牛粪堆肥过程中硝酸盐异化还原为铵途径研究

[32]，减少了硝酸盐的竞争消耗，使得更多的NO3⁻通过DNRA途径被还原为NH4+。同时，高温可能促进了有机物的分解，释放更多的碳源，支持DNRA菌的生长和代谢。而降温阶段和腐熟阶段DNRA速率的下降可能与温度降低、碳源消耗以及微生物群落结构的变化有关。3.4潜在DNRA速率与环境因素相关性Spearman相关性分析是一种非参数统计方法，用于衡量两个变量之间联系的强弱程度，与数据分布形态无关。即两变量变化趋势的一致性，无论其是否为线性关系REF_Ref27367\r\h[34]。Spearman相关系数（rs）的取值范围为-1至1，相关系数的绝对值越大，表明变量间的单调相关性越强。具体分界标准为：rs<0.3微弱相关；0.3≤rs<0.5低度相关；0.5≤rs<0.8显著相关；rs≥0.8高度相关。如图3-4所示，对牛粪堆肥中潜在DNRA速率与环境因素相关性进行Manteltest分析，分析结果表明，在堆肥各时期的12h潜在DNRA速率与NH4+、TN、C/N、TOC呈显著相关（p<0.01）；在堆肥各时期的48h潜在DNRA速率与NH4+、TN、TOC、C/N呈极显著相关（p<0.001），与EC呈显著相关（p<0.01）。培养12小时与48小时结果的差异可能源于堆肥阶段演替及微生物群落的适应性变化。早期（12小时）堆肥处于快速分解阶段，易降解有机物（如TOC）和初始氮形态（如TN）主导微生物代谢，此时DNRA主要依赖即时碳源和底物供应。而48小时进入中后期，复杂有机物分解导致盐分（如铵盐、有机酸）积累，EC的显著性增强可能反映溶解离子浓度对微生物渗透压或酶活性的影响。4讨论牛粪堆肥作为农业废弃物资源化的重要方式，其氮素管理效率直接影响堆肥产品的肥效与环境风险。DNRA是一种将硝酸盐还原为铵的微生物过程，是自然界固定氮元素的重要途径，能够将NO3⁻转化为NH4+，从而减少氮素的损失，提高堆肥产品肥效。在自然环境中，DNRA过程可以减少反硝化作用中产生的氮气以及温室气体的产生REF_Ref31270\r\h[22]。DNRA途径的研究对提升堆肥品质和降低温室气体排放都具有重要意义。因此，有必要对堆肥过程中DNRA途径变化规律进行深入研究。本研究通过分析堆肥不同阶段的理化指标及潜在DNRA速率，揭示了DNRA在牛粪堆肥中的动态变化情况以及与环境因素之间的相关性。实验数据表明，在高温阶段DNRA速率达到峰值，显著高于其他阶段，这一现象可能与高温期微生物活性增强及NO3⁻的快速转化有关REF_Ref24271\r\h[17]。结合环境因子与DNRA速率的Manteltest结果（p<0.01），进一步证实了碳氮代谢的动态平衡是驱动DNRA的核心机制。例如，高温阶段的高C/N为异养型DNRA菌提供了充足的碳源，抑制了反硝化菌的竞争，从而优先将硝酸盐还原为NH4⁺，而非以气态氮形式损失REF_Ref21367\r\h[5]。这一发现为优化堆肥工艺提供了理论依据。牛粪堆肥中DNRA的活性受到多因素调控。例如，NH4⁺含量在高温期（74.64mg/kg）显著高于腐熟期（18.40mg/kg），进一步证实了DNRA对氮素保留的贡献。然而，NO3⁻-N在高温期几乎未被检出，而在腐熟期略有回升（1.58mg/kg），这可能反映了DNRA与反硝化作用的动态竞争关系REF_Ref31270\r\h[22]。众多学者研究发现REF_Ref24121\r\h[16]，DNRA菌适合在碳源充足，硝酸盐受限即在高C/N比的环境中生存，而反硝化更倾向于低C/N比的环境。Vandenberg等发现当C/N比大于7.7时，开始发生DNRA过程REF_Ref837\r\h[26]。因此高C/N比的环境更有利于DNRA作用发生。环境因子的阶段性变化对DNRA速率的影响也具有显著差异。培养时间为12h时，DNRA速率与NH4⁺、TN、C/N和TOC呈显著正相关（p<0.01），表明此时碳氮资源的充足供应是激活DNRA的关键。培养时间为48h时，TOC和C/N的极显著相关性（p<0.001）表示复杂有机物的持续分解可能释放更稳定的碳源，维持DNRA菌群的长期代谢。EC在成熟阶段升至2.71mS/cm，其与DNRA速率的显著关联（p<0.01）可能源于盐分积累对微生物群落的筛选作用。高EC环境可能抑制盐敏感的反硝化菌，而耐盐DNRA菌（如厚壁菌门）的富集进一步强化了该途径的竞争优势。这一机制与Pandey等提出的“堆肥特异性理化性质驱动DNRA”观点相吻合REF_Ref24271\r\h[17]。DNRA与反硝化途径的竞争关系是堆肥氮素管理的核心问题。本研究中，高温阶段DNRA速率的升高，可能与高温对反硝化菌的抑制作用有关REF_Ref27951\r\h[35]。反硝化途径的产物（N₂O、N₂）会导致氮素损失REF_Ref31270\r\h[22]，而DNRA可以保留了氮素，提高堆肥肥效，还减少了温室气体排放。例如，堆肥成熟阶段TN含量稳定在（20.19g/kg），显著高于初始值（17.32g/kg），表明DNRA有效减少了氮素损失。这一结果与湿地生态系统中DNRA的氮保留效应类似REF_Ref588\r\h[24]，但牛粪堆肥因高有机质和动态温度变化展现出独特的调控模式。从实践意义来看，强化DNRA途径可通过优化堆肥工艺参数（如初始C/N比调控至25–30、定期翻堆以维持微缺氧环境）提升铵态氮含量，从而提高有机肥的肥效稳定性。另一方面通过DNRA进一步提高NH₄⁺保留率，可进一步降低盐害风险（EC调控）并增强肥力。此外，开发基于DNRA菌剂的堆肥添加剂，也可能成为未来研究的重点。未来研究可结合宏基因组学技术解析DNRA菌群结构，并探索外源碳源（如秸秆）添加对DNRA的长期影响。综合考虑，本研究探讨硝酸盐异化还原对堆肥中氮素利用率的影响，旨在为农业废弃物转变成高附加值生物有机肥，有效减轻环境污染提供理论和实践依据，为农业及畜牧业的发展带来社会效益。为农业废弃物的高效资源化提供了新思路，未来可通过工艺优化和微生物调控策略，推动DNRA在绿色堆肥技术中的实际应用。5结论（1）牛粪堆肥中，高温阶段是DNRA过程发生的主要阶段，DNRA过程有利于堆肥过程中的氮素保存。（2）牛粪堆肥中，最高潜在DNRA速率发生在高温阶段，为0.0219±0.0065mmol15Nkg-1h-1。（3）牛粪堆肥中，DNRA过程主要由关键环境因素所驱动。在培养时间为12h条件下，NH4+、TN、C/N、TOC是影响潜在DNRA速率的关键环境因素。在培养时间为48h条件下，NH4+、TN、T