生物丰度；利用三维荧光直观证明菌剂促进腐殖物质生成，加快堆肥腐熟；结合功能基因与关联网络完整阐明碳氮代谢微生物调控通路。
六、可延伸方向
优化菌剂配比与接种比例，降低应用成本；开展中试、现场规模化堆肥验证工艺稳定性；耦合生物炭、沸石等吸附材料协同控氨；改造菌株提升高温硝化耐受性能；探究该菌剂在畜禽粪、秸秆等其他有机固废堆肥适配性。
七、测量的数据、对应图表及研究意义
不同菌株氨氮去除效率、梯度温度生长数据，来自图1；意义筛选得到3株最优高温异养硝化菌株，确定菌剂基础组分。
堆体温度、pH、挥发性固体、有机质动态数据，来自图1；意义直观体现菌剂延长高温阶段、加速有机物料分解，缩短腐熟周期。
氨气累积排放、铵态氮、硝态氮、总氮含量时序数据，来自图2；意义定量证实菌剂减少氨挥发、促进铵态氮向硝态氮转化，降低总氮损失。
堆肥碳氮比、种子发芽指数、可溶性有机质三维荧光数据，来自图3；意义证明菌剂提升堆肥腐熟度，促进腐殖酸类物质积累，降低植物毒性。
堆肥全程细菌、真菌门与属水平群落丰度数据，来自图4；意义揭示菌剂驱动有益降解菌富集、病原菌丰度下降的群落演替规律。
碳氮代谢通路、氮转化功能基因丰度热图，来自图5；意义阐明菌剂上调硝化同化基因、下调反硝化基因的分子保氮机制。
环境因子、微生物类群、功能基因关联网络数据，来自图6；明确温度、碳氮比是调控菌群与氮代谢核心驱动因子。
八、研究结论
分离得到3株高效耐高温异养硝化芽孢菌株复配TM菌剂，接种半透膜污泥堆肥后可提升堆体峰值温度、延长高温维持时间，有机质降解效率显著提高；菌剂加速蛋白、木质纤维素类大分子分解，促进腐殖质生成，堆肥腐熟速度更快；菌剂通过提升体系硝化作用、抑制反硝化过程，大幅降低氨气挥发，减少堆肥氮流失，成品总氮含量显著高于对照组；接种重塑堆肥微生物群落，富集热稳定有机质降解菌，曲霉等致病微生物丰度降低；该复合高温异养硝化菌剂可同步实现污泥堆肥提质、除臭、保氮，具备实际工程应用价值。
九、芬兰bioscreen仪器微生物生长曲线数据解读
将分离菌株接种微孔板，设置35–75℃多温度梯度，仪器自动持续检测OD600生长曲线；拟合生长模型得到各菌株最适生长温度、生长速率，快速筛选耐高温优势硝化菌株；大批量同步平行测定多株菌耐热能力，大幅减少摇瓶实验工作量，为复合菌剂复配提供生长表型数据支撑。