地理科学与资源研究所现代农业工程实验室刘洪涛研究组在城乡有机废弃物无害化和资源化利用研究取得系列进展。农业废弃物的合理利用是美丽乡村建设和农业环境治理的关键所在，好氧发酵是农业废弃物的主要无害化途径，其细微的孔隙结构对于改进效率具有重要价值，开创性提出同步辐射-显微CT应用背景下畜禽养殖废弃物团聚性变化规律（见文章1）。不同于传统研究方法，以机器学习为核心的人工智能手段对预测有机废弃物循环利用效率和降低风险具有广阔应用空间，提出了适用的机器学习预测模型和方法（见文章2）。微塑料是城镇废弃物-污泥中富集的环境污染物，系统梳理了污泥无害化处理和资源化利用过程中微塑料的特征与迁移转化规律（见文章3）。重金属已成为目前畜禽养殖废弃物资源化利用的瓶颈，研究通过调控碳氮比和辅料种类，揭示了发酵过程重金属毒性降低和钝化的内在机制（见文章4）。生物炭的应用一直是有机废弃物无害化的主要辅助措施，研究通过梳理其在废弃物资源化过程中的作用机制，提出生物炭具有良好的农业效应（见文章5，ESI高被引）。城市污泥经过好氧发酵后拓展为运动型草坪基质，并提出了应用的限制因子-盐分（见文章6）和移动性较强的重金属Cd的控制措施（见文章7）。腐殖质是有机废弃物资源化的主要核心产物，研究结论显示透射X射线显微-3D成像和计算机断层扫描可以有效支撑腐殖质元素价态和精细空间结构的预测（见文章8），同时揭示了芳香化和含氧官能团的增加，对于厌氧消化腐殖质的演变具有重要贡献，并提出了腐殖质与重金属的络合能力（见文章9）以及消化温度的突出促进作用（见文章10）。 　　

　　1. Impact of biochar addition on three-dimensional structural changes in aggregates associated with humus during swine manure composting 

　　发表刊物：Journal of Cleaner Production, 2021, 280: 124380    (Q1, IF: 7.246) 

　　作者：Guo X-X, Wu S-B, Wang X-Q, Liu H-T*(刘洪涛) 

　　【亮点】 农业废弃物在好氧发酵不同阶段的物理结构可深刻反映废弃物孔隙度和通气性，同时对供氧策略的改进具有重要意义。因此，获得废弃物内部的团聚体三维结构特性，具有很强的科学价值。作为超视距下原位观察固体介质三维孔隙特征的最佳手段，同步辐射-显微CT(SR-μCT)具有先天优势：在重建获得三维立体图像的同时，还能获取孔隙度、比表面积等量化信息，为比较和描述团聚性变化规律提供直观依据。本研究结合好氧发酵不同时期的容重、自由空域等参数变化趋势，利用SR-μ CT获取了农业废弃物团聚体三维图像、孔隙度、比表面积等信息，为农业废弃物资源化效率的改进提供了强有力工具。 　　  

　　2. Application of machine learning methods for the prediction of organic solid waste treatment and recycling processes 

　　发表刊物：Bioresource Technology, 2021, 319: 124114     (Q1, IF: 7.539) 

　　作者：Guo H-N, Wu S-B, Tian Y-J, Zhang J, Liu H-T*(刘洪涛) 

　　【亮点】 传统有机废弃物处理和资源化利用存在着效率低、精度低、成本高和潜在环境风险等缺陷。机器学习是一种能自主获取并整合知识的系统，具有节省时间、处理复杂非线性问题预测精度高、降低人力成本和资源消耗等优点。通过全面梳理和总结，发现已有的相关研究集中在有机废弃物管理优化，其次是厌氧消化、热处理、好氧发酵和填埋；应用最广泛的模型为人工神经网络，已成功地应用于解决废弃物复杂分类、腐熟度研判、废弃物能源量预测。通过对其局限性进行综合讨论，发现尽管存在数据量不足、可解释性低、模型选择原则不明确等限制因子，但机器学习在辅助提升有机废弃物处理决策效率、降低环境风险等方面潜力巨大。该文章为机器学习在有机废弃物处理和资源化利用中寻找发力点提供了系统性理论指导。 　  

　　3. Source, occurrence, migration and potential environmental risk of microplastics in sewage sludge and during sludge amendment to soil 

　　发表刊物：Science of the Total Environment, 2020, 742: 140355   (Q1, IF: 6.551) 

　　作者：Gao D, Li X-Y, Liu H-T* (刘洪涛) 

　　【亮点】 微塑料是新兴的环境污染物，但目前大多数研究集中在自然水体领域。在人类活动领域，通过污水收集系统，污泥成为微塑料重要的源和汇：来自生活源、多途径的微塑料汇集到污水中，其中大部分又被截留到污泥中，因此深入研究污泥中微塑料的赋存特征、迁移机制、变化特性及环境风险十分必要。通过分析总结发现，微塑料可吸附污泥中重金属、有机污染物、抗生素和抗性基因等多种污染物，微塑料特性使其成为污泥中污染物的载体。通过对污泥中微塑料的来源、特征、影响因素、分离鉴定方法、负载污染物机理及潜在环境隐患进行归纳梳理，全面系统地总结了污泥处理-利用传递链中微塑料关键科学问题及其量化的理论基础。   

　　4. Potential mechanisms involving the immobilization of Cd, As and Cr during swine manure composting 

　　发表刊物：Scientific Reports, 2020, 10: 16632    (Q3, IF: 3.998)              

　　作者：Guo H-N, Wang L-X, Liu H-T*(刘洪涛) 

　　【亮点】 规模化养殖中重金属添加剂的大量使用，已成为限制畜禽废弃物资源化的瓶颈。如何有效降低重金属生物有效性及潜在风险，成为促进畜禽废弃物循环利用的关键所在。好氧发酵能够通过改变重金属的形态和降低迁移性来降低其后续应用的风险。研究通过调控好氧发酵初始碳氮比和辅料种类，理清了好氧发酵过程中重金属生物有效性变化规律，发现较高的初始碳氮比(20:1~25:1)和秸秆作为辅料有利于降低Cd、As、Cr的生物有效性(分别降低62.4%、20.6%、32.2%)；并结合多种数学分析手段识别了不同重金属生物有效性变化的关键影响因素，发现Cd生物有效性与总磷、总氮显著相关，推测磷酸盐沉淀和生物吸附在Cd形态转化过程中发挥了重要作用，而As、Cr的生物有效性与有机质、阳离子交换量、电导率显著相关，表明As、Cr的形态转化更多受到有机-无机因素的联合调控。   

　　5. The role of biochar in organic waste composting and soil improvement 

　　发表刊物：Waste Management, 2020, 102: 884-899      (Q1, IF : 5.448) 

　　作者：Guo X-X, Liu H-T (刘洪涛)*, 等 

　　【亮点】 生物炭的独特理化性质使其在农业上具有广泛应用前景。对生物炭作为发酵添加剂和土壤改良剂的农业响应进行了研究。作为发酵添加剂，生物炭表现出多种优势：改善发酵进度、提高腐殖化程度，稳定重金属和降解有机污染物。作为潜在改良剂，生物炭有助于土壤性质改进，缓解盐碱胁迫，改变重金属从土壤到植物的归宿性等，表现出良好的农业效应。此外，生物炭和有机废物发酵物在土壤上联合施用显现出叠加效应。值得注意的是，生物炭的不稳定性可能是其应用的一个限制因素，仍需开展长期原位实地监测。 

　　6. Salinity derived from sludge compost amendment is a crucial influencing factor of qualitative performance of sports-field turf 

　　发表刊物：Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27: 29681-29687   (Q3, IF : 3.056) 

　　作者： Liu H-T (刘洪涛)*, Guo H-N 

　　【亮点】 将污泥发酵物和添加生物炭的污泥发酵物作为运动型草坪基质开展资源化利用，显著增加了基质有机质、总氮、总钾、盐分，此外添加生物炭的污泥发酵物显著提升了草坪叶绿素含量，但一定程度上增加了杂草率。结合RDA结果表明：盐分是污泥发酵物应用于运动草坪基质的突出限制因子。建议进一步探索盐分降低方法，筛选更为有效添加剂，以削减污泥发酵物在运动型草坪上资源化所附带的负面影响。 　  

　　7. Addition of hydroxyapatite with sludge compost to reduce potential risk of Cadmium in a soil-turf grass system 

　　发表刊物：Science of the Total Environment, 2019, 661: 48-54     (Q1, IF : 6.551) 

　　作者：Liu H-T (刘洪涛)*, Guo X-X 

　　【亮点】 城市污泥经好氧发酵稳定处理后，一般作为土壤改良剂，但其重金属环境风险愈发受到关注。针对移动性突出、毒性较强的镉(Cd)，应审慎评估其改良土壤后的潜在风险。本研究定量评估了羟基磷灰石(HAP)对污泥发酵后产物施用草坪基质后Cd潜在风险的影响。结果表明，HAP对可交换态和残留态Cd丰度具有显著影响，降低了有效态Cd比例，但并未减弱Cd的纵向移动性。HAP可作为污泥改良土壤应用时控制表层Cd污染风险的辅助剂。 　  

　　8. Humic substances developed during organic waste composting: Formation mechanism, structural properties, and agronomic functions 

　　发表刊物：Science of the Total Environment, 2019, 662: 501-510    (Q1, IF : 6.551) 

　　作者：Guo X-X, Liu H-T (刘洪涛)*, 等 

　　【亮点】 好氧发酵是微生物主导的有机废物稳定化过程，过程中大分子有机质降解为小分子类有机质，并聚合成腐殖质。腐殖质是表征发酵完成和腐熟度的核心物质。现有的技术手段很难预测腐殖质微观结构与元素分布，但腐殖质所具有的共性官能团与空间布局为采用同步辐射技术提供了前提，以此为理论依据结合透射X射线显微-3D成像和计算机断层扫描技术支撑了元素价态和精细空间结构的预测，揭开了腐殖质功能效应的神秘面纱。研究显示，以酚基和羧基为代表的官能团是腐殖质农学效应的核心因子，起到促生长、保水、提高养分利用率、增强抗病性的效果。 　  

　　9. Dynamic evolution of humic acids during anaerobic digestion: Exploring an effective auxiliary agent for heavy metal remediation 

　　发表刊物：Bioresource Technology, 2021, 124331     (Q1, IF: 7.539) 

　　作者：Wang X-Q, Lyu T, Dong R-J, Liu H-T (刘洪涛), Wu S-B* 

　　【亮点】 本研究监测了鸡粪和秸秆厌氧消化过程中腐殖酸(HA)的结构、官能团和金属结合能力的演变规律。在秸秆消化过程中观察到HA中芳香族(41-66%)和含氧官能团(37-45%)的显著增加，Cu(II)、Co(II)和Ni(II)的金属结合能力高于鸡粪。此外，从快速和和缓慢甲烷产生阶段获得的HA对重金属具有不同的络合能力。结果揭示了HA与重金属的互作机制，侧面证实了农业废弃物厌氧消化提取的HA在重金属修复中具备一定的潜力。 　　  

　　10. Mechanisms of genuine humic acid evolution and its dynamic interaction with methane production in anaerobic digestion processes 

　　发表刊物：Chemical Engineering Journal, 2021, 127322    (Q1, IF: 10.652) 

　　作者：Wang X-Q, Muhmood A, Lyu T, Dong R-J, Liu H-T (刘洪涛), Wu S-B* 

　　【亮点】 腐殖酸(HA)是厌氧消化过程中有机物生物转化为沼气过程中形成的副产物，然而HA的演化机理及其在消化过程中与甲烷产生的相互作用尚未开展充分探索。本研究探索了在中、高温条件下，鸡粪和秸秆厌氧消化过程中自然形成内源HA的结构和功能进化动力学。结果表明，鸡粪和秸秆消化过程的HA变化机制具有不同途径。与鸡粪相比，秸秆消化过程显示出较高芳香性和腐殖化指数。 HSQC核磁共振谱和二维COS-FTIR光谱表明，较高温度对HA的腐殖化演变有加速作用。