Chemical Engineering Journal | 我院王小芬教授团队在人粪尿资源养分还田途径上获得突破

标题：An ecological and economic approach to enhancing the agronomic quality of anaerobic digestate: Effects of adding agricultural Jiaosu on metabolism and the microbial community

中文标题：一种提高沼液农艺品质的生态经济途径：通过添加农用酵素影响代谢和微生物群落

作者：许书林，谷孝辉，吴琼，高游慧，蔡亚凡，马帅帅，郑泽慧*和王小芬*

通讯地址：中国农业大学生物质工程中心，齐鲁工业大学（山东省科学院）生物研究所

发表期刊：Chemical Engineering Journal

影响因子：16.744

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143648

沼液还田的困难限制了沼气工程的发展和粪污养分回归农田。目前主流的沼液处理方式是自然稳定后应用于农田。但是这个过程会导致养分和有益微生物的流失，且沼液成分复杂，目前缺乏全面的沼液农艺品质评估方法。因此沼液的农田施用仍存在风险。

为解决这一问题，中国农业大学王小芬团队和山东省科学院郑泽慧团队合作开展研究，并将成果发表在在工程领域国际顶级期刊Chemical Engineering Journal。该研究使用农用酵素处理人粪尿沼液，提高了沼液对小白菜的株高，鲜重和叶面积的促进效果。机理上，农用酵素有助于中和沼液的高pH并降低氨毒性，提高了施用后水分和养分的利用效率，也改变了沼液微生物群落结构，增加了对土壤或植物有益微生物的丰度，降低了可能存在潜在威胁微生物丰度。协同分析表明，微生物的变化与农艺品质具有更高的关联度。该研究解决了粪污还田困难的问题，对于节水减排，推进厕所革命和建设有机村庄具有重要意义。

该研究得到国家重点研发项目：晋北农牧交错带有机旱作生态循环提质增效技术模式与应用项目（项目号：2021YFD1901103）的支持。

该研究表明，含酵素的各处理均对小白菜的生长（Index of seeding quality）有促进作用，添加10%酵素的促进效果最为明显。该处理下，鲜重、干重和叶面积分别增加了30%、16%和50.6%。添加酵素后，发酵1个月的消化液促进了植物的生长。与目前主流的消化液自然保存3-6个月的方法相比，该研究缩短了储存时间，减少了储存空间，并取得了更理想的效果。

代谢上，酵素添加到沼液后，碳水化合物降解释放的挥发性脂肪酸，中和了沼液pH，并协助酵素招募有益微生物。沼液中过量的氨会导致植物根系细胞的pH功能紊乱和金属元素沉积，损害韧皮部的功能，抑制植物生长。而农用酵素的添加可能有助于促进沼液中的谷氨酸和谷氨酰胺的合成途径，实现氨浓度的降低。添加10%以上的酵素能使沼液游离氨降低到毒性阈值以下。另一方面，与沼液混合发酵也解决了酵素的低pH，高有机酸含量，施用时需要高倍稀释的问题。

微生物群落上，农用酵素的添加改变了沼液原本的微生物群落演替方向，巩固了优势微生物的地位，增加了Advenella，Trichococcus 和Comamonas等对土壤或植物有益微生物的丰度，降低了Thiiopseudomonas和Papillibacter等可能存在潜在威胁微生物丰度。

协同分析综合评估了沼液微生物的分类，群落，标记，丰度比例，以及它们与化学指标，植物生长和实验处理的关系。协同分析表明，厚壁菌门中的大多属对环境中TAN和FAN的变化敏感，而变形菌门中的很多属丰度与处理时间正相关，它们有潜力成为评价沼液成熟程度的标志微生物。此外协同分析还表明，农用酵素可能主要通过改变微生物群落来实现对沼液农艺品质的改良。

研究意义：

该研究首次揭示了农用酵素对沼液微生物群落和代谢作用机制，首次构建了综合评估微生物群落，化学性质和播种效果的沼液农艺品质评价体系，也是农用酵素改善人粪尿资源化途径的首次尝试。该研究发现，在共发酵中农用酵素与人粪尿沼液性质互补，共发酵有助于进一步挖掘二者的农用价值。在农业农村部严禁粪便直接还田的背景下，该研究提供了一种简便经济，便于在农村推广的粪污资源化方法，有助于实现肥水不流外人田。该技术能够与农村厕所革命结合，对于促进水肥循环和建设有机村庄有重要意义。

图文：许书林

责编：王小芬 张晨阳

审核：董朝斌