利用猪粪、食物垃圾和咖啡渣的厌氧共消化物来促进植物生长

《Chirality》：Enhancing plant growth using anaerobic co-digestate of pig manure, food waste, and coffee grounds

本研究利用猪粪接种物（PMI）、食品废料（FW）和咖啡渣（SCG）厌氧共消化液（AcoDL）作为可持续生物肥料，通过半连续式1000升发酵罐试验，验证其促进植物生长和增加药用植物活性成分的效果。结果表明，AcoDL显著提高生菜鲜重2.7倍，并增强土壤中芦荟科植物的三萜类化合物（如亚洲苷和 madecassoside）含量达2-3倍。AcoDL含植物激素（水杨酸、细胞分裂素）及促进生长的氨基酸（如异亮氨酸、苯丙氨酸），且对土壤微生物群落（如甲烷单胞菌和芽孢杆菌）具有正向调控作用。生物毒性测试显示其安全，重金属含量符合国际标准。研究证实AcoDL可替代传统化肥，兼具提高作物产量和药用价值的功能，为有机废物资源化提供新路径。

　　本研究探索了一种新型的厌氧共发酵液（Anaerobic co-digestate liquid, AcoDL）作为可持续的生物肥料的应用潜力。该共发酵液来源于猪粪便接种物、食品废弃物和废弃咖啡渣（PMI/FW/SCG），具备良好的物理化学特性，并且富含植物生长促进物质，如水杨酸、激动素和必需氨基酸。这些特性使得AcoDL不仅能够提高作物产量，还能促进生物活性化合物的合成，从而在农业中发挥重要作用。此外，研究还确认了AcoDL对农业应用的安全性，表明其对常见土壤微生物如假单胞菌属（Pseudomonas putida）无毒害作用，并且含有极低的有毒微量元素。这些发现为有机废弃物的再利用提供了新的思路，同时也为可持续农业的发展提供了支持。

### 有机废弃物的挑战与解决方案

随着全球人口的持续增长和消费模式的变化，有机废弃物的产生量急剧上升。这些废弃物包括食品、农业、市政和动物残余物，其中食品和动物废弃物是全球食品生产和消费加剧后的主要副产品。据最新估计，仅食品废弃物每年就达约13亿吨，相当于每人每天约1.42公斤。预计到2050年，这一数字将上升至约26亿吨。这些废弃物的大量积累不仅对环境造成严重负担，还可能导致温室气体排放增加和病原体传播。因此，开发和实施创新的废弃物管理策略对于减少环境影响和将有机副产品转化为有价值资源显得尤为重要。

厌氧消化（Anaerobic digestion, AD）作为一种无氧的多步发酵过程，包括水解、酸化、乙酸化和甲烷化，能够有效应对有机废弃物管理的挑战。通过AD，有机废弃物可以被转化为生物燃气，同时生成富含营养和植物激素的消化残渣。这种消化残渣被视为一种环保的化学肥料替代品，能够显著促进植物生长。然而，不同类型的动物粪便在AD过程中表现出不同的限制因素，包括其化学和物理特性，以及适宜的基质来源对高效生物燃气生产和高质量生物肥料生成的影响。因此，为了克服这些挑战，研究者们开始探索动物粪便与其它有机废弃物的共发酵（Anaerobic co-digestion, AcoD）策略。AcoD不仅提高了消化效率，还增强了消化残渣的营养和激素含量，从而创造更有效的生物肥料。此外，AcoD还促进了有益微生物如多种细菌和甲烷菌的生长，进一步提升系统效率。

在本研究中，研究人员通过1000升的中试规模发酵罐，对猪粪便接种物（PMI）与不同比例的食品废弃物（FW）和废弃咖啡渣（SCG）进行共发酵，以确定最佳比例来产生高效生物燃气和生物肥料。实验过程中，发酵罐在严格厌氧条件下运行，确保氧气含量低于0.2%，同时保持甲烷浓度超过60%。研究人员测试了不同比例的SCG与FW的混合情况，包括80:20、60:40、40:60和20:80（其中SCG占FW体积的百分比），并记录了甲烷产量的变化。结果显示，当SCG的比例超过40%时，甲烷产量开始下降，这可能与SCG中高脂含量和复杂的有机化合物如脂肪酸、木质纤维素、木质素、纤维素和其它多糖的抑制作用有关。为了优化甲烷产量并确保完全消化，SCG的比例应控制在40%以下，以维持营养平衡和有效的AD过程。

### AcoDL的特性与生物活性

研究团队对AcoDL的物理化学性质和植物营养成分进行了详细分析，发现其pH值为8.09，电导率为14.44 mS/cm，含有丰富的氮、磷、钾（N–P–K: 0.16–1.23–0.15% w/w）。此外，AcoDL还富含植物生长促进化合物，如水杨酸、激动素和必需氨基酸。这些成分的发现表明，AcoDL不仅能够提供植物所需的营养，还能够通过促进植物生长来提高农业产量。值得注意的是，AcoDL中的微量元素含量极低或未检测到，这进一步证明了其作为农业投入品的安全性，避免了可能的生物累积问题。

在微生物群落分析中，研究人员发现AcoDL中富含有益的微生物种类，尤其是甲烷菌（Methanothrix soehngenii）占比高达55.98%，以及假单胞菌属（Propionibacterium sp.）占比5.76%。这些微生物在AD过程中发挥着关键作用，不仅促进有机物的分解和转化，还能够通过其代谢产物如挥发性脂肪酸（VFA）和植物激素，增强植物的生长和抗逆能力。此外，研究还发现AcoDL中含有植物激素类物质，如水杨酸和激动素，这些物质能够调节植物细胞的生长和发育，提高植物对环境胁迫的适应能力。

### AcoDL对植物生长的促进作用

为了验证AcoDL对植物生长的促进作用，研究人员分别进行了水培和土壤栽培实验。在水培实验中，研究人员使用绿心生菜（Lactuca sativa）作为模型植物，发现AcoDL与传统水培肥料（AB肥料）混合后，绿心生菜的总鲜重增加了约2.7倍，从47.9克增加到127.6克。这一显著增长不仅体现在叶片和根系的鲜重上，还表现在干重、植物高度和冠幅等参数上。统计分析表明，这些增长具有显著性（p < 0.05和p < 0.01），说明AcoDL对植物生长具有积极影响。

在土壤栽培实验中，研究人员使用水蓑草（Centella asiatica）作为目标植物，发现当AcoDL与牛粪（CM）结合使用时，植物的生物活性化合物如亚洲草酸（asiaticoside）和水蓑草酸（madecassoside）的含量显著提高，分别达到71.49 mg和41.55 mg，是对照组的2–3倍。这些化合物具有多种药理活性，包括抗炎、抗氧化、抗菌、抗癌和抗疟疾作用，因此它们的增加对植物的健康和药用价值具有重要意义。同时，AcoDL与CM的结合还促进了植物的根系和茎的生长，增加了植物的叶片数量和总生物量。

### AcoDL的生物安全性

为了确保AcoDL在农业应用中的安全性，研究人员进行了生物毒性测试，评估其对土壤微生物如假单胞菌属（Pseudomonas putida）的影响。结果显示，AcoDL在不同浓度下（5%、10%和20% v/v）对P. putida的生长有一定程度的抑制作用，但随着培养时间的延长，细菌的生长逐渐恢复，表明AcoDL可能通过提供营养物质促进微生物的适应和生长。这些结果表明，AcoDL在农业应用中具有一定的生物安全性，其毒性较低，不会对土壤微生物造成严重威胁。

### 微生物群落与植物生长促进

通过宏基因组测序，研究人员对AcoDL中的微生物群落进行了分析，发现其中含有丰富的微生物种类，这些微生物在AD过程中发挥着关键作用，并且能够促进植物生长。例如，假单胞菌属（Propionibacterium sp.）在AcoDL中占比较高，这可能与其在AD过程中将水解产物转化为VFA如丙酸的能力有关。此外，AcoDL中还检测到其他酸化微生物，如Trichococcus ilyis、Rhizobiales bacterium、Lentimicrobium saccharophilum和Bacteroidetes bacterium，这些微生物能够将小分子物质发酵为VFA和醇类，为甲烷菌提供生长所需的底物。

在甲烷菌方面，研究发现AcoDL中以醋酸菌（Methanothrix soehngenii）为主，占55.98%。醋酸菌能够将乙酸转化为甲烷和二氧化碳，这在高乙酸浓度的条件下具有显著的热力学优势。此外，AcoDL中还含有其他甲烷菌如Methanosaeta sp.和Methanospirillum hungatei，这些菌株能够利用不同的底物如甲酸和氢气/二氧化碳进行甲烷化。这些微生物的共存减少了竞争，提高了整体甲烷产量，与共发酵系统的优点相一致。

### AcoDL的植物生长促进机制

AcoDL对植物生长的促进作用主要归因于其丰富的营养成分和微生物群落的协同效应。水杨酸和激动素等植物激素能够调节细胞分裂、延迟衰老，并激活次生代谢通路，从而促进植物的生长。此外，AcoDL中的氨基酸如谷氨酸和脯氨酸能够作为氮源和渗透调节物质，改善植物的水分状况和代谢活动。这些因素共同作用，使得AcoDL能够显著提高植物的生物量，特别是在水培和土壤栽培条件下。

### 生物活性化合物的增加

除了促进植物生长，AcoDL还能够提高植物中生物活性化合物的含量。在水蓑草中，研究人员发现AcoDL与CM结合使用时，六种三萜类化合物（asiaticoside、asiaticoside B、madecassoside、madecassic acid、terminolic acid和asiatic acid）的含量显著增加，其中asiaticoside和madecassoside的含量分别达到71.49 mg和41.55 mg，是对照组的2–3倍。这些化合物具有多种药理活性，因此它们的增加不仅提高了植物的健康水平，还增强了其药用价值。

### AcoDL的综合应用与可持续发展

本研究的结果表明，PMI/FW/SCG AcoDL不仅是一种有效的生物肥料，还能够促进植物生长和生物活性化合物的合成。通过将有机废弃物转化为高价值的农业投入品，这一方法不仅提高了农业生产力，还支持了可持续农业的发展。此外，AcoDL的应用还符合循环经济的原则，能够减少对合成肥料的依赖，降低农业对环境的影响。

研究团队还指出，AcoDL的应用需要谨慎控制浓度，以确保其对植物生长的促进作用最大化，同时避免可能的生物毒性。未来的研究应进一步探讨AcoDL对土壤健康、植物抗病性和大规模农业应用的可行性。此外，还需要评估环境条件和季节变化对其效果的影响，以优化其在不同作物生产系统中的应用。

### 结论

本研究展示了PMI/FW/SCG AcoDL在农业中的应用潜力。通过水培和土壤栽培实验，研究人员发现AcoDL不仅能够显著提高植物的生长参数，还能促进生物活性化合物的合成。这些结果强调了将废弃物管理与农业实践相结合的重要性，有助于推动循环经济的发展，提高农业的可持续性。未来的研究应进一步探讨AcoDL的长期影响和其在不同环境条件下的适用性，以确保其在更广泛的农业系统中的有效应用。