近期，我院张嘉超教授团队聚焦我国畜禽粪污资源化利用与农业绿色发展这一重大需求，围绕黑水虻虫沙等粪污基质在堆肥腐殖化过程中的温室气体协同减排、抗生素抗性基因削减、重金属风险控制等关键科学问题开展了系统性研究，取得了一系列创新成果。在生态环境领域权威期刊Journal of Hazardous Materials、Bioresource Technology、Environmental Research、Journal of Environmental Chemical Engineering‌等发表多篇高水平论文，为构建低碳、安全、高效的有机肥技术体系提供了重要理论支撑。具体研究成果如下：

（一）评估了不同添加剂对黑水虻虫沙堆肥中重金属与病原微生物的协同削减效应

黑水虻生物转化畜禽粪便产生的虫沙虽富含有机质和养分，但直接施用存在高盐分、高发酵性及植物毒性等风险。堆肥是将其转化为稳定有机肥的有效途径，但过程中伴随的温室气体排放是亟待解决的瓶颈。研究团队系统揭示了三种添加剂在黑水虻虫沙堆肥过程中对重金属钝化和病原微生物削减的联合响应机制。在重金属钝化方面，生物炭对锌（Zn）有效性抑制率达58.9%、对砷（As）达51.7%，其多孔结构和表面官能团通过吸附、离子交换和络合作用显著降低重金属迁移性；腐殖酸对Zn有效性抑制率达60.8%，其丰富的羧基和酚羟基活性基团可与重金属离子形成稳定络合物；茶渣对As有效性降低42.5%，其表面羧基和胺基功能团可特异性结合重金属。在病原微生物控制方面，堆肥结束时三种添加剂均显著削减病原微生物负荷，其中病原细菌总数降低80.1%至96.0%，病原真菌削减41.4%至99.9%，腐殖酸和生物炭在抑制病原菌繁殖方面表现尤为突出。进一步分析发现，有机质（OM）、电导率（EC）和温度是影响病原细菌群落的关键环境因子，OM、pH、EC以及Cu、Zn、Cr等重金属形态则与病原真菌群落显著响应。该研究为黑水虻粪肥堆肥过程中重金属-病原微生物复合污染的同步削减提供了技术参数与环境调控靶点（Journal of Hazardous Materials, 2025, 493, 138347）。

图1 不同添加剂对堆肥中重金属有效性（a-f）和形态（g-l）的影响；（m）堆肥中重金属生物利用度指数的变化率（A：对照组，B：生物炭，C：腐殖酸，D：茶渣）

（二）揭示了不同添加剂对黑水虻虫沙堆肥腐殖化与CH4，CO2排放的差异化调控机制

研究团队系统比较了生物炭、腐殖酸和茶渣三种添加剂对虫沙堆肥腐殖化进程及CO2、CH4排放的影响。结果表明，腐殖酸通过增加芳香环上的取代基，显著加速了腐殖化进程，使胡敏素（HS）含量提升29.71%；生物炭和腐殖酸则分别使CH4排放减少40.67%和48.28%。光谱分析（3D-EEM、FTIR、UV-Vis）表明，生物炭和茶渣通过增加高度芳香化结构比例促进腐殖化，而腐殖酸则通过增加芳香环取代基加速腐殖化进程。CO2排放与真菌代谢及功能基因介导的生物过程显著相关。该研究揭示了不同添加剂通过调控微生物群落结构与功能基因表达影响碳代谢与温室气体排放的深层机制，为黑水虻虫沙低碳、高效堆肥提供了理论依据（Bioresource Technology, 2026,457, 134962）。

图2 通过PARAFAC分析鉴定出的HA（a-c）和FA（d-f）的三组分EEM光谱，以及HA（g）和FA（h）在三个组分的荧光强度（Fmax）占比。HA（i）和FA（j）中腐殖化指数（HIX）和荧光指数（FI）含量的变化（A：对照组，B：生物炭，C：腐殖酸，D：茶渣）

（三）解析了添加剂通过调控氮循环关键酶与功能基因影响N2O排放的微生物学机制

该研究系统阐明了生物炭、腐殖酸和茶渣三种添加剂对黑水虻（BSF）粪便堆肥过程中氮转化、N2O排放及相关酶活性与功能基因的调控机制。研究发现，三种添加剂均能显著抑制N2O排放，其中茶渣的抑制效果最显著（88.25%），其次是生物炭（66.89%）和腐殖酸（54.11%）。其内在机制在于，添加剂通过优化堆肥环境（如改善通气性、提供碳源和电子穿梭体），调节了氮循环相关功能基因（如nirK、amoA、amoB、nosZ）的丰度，并增强了关键酶的活性，从而促进了氮的同化与反硝化过程，有效减少了N2O的产生与排放。该研究为黑水虻粪便堆肥的生态可持续管理提供了理论依据和技术支撑（Environmental Research, 2026, 289, 123339）。

图3 堆肥过程中不同基因的绝对丰度

（四）阐明了不同添加剂对虫沙堆肥中抗生素抗性基因与重金属抗性基因的差异化削减机制

系统比较了三种添加剂对黑水虻虫沙堆肥过程中抗生素抗性基因（ARGs）、移动遗传元件（MGEs）、重金属抗性基因（HMRGs）及毒力因子（VFs）的差异化削减效应。研究结果表明，腐殖酸对抗性基因和移动遗传元件的抑制效果最为突出，其中整合子基因intI1去除率高达95.6%，大环内酯类抗性基因MLS(B)丰度降低80.5%，毒力因子最终抑制率达86.3%。网络分析揭示，腐殖酸最显著地抑制了ARGs之间的共现关联，有效阻断了水平基因转移路径。其分子机制在于腐殖酸通过物理包封、空间位阻效应以及吸附胞外DNA（eDNA）等多重机制切断抗性基因传播途径。与此同时，生物炭对重金属抗性基因（如砷抗性基因arsC、铜抗性基因copA等）表现出最强的抑制作用，其内在机制在于生物炭通过表面官能团络合、离子交换和孔隙吸附等途径实现重金属有效态钝化，降低重金属生物可利用性，从而减弱重金属与抗生素抗性基因之间的共选择压力。该发现揭示了”金属形态-功能基因-微生物选择”的三角耦合关系，突破了以往将重金属与ARGs作为独立风险因子分别研究的局限（Journal of Hazardous Materials, 2026, 514, 142721）。

图4 （a）对照组、（b）生物炭、（c）腐殖酸和（d）茶渣处理条件下，抗药性基因（ARGs）、移动式基因元件（MGEs）及关键细菌宿主的共现网络（e）ARGs风险分类

（五）揭示了生物炭与生物酵素在茶渣-鸡粪共堆肥中的减排效果差异及微生物演替驱动机制

系统阐明了生物炭单独添加可通过优化堆体孔隙结构、选择性富集反硝化菌（如Pseudomonas）及吸附N₂O，使N₂O和CO₂累积排放量分别降低34.3%和12.2%；而生物酵素虽加速有机质矿化与堆肥腐熟，却因强化硝化与反硝化反应而增加CH₄和N₂O排放。联合添加生物炭与菌剂虽可优化堆肥理化环境、提升腐熟度，但并未带来额外的温室气体减排效益。冗余分析与偏最小二乘路径模型进一步揭示，溶解性有机碳是驱动细菌群落演替的关键环境因子（p < 0.01），氮转化过程是N₂O排放的主控因子（p < 0.05），温度对CH₄排放具有显著直接影响（p < 0.001）；功能属（Pseudoxanthomonas、Cellvibrio等）通过碳氮代谢途径调控温室气体排放。据此提出差异化策略：以快速稳定化为目标时推荐联合添加，以碳足迹削减为核心目标时则宜单独施用生物炭（Journal of Environmental Chemical Engineering, 2026, 14, 122342）。

以上研究得到了湖南省自然科学基金杰出青年项目（2023JJ10022）、国家重点研发计划（2023YFD1301403）、国家自然科学基金区域创新重点项目（U20A2086）、岳麓山实验室培育项目（YLS-2025-ZY04052）、亚洲开发银行贷款长江绿色生态廊道综合农业发展项目（L3740）、国家生猪技术创新中心培育项目（NCTIP-XDB18）、湖南省智能农机装备创新研发项目等项目基金的共同资助。

我校罗琳教授、贺喜教授、周耀渝教授、李新平教授、颜丙花教授、陈安伟教授、黄红丽副教授、张立华副教授及中科院亚热带所何流琴研究员、赵曦晨助理研究员和中国农科院区划所杨晓梅助理研究员、国家生猪技术创新中心（重庆）齐仁立研究员等共同参与了相关工作。

张嘉超，男，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。入选2021、2022年度“全球高被引科学家”。近5年主持或负责国家自然科学基金项目2项、国家重点研发计划项目1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。

何流琴，女，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、神农中华农业科技奖一等奖等省部级科技奖项。

赵曦晨，男，现为中国科学院亚热带农业生态研究所助理研究员/博士后，主要从事单胃动物营养、种养结合及种养循环生态农业模式等领域的研究；先后主持和参与国家自然科学基金、原国家973、中科院STS计划项目、赢创德固赛和国家生猪技术创新中心先导科技项目B类等国家级、省部级和企业横向合作项目10余项；先后在Anim. Nutr.、Poultry Sci.、Future Foods、J. Environ. Chem. Eng.等行业国际知名期刊发表SCI论文20余篇，申请国家发明专利1项；先后担任J. Anim. Sci.、Poultry Sci.、J. Agr. Food Res.、Biol. Trace Elem. Res.等多个SCI期刊审稿人。

王男伊，女，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资源化利用。共发表SCI论文20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7篇；主持省级研究生科研创新项目1项，校级研究生科研创新项目1项；参与湖南省大学生创业投资基金项目并立项1次；作为核心成员参与国自然科学基金区域创新发展联合基金项目；以项目负责人的身份参与并获得环境与生态学院“挑战杯”大学生创业大赛一等奖、湖南省大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖；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届湖南省优秀硕士论文、2024—2025年度湖南农业大学优秀研究生标兵等多项荣誉；同时担任J. Hazard. Mater.、Bioresour. Technol.、等多个SCI期刊审稿人。

贺勇，男，2023级资源与环境专业硕士研究生，主要研究方向为黑水虻虫沙堆肥温室气体减控与资源化安全利用。以第一作者在环境与生态领域高水平期刊Environ. Res.发表SCI论文1篇；以第二作者在J. Hazard. Mater和J. Environ. Manage.各发表SCI论文1篇。曾获校级优秀团员（2023—2024）、2024年团学组织"优秀个人"、校级优秀研究生（2023—2024）、研究生A类奖学金（2023—2024）；获湖南省大学生节能减排社会实践与科技竞赛省三等奖2次、"创青春"青年碳中和创新创业大赛华中赛区区域赛二等奖2次，湖南农业大学第十届大学生创新大赛青红旅赛道公益组二等奖、第十一届大学生创新大赛研究生创意组一等奖、2025湖南农业大学“仁和环境企业奖学金”等。

何文娟，女，2023级环境科学与工程专业硕士研究生，主要研究方向为有机固废堆肥资源化。共发表SCI论文4篇，其中以第一作者在环境与生态领域高水平期刊J. Environ. Chem. Eng.发表SCI论文1篇。曾获2025年硕士研究生国家奖学金、湖南农业大学“优秀研究生”（2024—2025）、“优秀研究生干部”（2024—2025）、“优秀学生干部”（2024—2025）、“优秀团干”（2023—2024）和“优秀志愿服务组织者”（2024—2025）等多项荣誉；获湖南农业大学第十一届大学生创新大赛一等奖、“创青春”中国青年碳中和创新大赛华中赛区银奖、湖南省大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖、校节能减排竞赛二等奖及院级创新创业大赛一等奖多项。