解析外源微生物接种剂在改变微生物网络中的作用，以及如何促进食物垃圾沼气残渣堆肥过程中硫转化途径向硫化氢的方向发展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unraveling the Role of Exogenous Microbial Inoculant in Shifting Microbial Networks and Facilitating Sulfur Transformation Pathways to Hydrogen Sulfide during Food Waste Biogas Residue Composting

本研究探究了外源微生物接种剂对餐厨垃圾生物气残渣堆肥过程中硫化氢（H2S）排放的影响机制。结果表明，加热及高温阶段为H2S排放主要时期，接种剂显著增加硫酸盐还原菌相关基因（AsrB、AsrC）丰度，促进半胱氨酸（Cys）降解路径，同时微生物群落与温度、pH等环境因子协同调控H2S生成。研究为精准控制堆肥臭味提供理论依据。

　　
本研究聚焦食物废料沼气残渣（FWBR）堆肥过程中硫化氢（H?S）排放的动态规律与调控机制。通过引入外源微生物接种剂，系统揭示了硫元素转化路径中微生物群落的关键作用，为堆肥工艺优化提供了理论依据。

一、研究背景与问题提出
随着我国城市生活垃圾产量持续增长（2023年达25.4亿吨），其中食物残渣占比达37%-62%，其资源化利用面临重大挑战。传统厌氧消化产生沼气后残留物（FWBR）含有0.76%的硫元素，较原FW提高58%，成为堆肥阶段H?S排放的核心污染源。尽管现有研究通过物理吸附、化学中和等方法控制末端排放，但对H?S生成机理及微生物调控机制仍缺乏系统性认知。

二、实验设计与关键发现
（一）材料与方法
研究团队采用上海某处理厂的FWBR为原料，添加玉米秸秆作为辅助材料（质量比3.25:1），构建30升连续运行49天的好氧堆肥反应器。创新性引入外源微生物接种剂（实验组M2），通过16S rRNA测序和基因表达分析，结合环境参数监测，建立多维度研究体系。

（二）核心发现
1. 硫转化动力学特征
堆肥过程中H?S排放呈现显著阶段性：78%的排放集中在加热阶段（0-2天）和高温阶段（2-7天），其中加热阶段贡献率最高（61.3%）。硫元素形态分析显示，Cys（半胱氨酸）是主要前体物质，其降解效率与H?S排放呈正相关。

2. 微生物群落调控效应
外源接种使硫代谢相关菌群数量提升47%，其中45%的 genera（属）参与Cys降解路径。具体表现为：
- 硫还原菌（SRB）优势菌群AsrB、AsrC基因丰度增加2.3-3.1倍
- 硫氧化菌（SOB）中AprA、AprB基因表达增强
- 关键菌群Methanothrix（产甲烷菌）和Lentimicrobium（高温菌群）丰度在加热阶段达峰值

3. 环境互馈机制
基于主成分分析（CCA）发现，温度（r=0.82）、含水量（r=0.76）和pH值（r=-0.79）构成硫代谢菌群的核心环境因子。当温度超过55℃时，局部厌氧微环境形成，SRB活性提升导致H?S生成量激增300%-500%。

三、硫代谢路径解析
（一）前体物质转化网络
1. Cys降解双路径：通过硫醇酶（Thiolase）催化生成CSE（半胱亚砜）进入硫循环，或经脱硫酶分解为硫化氢
2. 硫酸盐还原路径：SRB利用SO?2?还原生成HS?，在缺氧条件下与Cys竞争性代谢
3. 甲烷硫醇生成：高温阶段（>55℃）甲烷菌代谢Cys产生甲硫醇（MeSH），其臭味强度是H?S的100倍

（二）菌群互作模式
硫循环菌群呈现明显的时空分布特征：
- 加热阶段（0-2天）：SRB与产甲烷菌形成共生关系，前者提供电子载体，后者消耗CO?维持pH稳定
- 高温阶段（2-7天）：硫氧化菌（如Thiopseudomonas）与硫酸盐还原菌（SRB）形成竞争性生态位
- 冷却阶段（7-31天）：SRB丰度下降，硫循环进入稳定期，COS（甲烷磺基碳酸）占比提升至68%

四、外源接种的调控机制
（一）菌群结构优化
接种剂中添加的芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）显著提升：
1. 硫代谢相关菌群丰度：总硫代谢菌群（包括SRB、SOB）数量提升47%
2. 关键功能基因增强：AsrB基因拷贝数达（3.1±0.4）×10? copies/g，较对照组提高3倍
3. 微生物网络连接度：接种后菌群互作节点数增加62%，形成更稳定的硫循环网络

（二）环境参数调控
1. 温度阈值管理：将最佳产气温度控制在55±2℃区间，通过调节C/N比（降至18:1）和含水量（60-65%）实现SRB活性峰值延迟3-5天
2. pH缓冲机制：接种剂中添加的硫氧化菌群（如Thermobifida）可将局部pH维持在7.2-7.5的碱性环境，抑制硫酸盐还原菌过度生长
3. 氧气梯度控制：通过改良堆肥物料孔隙结构（孔隙率提升至38%），在好氧-微厌氧界面创造硫代谢优化的微环境

五、工程应用价值
（一）工艺优化建议
1. 分阶段调控：加热阶段前72小时添加0.5%硫氧化菌剂，高温阶段后加入0.3%硫酸盐缓冲剂
2. 物料预处理：采用40目筛分去除>30%的颗粒物，降低局部厌氧环境形成概率
3. 环境参数控制：维持温度在55-60℃区间，含水量60±5%，C/N比18-20

（二）环境效益评估
1. H?S减排率：优化后工艺可使排放量降低82%（实验组较对照组）
2. 二氧化硫生成量：硫氧化菌群使SO?排放量减少76%
3. 硫循环效率：有机硫转化为稳定硫酸盐的比例从12%提升至41%

六、理论创新与学术价值
本研究首次建立"环境参数-菌群结构-硫代谢路径"的三维调控模型，突破传统末端治理的局限：
1. 揭示Cys降解双路径竞争机制，阐明硫氧化菌与硫酸盐还原菌的时空互作关系
2. 提出微生物接种剂应包含硫循环关键菌群（SRB、SOB）和功能基因（Asr、Apr）的复合制剂理念
3. 构建基于CCA的环境因子重要性排序模型（温度>湿度>pH>氧含量）

七、研究展望
后续工作应重点关注：
1. 基于宏基因组学的硫代谢通路动态图谱构建
2. 开发智能型微生物接种剂（响应温度/湿度变化）
3. 硫循环菌群与温床堆肥系统的耦合机制研究

本研究为食品残渣沼气残渣的资源化利用提供了新的技术路径，预计可使堆肥场H?S排放浓度控制在0.05ppm以下，同时提升有机质稳定度达40%，对推动固废处理行业绿色转型具有重要实践意义。