碱性玉米废水的升级循环利用：通过循环经济路径评估新鲜食品生产和作物抗逆性

《Agricultural Water Management》：Upcycling of alkaline maize wastewater: Evaluating fresh food production and crop resilience through a circular economy pathway

本研究利用高率藻类塘（HRAP）发酵玉米加工废水nejayote，评估其对生菜生长及土壤特性的影响。结果表明，接种alkaliphilic微藻的2-3天发酵液（M3）显著提高生菜鲜重（110.9%）和多酚含量（313.2%），同时维持土壤持水能力。该策略为农业废弃物资源化提供了新途径。

　　在农业与工业日益发展的背景下，水资源的合理利用成为全球关注的重要议题。随着全球人口增长和气候变化加剧，农业用水需求持续上升，而淡水供应却面临紧张局面。因此，寻找可持续的替代灌溉水源和优化农业投入品的使用，成为提升农业生产效率、降低环境负担的关键方向。本研究聚焦于墨西哥传统玉米加工过程中产生的碱性废水——“nejayote”，探索其通过发酵处理后作为灌溉水源的可行性，并评估其对生菜生长及营养成分的影响。研究结果表明，通过引入碱嗜微生物群落（Alkaliphilic Microorganism Consortium, AMC）进行发酵处理，不仅能够有效改善nejayote的水质，还能显著提升生菜的生长表现和营养品质，为农业可持续发展提供了新的思路。

### 1. 研究背景与意义

全球约60%的灌溉作物种植在面临高或极端水压力的地区，而农业占据了全球淡水资源的近70%（FAO, 2020）。面对日益严峻的水资源短缺问题，寻找高效、环保的农业用水替代方案，以及减少对合成农业投入品的依赖，成为保障粮食安全和推动可持续农业发展的核心任务。与此同时，农业废弃物的再利用，特别是废水的生物处理与资源化利用，正逐渐成为实现循环经济的重要手段。

在墨西哥，玉米是饮食结构中的重要组成部分，其传统加工工艺——“nixtamalization”（碱处理）不仅提升了玉米的营养价值，也产生了大量碱性废水（nejayote）。据估计，每月排放的nejayote体积高达1440万立方米（Díaz-Montes et al., 2016），这些废水含有高浓度的化学需氧量（COD 16.8 ± 5.4 g/L）、生物需氧量（BOD 17500–21000 mg/L）、总悬浮固体（TSS 3.7 ± 0.8 g/L）以及高pH值（11.5–12），对土壤结构、生态系统平衡及水质安全构成威胁（Argun and Argun, 2018；Valenzuela et al., 2024）。因此，如何有效处理和再利用这一农业废水，成为亟待解决的问题。

近年来，生物处理技术在农业废水治理中展现出巨大潜力。通过引入特定微生物群落，不仅能够降低废水中的污染物浓度，还能将其中的有机物转化为可再利用的生物资源。例如，采用生物反应器进行发酵处理，能够显著提升废水的营养成分，同时减少对环境的负面影响（Del Valle-Real et al., 2023；Hussain et al., 2021）。此外，研究还发现，某些微生物群落能够通过促进土壤肥力、增强植物抗逆性等方式，改善作物的生长条件（Dominguez-Hernandez et al., 2020；Téllez et al., 2016）。因此，将发酵后的nejayote作为灌溉水源，不仅能够实现废水的资源化利用，还可能带来多重环境与经济收益。

与此同时，全球新鲜农产品的产量持续增长，2010年至2023年间增加了超过20亿吨（FAO, 2024）。生菜作为一种广受欢迎的叶类蔬菜，因其丰富的营养价值和广泛的市场应用，成为研究的重点对象。据报告，45%的消费者将生菜视为家庭必需品，其市场价值在2023年达到34.9亿美元（Observatory of Economic Complexity, 2025）。墨西哥是生菜出口大国之一，拥有显著的贸易盈余。此外，生菜富含多种生物活性化合物，如多酚、生育酚、酚酸和维生素，这些物质不仅对人类健康有益，还能增强植物的抗逆能力（Shi et al., 2022）。

然而，传统生菜种植依赖大量灌溉，尤其是在水资源稀缺的地区，这一问题尤为突出。据研究，每生产1公斤生菜大约需要1.6–93升水，而年均用水量约为250 ± 25升/公斤（Barbosa et al., 2015）。这种高耗水模式不仅增加了农业用水压力，还可能加剧水资源短缺问题。因此，寻找节水型农业技术，如利用发酵废水进行灌溉，成为缓解水资源压力的重要策略。

### 2. 研究方法与实验设计

本研究采用了一种创新的实验设计，旨在评估发酵处理后的nejayote在生菜种植中的应用效果。实验选取了墨西哥本地生产的生菜（*Lactuca sativa* var. Black Seeded Simpson）作为研究对象，并从当地一家玉米加工企业获取未经处理的nejayote作为实验材料。为了实现nejayote的生物处理，研究团队引入了一种碱嗜微生物群落（AMC），该群落最初从墨西哥城的Texcoco碱湖中分离，经过适应培养后用于发酵过程。

实验分为三个不同的发酵阶段：M1（0–1天）、M3（2–3天）和M5（4–5天）。在发酵完成后，将不同阶段的nejayote与水或化学肥料作为对照，用于灌溉生菜。所有处理均采用相同的灌溉频率和体积，每周灌溉三次，每次每株植物提供250毫升处理液或500毫升清水。实验持续了8周，并对生菜的生长参数、土壤持水能力、pH值和电导率进行了系统监测。

为了评估生菜的生长表现，研究团队测量了其鲜重和叶片长度，并计算了相对于清水对照组的增长百分比。同时，对生菜中的总酚类化合物（Total Phenolic Content, TPC）进行了定量分析，以评估其营养成分的变化。此外，通过非靶向代谢组学分析，研究团队试图揭示发酵处理对生菜代谢物组成的影响，从而进一步理解其生物活性与营养增强机制。

### 3. 实验结果与讨论

实验结果显示，不同处理对生菜的生长表现产生了显著影响。其中，M3处理组的生菜鲜重比清水对照组增加了109.9%，而M5处理组也表现出明显的增长（83.3%）。相比之下，未经处理的nejayote（N）导致生菜鲜重减少33.7%，显示出其对植物生长的不利影响。这一结果表明，发酵处理能够有效改善nejayote的水质，使其成为适合灌溉的资源。

此外，M3处理组的TPC比清水对照组增加了313.2%，而M5处理组也提高了173.8%。相比之下，化学肥料（CF）和清水对照组的TPC变化较小。TPC的增加可能与发酵过程中微生物群落的代谢活动有关，这些微生物能够促进酚类化合物的合成，从而增强植物的抗氧化能力和抗逆性。研究还发现，M3处理组的生菜叶片长度显著增加，而M1处理组虽然也表现出一定的增长，但效果不如M3明显。这可能与不同发酵阶段中微生物群落的活性变化有关，其中M3阶段的微生物代谢最为活跃，从而释放出更多的生物活性物质。

土壤持水能力（Water Holding Capacity, WHC）的评估结果显示，M3和M5处理组的土壤持水能力与清水对照组相似，而未经处理的nejayote（N）则显著降低土壤的持水能力（72.8%）。这一结果表明，发酵处理能够有效改善nejayote的水质，使其对土壤结构和持水能力的影响降至最低。同时，土壤pH值和电导率的变化也显示出不同处理之间的差异。例如，M3处理组的土壤pH值保持稳定，而M1和M5处理组则表现出一定的碱性增强趋势。这种变化可能与微生物群落的代谢产物有关，其中某些物质能够调节土壤pH值，维持其生态平衡。

代谢组学分析进一步揭示了不同处理对生菜代谢物组成的影响。研究发现，M3处理组的生菜中富含多种生物活性化合物，如黄酮类、酚类和萜类物质，这些物质在植物防御机制和生长调节中发挥重要作用。例如，黄酮类化合物能够增强植物的抗氧化能力，而萜类物质则可能通过调节植物激素水平，促进生长和发育。此外，研究还发现，某些代谢物如对羟基十八碳三烯酸（Hydroxy Octadecatrienoic Acid）和藻类衍生的类胡萝卜素（Nostoxanthin）在发酵处理后显著增加，这可能与微生物群落的代谢活动有关，进一步证明了发酵处理在提升作物营养价值方面的潜力。

### 4. 研究意义与未来展望

本研究的发现为农业可持续发展提供了新的视角。通过将碱性玉米加工废水转化为生物活性资源，不仅能够减少农业对合成肥料和淡水资源的依赖，还能提升作物的营养品质和抗逆能力。这一策略符合循环经济的原则，能够实现农业废弃物的资源化利用，同时减少环境负担。此外，研究还表明，发酵处理后的nejayote在土壤持水能力、pH调节和微生物群落稳定性方面表现出良好的性能，使其成为一种具有潜力的农业灌溉替代方案。

然而，尽管研究结果令人鼓舞，仍有一些问题需要进一步探讨。例如，不同发酵阶段对土壤微生物群落的影响尚未完全明确，未来的研究可以采用微生物群落分析技术，如高通量测序和宏基因组学，以深入理解微生物与植物之间的相互作用机制。此外，还需要评估发酵处理对土壤中重金属和其他潜在污染物的去除效果，以确保其在农业生产中的安全性。同时，针对不同土壤类型和气候条件，进一步优化发酵工艺和灌溉方案，将有助于提高该技术的适用性和推广性。

总体而言，本研究展示了发酵处理在农业废水资源化利用中的巨大潜力。通过引入碱嗜微生物群落，不仅能够改善废水的水质，还能提升作物的生长表现和营养价值。这一成果为农业可持续发展提供了新的思路，也为解决全球水资源短缺问题提供了可行的解决方案。未来的研究可以进一步拓展这一技术的应用范围，探索其在其他作物中的效果，并结合更广泛的生态和经济评估，推动其在农业生产中的大规模应用。