《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Trade-off between quantity and quality: Coal waste particle size regulates composting humification via biotic and abiotic pathways
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研究煤渣粒径（粗、中、细）对牛羊粪便堆肥腐殖酸形成的影响，发现细颗粒（T3）产量高但结构不成熟，中颗粒（T2）结构成熟且稳定，粒径通过改变微环境调控关键菌群，揭示不同粒径下腐殖化途径的生化差异，为煤渣高值利用提供理论依据。
Juan Zeng|Jiannan Li|Ting Li|Zixu Zhang|Jie Ren
内蒙古大学生态与环境学院污染控制与低碳资源利用重点实验室，中国呼和浩特市010021
摘要
堆肥基质的物理结构是影响腐殖化效率的关键因素，尤其是对于像煤渣这样的难处理废弃物而言。本研究探讨了煤渣颗粒大小（粗颗粒T1：1-5毫米；中等颗粒T2：0.5-1毫米；细颗粒T3：<0.5毫米）对牛羊粪便堆肥过程中腐殖酸（HA）生成数量和质量的调控机制。研究结果表明，由于生化途径的不同，腐殖化数量与结构质量之间存在明显的权衡。细颗粒T3通过创造一个高度活跃的热化学环境，最大化了腐殖质（130.4毫克/克）和腐殖酸（110.6毫克/克）的产量。这种环境促进了强烈的水解作用和前体物质的积累，从而有利于腐殖酸的形成。相比之下，中等颗粒T2更注重结构成熟度，产生了具有最高HA/FA比值（5.8）、分子量和芳香性的腐殖酸。从微生物角度来看，T2环境条件更有利于微生物生长，形成了以放线菌和梭菌为主的复杂共生网络，有效耦合了木质纤维素的降解与多酚的聚合过程。而极端环境条件下的T3则选择了以厌氧降解菌（如纤维杆菌门）和耐逆性菌种（如芽孢杆菌）为主的简单微生物群落。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）证实，颗粒大小通过影响环境因素来调控腐殖化过程，进而影响关键微生物类群的丰度。总体而言，虽然T3在最大化腐殖质积累方面表现优异，但T2在产生结构成熟且稳定的有机肥料方面提供了最佳平衡，为煤渣的生态价值利用提供了理论基础。
引言
随着全球农业的快速发展，有机固体废物的管理已成为可持续发展的关键挑战。中国每年产生的畜禽粪便超过38亿吨，其中牛羊粪便占很大比例[1]。除了畜禽粪便外，糠醛工业产生的糠醛残渣也面临严重的处置压力。糠醛残渣富含有机物，碳氮比高，是理想的堆肥碳源[2]。然而，堆肥作为稳定和回收这些有机废物的核心方法，通常受到反应速率慢、氮损失严重以及腐殖化效率低等限制[3][4]。腐殖化是指将不稳定的有机物转化为稳定的腐殖质的过程，是评估堆肥成熟度及其土壤碳封存潜力的关键标准[5][6]。在堆肥过程中，多酚途径和美拉德反应是形成腐殖质的主要机制[7]。多酚途径依赖于酶促降解和化学缩合的结合：微生物首先分泌胞外酶降解木质纤维素并释放多酚前体，这些前体进一步氧化为活性醌类物质，随后与氨基酸等含氮化合物发生缩合，最终形成高芳香性的三维大分子结构[8]。美拉德反应则是非酶促转化过程，当材料在强烈水解条件下积累大量还原糖和氨基酸等小分子底物时，会发生非酶促的糖-氨基酸缩合（即褐变反应）[9]，从而在短时间内最大化腐殖酸的产量[10]。因此，开发创新调控策略以加速稳定腐殖质的形成对于生产高质量有机肥料至关重要。
煤渣（CW）是中国最大的工业固体废弃物来源，累计堆存量超过70亿吨，年增量达2-3亿吨[11]。这些大量废弃物不仅占用宝贵的土地资源，还会通过自燃和渗漏带来严重的环境风险[12]。因此，开发大规模、环保的煤渣增值利用策略是循环经济的紧迫任务。除了作为废弃物外，煤渣因其兼具多孔膨胀剂和富矿物质的特性，为堆肥提供了独特的机会[13][14]。煤渣的物理和化学性质与其颗粒大小密切相关[15]。不同颗粒大小的煤渣在矿物学和元素分布上存在显著差异[13]：颗粒越大，热值、固定碳含量和粘土矿物（如伊利石、高岭石）含量趋于降低，而石英含量逐渐增加[16][17]。粗颗粒主要提供支撑热力学和空气流动的刚性结构，而细颗粒则具有丰富的粘土矿物和金属氧化物表面，有助于催化前体物质的缩合[18][19]，但可能因堆压导致缺氧。细颗粒中的高固定碳含量可能有助于缓冲外部能量或促进电子转移，从而促进特定物种的出现[21]。因此，颗粒大小的变化通过改变堆肥基质的物理化学环境和矿物组成来调控腐殖化过程。
微生物是堆肥生态系统的核心驱动力，它们通过代谢活动分解有机物质并合成腐殖质[22][23]。它们分解复杂的有机物质，生成蛋白质、酚类和醌类等腐殖质前体，为后续的聚合反应提供丰富的底物[24]。近期研究强调了关键微生物类群的重要性，这些类群在决定群落结构和功能中起着关键作用[25][26]。它们通过分泌胞外酶降解木质纤维素并催化其多聚化为腐殖酸[27][28]。例如，变形菌门和放线菌门中的某些属以其分解难处理有机物质和促进芳香结构形成的能力而闻名[29][30]。然而，这些关键类群的协同作用受到微环境的限制[31]。颗粒大小形成的独特生态位可能带来不同的生态压力，从而选择特定的物种[21]。尽管有理论上的潜力，但颗粒大小如何具体调控关键微生物类群的演替及其与腐殖化的代谢耦合机制仍不明确。
尽管有理论上的预期，但以往的研究大多将煤渣视为均匀的添加剂[8][20]，忽略了颗粒大小依赖的物理化学结构与微生物演替之间的复杂关系[15][32]。为填补这一知识空白，本研究系统地揭示了颗粒大小如何塑造微环境并驱动腐殖化过程的差异。通过结合高通量测序和腐殖酸结构分析，我们的目标在于：（1）阐明颗粒大小驱动的物理和化学异质性如何调控堆肥堆的热力学和氧化还原微环境；（2）识别不同生态位中的关键微生物类群及其组装机制（资源驱动 vs 环境筛选）；（3）揭示颗粒大小控制下的非生物和生物腐殖化途径的代谢差异。研究结果为煤渣的高价值利用和堆肥微生态系统的精确调控提供了理论基础。
堆肥装置与实验设计
本研究使用的堆肥材料包括牛粪、羊粪和糠醛残渣。牛粪和羊粪来自内蒙古巴彦淖尔的孟源农场，糠醛残渣由内蒙古唐河拓生化有限公司提供，煤渣则来自内蒙古神农矿业有限公司的煤矿。收集的煤渣经过粉碎处理，确保所有颗粒都能通过15毫米筛网。堆肥基质通过混合制备而成。
热性能与氧化还原状态
温度是反映微生物代谢强度和有机物生物降解程度的最直接指标[9]。如图1a所示，堆肥过程经历了典型的三阶段演变。在对照组（CK）中，堆温进入了嗜热阶段（>50°C），但持续时间较短，峰值强度也较低；而优化后的煤渣处理组（T2和T3）表现出更强的热性能，达到了最高的峰值温度。
结论
本研究提供了详细证据，表明煤渣颗粒大小会影响堆肥过程中的腐殖化过程，从而形成不同的代谢途径。结果表明，煤渣颗粒大小及其相关的物理和化学性质变化导致了腐殖化数量和质量的根本性权衡。具体而言，细颗粒（T3：<0.5毫米）创造了高度活跃的热化学环境，促进了腐殖质的形成。
Juan Zeng：撰写初稿、实验设计、数据分析、概念构建。
Ting Li：指导、实验设计。
Li Jian Nan：指导、实验设计、数据分析。
Zhang Zi Xu：指导、实验设计、数据分析。
Jie Ren：撰写、审稿与编辑、数据可视化、资源管理、项目协调、资金争取、数据分析。
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
本项工作得到了呼和浩特市科技创新人才计划（2023RC-ITRI-2）的资助。
