我国动物蛋白生产量高达世界总产量20%，畜禽粪便产生量亦十分巨大，达40亿吨/年。高温好氧堆肥技术是实现畜禽粪便无害化处理，将其转化为有机肥料，实现农牧循环的重要技术。然而，饲料添加剂中重金属残留、堆肥产品腐殖化程度低、堆肥过程氨气和温室气体排放量高等问题，严重危害畜禽粪便肥料化利用的安全性以及大气环境质量。传统处理方式以外源添加剂为主，技术成本高，效果不稳定，难以实现规模化应用。因此，长期以来高效易行、绿色环保、安全高质的堆肥技术及产品是国内外研究的热点。
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心研究员马林课题组针对上述问题，从堆肥生化反应氧化还原过程本质出发，创新引入外源电场，系统研究了强化堆肥电子传递过程对堆肥微生物腐殖质的合成、重金属的形态以及氨气和温室气体排放的影响。
电场作用对堆肥微生物腐殖质、重金属形态影响的研究表明，堆肥中总细菌丰度和与细菌代谢相关的通路显著提高，微生物活动增强，并通过加速有机质降解来满足自身代谢需求。电场辅助改变了细菌菌群结构，提高了放线菌门丰度，加速有机质（尤其是大分子物质）降解形成小分子有机碳，用于腐殖质的形成。电场作用下，腐殖质和腐殖酸的含量分别显著提高19%和69%，腐殖酸结合态的铜、锌、砷和镉含量分别提高了34%、41%、29%和135.1%。腐殖酸和腐殖酸结合态重金属表现出显著的正相关关系（r2=0.60-0.87），表明电场辅助可通过提高腐殖质含量，强化堆肥中重金属钝化能力，创新性地提出了堆肥重金属钝化的内修复新技术。相关研究成果以an electric field immobilizes heavy metals through promoting combination with humic substances during composting为题，在发表。
图1. 总细菌丰度变化（a）；picrust2预测的kegg代谢相关的代谢通路（b），其中正值和负值分别表示与对照处理（ck）相比，低电压（l）和高电压（h）处理下kegg代谢通路被上调和下调；堆肥产品腐殖质、腐殖酸和富里酸含量变化（c）；堆肥产品中腐殖酸和腐殖酸结合态重金属的关系（d）
图2.同位素图谱技术能够分析不同处理在不同取样时间可能的微生物途径（a）：nd、hd、fd和nn所在的箱子分别表示硝化细菌反硝化、异养反硝化、真菌反硝化和硝化细菌硝化；混合模型中两个情景下异养硝化途径产生n2o的还原比例（b）；基于picrust2分析的硝化细菌反硝化相关的metacyc代谢通路（c）
图3.硝化（arch-amoa、bac-amoa、nxra）和反硝化（nrag、nirk、nirs、nosz）功能基因丰度变化（a-g）；导电物质介导电场辅助堆肥过程氮转化及n2o产生机制图（f）
研究团队单位：遗传发育所农业资源研究中心
