近日，我院张嘉超教授课题组博士生王男伊在有机固废生物转化领域取得重要突破性成果，相关研究论文"Assessment of the combined response of heavy metals and human pathogens to different additives during composting of black soldier fly manure"近日发表于环境领域权威期刊《Journal of Hazardous Materials》（中国科学院I区，SCI 2023 IF=12.2）。

该研究针对黑水虻转化鸡粪产生的虫沙资源化利用难题，系统构建了生物炭、腐殖酸和茶叶渣等多源添加剂调控堆肥体系，揭示了堆肥过程中重金属有效性、形态转化与病原菌灭活的耦联机制，并运用网络分析技术解析了污染物协同消减的关键驱动因子，为畜禽养殖废弃物绿色资源化提供了重要理论支撑。

生物转化技术因其可持续性优势已成为畜禽粪便资源利用的重要途径。黑水虻幼虫通常以厨余、粪肥、腐肉等为食，能高效转化鸡粪等有机废物形成虫沙。然而，许多学者发现虫沙通常没有达到完全成熟，直接施用不稳定的虫沙到土壤中不仅会降低土壤养分利用率，导致作物受损，还可能引发致病菌的增殖。本研究以黑水虻生物转化鸡粪得到的虫沙为主要原料，以木屑，秸秆，菜叶（7:3:2:2）为辅助原料。以5%的生物炭、腐殖酸和茶叶渣作为添加剂开展好氧堆肥试验，并对堆肥过程中重金属有效性和形态的动态变化以及致病菌多样性和丰度进行了分析。研究表明，生物炭对Zn和As的有效性抑制作用更为显著，抑制率分别为58.9%、51.7%。腐植酸和茶叶渣分别显著降低了Zn（60.8%）和As（42.5%）的有效性。腐植酸和茶叶渣对重金属生物利用度指数（BI）的抑制作用强于生物炭。

图1 添加不同添加剂后堆肥中重金属有效性（a-f）和形态（g-l）的变化；堆肥生物利用度指数变化率（m）。“+”或“-”表示第45天重金属生物利用度指数较第1天增加或减少。

研究表明，堆肥能有效抑制病原菌的繁殖。腐植酸对病原细菌生长的抑制作用更大，生物炭对病原真菌有更明显的抑制效果。随着堆肥的进行，Acinetobacter（不动杆菌）和 Comamonas（单胞菌）在生物炭和腐植酸的作用下几乎被消除。除此之外，添加剂降低了大多数致病细菌和真菌属的丰度，包括Klebsiella（克雷伯氏菌）、Citrobacter（柠檬酸杆菌）、Candida（念珠菌）、Fusarium（镰刀菌）。根据NMDS分析表明生物炭和腐植酸对病原真菌群落的影响较为显著。

图2 基于致病菌OTU数量的Upset图（a：细菌，b：真菌）；致病菌的Simpson，Shannon，Chao1，ACE分析（c, d：细菌，e, f：真菌）；致病菌的NMDS分析（g：细菌，h:真菌；使用permanova进行显著性分析）；不同处理和天数下致病菌的聚类分析（i：细菌，j:真菌）。

该研究还基于网络分析，RDA和Mantel技术解析了污染物协同消减的关键驱动因子，发现堆肥有机质、电导率、温度等因素对病原细菌丰度影响显著。有机质、pH、电导率、重金属Cr、Zn、Cu的有效态的变化对病原真菌有明显的影响。

图3 理化性质、重金属有效性、病原菌的Mantel分析（a）；致病细菌（b），真菌（c）与理化性质和重金属有效性的冗余分析。红色空心箭头表示主要影响因子，绿色箭头表示不显著因子，粉色三角形表示致病菌，不同的处理和采样时间分别用不同的颜色和数字表示；致病细菌（d），真菌（e），理化性质和重金属有效性的网络分析。绿线表示正相关，红线表示负相关。

该研究得到了国家重点研发计划（No. 2023YFD1301403）、国家自然科学基金（No. U20A2086）、湖南省自然科学基金杰出青年基金（No. 2023JJ10022）和亚洲开发银行贷款农业综合开发长江绿色生态廊道项目（No. L3740）等基金的共同资助。

作者简介

第一作者：王男伊，湖南农业大学环境与生态学院2023级生态学专业博士研究生。主要研究方向为农林有机固体废物好氧堆肥。发表SCI论文10余篇，其中以第一作者在J. Hazard. Mater.、Bioresour. Technol.、J. Environ. Manage.等期刊上发表SCI论文6篇。主持校研究生科研创新项目1项。曾获得2022年硕士研究生国家奖学金、2023届湖南农业大学创新创业优秀毕业生、2023-2024年度湖南农业大学优秀研究生等多项荣誉。

通讯作者：何流琴，博士，教授，博士生导师，中国畜牧兽医学会动物营养学分会理事和中国饲料工业协会标准委员会委员。入选国家级青年人才工程、湖南省科技领军人才、中国科协青年托举人才工程、湖湘青年英才、湖南省优青等人才项目。长期从事生猪健康养殖与环境控制研究，主持“十四五”国家重点研发计划课题，国家自然科学区域创新联合重点基金、面上和青年基金，湖南省重点研发等国家及省部级项目10余项。近五年以第1作者或通讯作者身份在Molecular Therapy、Gut Microbes、Trends in Endocrinology、Metabolism等国际动物营养领域著名学术期刊发表SCI论文近40余篇，主编或参编中英文专著 6部。以第1发明人授权欧洲等国际发明专利8项和国内专利10项，以及国家软件著作权9项，并实现多项发明专利成果转化。获湖南省青年科技奖、中国农学会青年科技奖、中华环保联合会科技进步特等奖、神农中华农业科技一等奖等省部级科技奖项。通讯邮箱：heliuqin@hunnu.edu.cn。

通讯作者：张嘉超，博士，教授，博士生导师，主要从事秸秆粪污等农业有机固废资源化过程温室气体减排和污染物高效削减方面的工作。湖南省自然科学基金杰出青年，岳麓山实验室畜禽品种创制中心畜禽粪污资源化PI，国务院-教育部学术新人奖获得者，湖南省青年骨干教师，湖南农业大学1515骨干人才。入选2021、2022年度“全球高被引科学家”，2021全球环境科学高产作者（Top100）。近5年主持/参与国家自然科学基金、国家自然科学基金区域（湖南）创新发展联合基金、国家重点研发计划项目等3项，湖南省重点研发计划项目3项、湖南省自然科学基金项目2项、湖南省教育厅优秀青年基金项目1项等。在J. Hazard. Mater.、Bioresour. Technol.、Carbon Res.、Environ. Res.、J. Environ. Manage.等国际期刊发表论文80余篇，ESI高被引或热点论文20篇，Web of Science总引8000余次，H指数58。通讯邮箱：jiachao.zhang@163.com。