研究背景
蛋白质是关乎粮食安全的关键营养素。然而，从生产到消费，全球蛋白质供应链的效率低得惊人，氮素损失高达86%-96%。此外，大量氮素在生产、运输和粪污管理过程中以硝酸盐淋失、氨挥发和氧化亚氮排放等形式进入环境造成其污染。浮萍是一类生长迅速、蛋白含量较高的水生漂浮植物，能够吸收水体中的N、P，并形成可用于动物饲料的植物蛋白。基于这一特性，利用稀释畜禽粪肥培育浮萍，被认为是连接粪污资源化和可持续蛋白生产的潜在路径。然而，该体系在回收氮素、生产蛋白的同时，是否会产生CH₄、N₂O和NH₃等排放风险，仍需要系统评估。
瑞士有机农业研究所Timo Stadtlander 老师联合德国波恩大学等研究团队，在《Scientific Reports》 发表了一项关于稀释牛粪肥浮萍养殖系统气体排放的研究。研究以普通浮萍为研究对象，设置“稀释牛粪肥”和“稀释牛粪肥 + 浮萍”两类处理，并分别在模拟白天和夜间条件下，连续监测CH₄、CO₂、N₂O和NH₃排放特征。该研究不仅评估了浮萍利用粪肥生产蛋白的潜力，也为判断这一资源化体系是否真正具备低排放、可持续优势提供了重要数据支撑。
图1.实验箱的装置示意图及实物照片，分别展示了带有不透明盖（实验1，左）和透明盖（实验2，右）的箱体。
研究方法
研究团队在瑞士有机农业研究所开展了室外箱体实验。每个箱体体积为331.7 L，底部加入8.5 L有机牛粪浆，并用自来水稀释至170 L，使初始铵态氮浓度约为20 mg/L；
研究设计：
实验设置了两种处理，每种处理设置5个重复箱：
稀释牛粪肥，不接种浮萍；
稀释牛粪肥并接种750 g浮萍；
研究分为两个实验：
实验1：使用不透光灰色PVC盖板，在气体测量时模拟夜间条件；
实验2：使用透明盖板，在气体测量时模拟白天光照条件；
监测指标：CH₄、CO₂、N₂O通量、氨挥发、无机氮动态与蛋白产能；
值得一提的是，在液态粪肥底物氮素组成分析过程中，研究人员选择了SmartChem 450全自动化学分析仪，用于测定体系中的关键无机氮形态。实验采集稀释牛粪肥培养液及氨气酸捕集液样品，解冻后取 2 mL子样进行高速离心，再取上清液进行分析，主要检测总氨氮TAN（NH₃ + NH₄⁺）、亚硝酸盐氮（NO₂⁻-N）和硝酸盐氮（NO₃⁻-N）。该仪器可实现样品自动进样、反应控制与连续检测，适用于多时期、多层位、大批量样品的无机氮分析，有效减少人工操作误差，提高检测效率和数据稳定性。
表1. 两项实验中浮萍的组成与生产力及基质TDS，以及推算的浮萍蛋白产量与浮萍蛋白CO₂当量（CO₂ eq）。
图2.两项试验中的NH₃排放量（µg NH₃–N m⁻² h⁻¹）（平均值 ± 标准误；N = 5）。
图3.实验1和实验2中的平均CH₄通量（µg CH₄–C m⁻² h⁻¹）（平均值 ± 标准误；N = 5）。
图4.实验1和实验2中的平均CO₂通量（µg CO₂–C m⁻² h⁻¹）（平均值 ± 标准误；N = 5）。
图5.实验1和实验2中的平均N₂O通量（µg N₂O–N m⁻² h⁻¹）（平均值 ± 标准误；N = 5）。
研究结果
该系统可将粪肥中的氮素高效转化为浮萍蛋白，展现出粪污资源化与可持续蛋白生产的潜力；
浮萍覆盖可削减82%~85%氨挥发，体现出良好的氮素保留和减排效果；
CH₄排放主要发生在系统启动初期，随后迅速衰减，表明CH₄并非该短期浅层浮萍—粪肥体系的持续性主要排放风险；
CO₂通量受光照显著调控，浮萍在光照下表现为净碳固定，而在黑暗中转为呼吸排放，体现出该体系的光合作用碳汇潜力；
体系最大短板为N₂O排放剧烈升高，大幅拉高单位蛋白碳足迹，亟需解析微生物机理、开发减排技术；
结语
总的来看，稀释粪肥—浮萍体系为粪污资源化和可持续蛋白生产提供了新的思路：它能够回收氮素、生产浮萍蛋白，并显著降低氨挥发。然而，N₂O排放升高也提醒我们，绿色技术的评价不能只看资源转化效率，更要算清完整的环境账。未来可进一步围绕微生物氮转化机制、氧气分布特征和工艺调控策略开展研究，在提高浮萍蛋白产量的同时降低N₂O排放，推动该体系向低碳、高效的循环农业模式发展。
发表期刊：scientific reports【影响因子：4.9】
研究单位：瑞士弗里克有机农业研究所、德国波恩大学等
研究地点：瑞士有机农业研究所
使用设备：Smartchem 450全自动化学分析仪
DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-026-39270-4