在黑水虻粪便与猪粪共同堆肥的过程中，微生物机制如何促进腐殖化作用及氮素的保留

《Waste Management》：Microbial mechanisms enhancing humification and nitrogen retention during co-composting of black soldier fly frass and pig manure

黑 soldier fly幼虫粪便与不同储存时间的猪粪协同堆肥对有机质转化及微生物群落的影响研究，采用稻壳调节碳氮比和孔隙结构，发现储存10天的猪粪（FM）组高温阶段最长（>50℃持续15天，>55℃持续8天），且具有最高发芽指数（64.41±2.13%）和氮含量（4.09±0.21%）。UV-Vis光谱和3D-EEM分析证实FM组腐殖酸形成效率最高，微生物群落分析显示关键菌种（如Bacillus spp., Micrococcales, Saccharomonospora, uncultured Sphingobacteriaceae）通过功能基因（如氮同化与固定）协同促进有机质稳定，抑制反硝化作用减少氮流失，为有机废弃物资源化提供新策略。

　　近年来，随着经济的快速发展和全球人口的增长，食品废弃物的产生量逐年上升，尤其是在餐饮业、公共食堂和家庭中，肉类、脂肪、水果和蔬菜等有机成分构成了食品废弃物的主要部分，约占城市固体废弃物的40%。在中国，预计到2025年，食品废弃物的产量将达到约25亿吨。面对如此庞大的废弃物量，探索高效的处理技术变得尤为重要。其中，黑 soldier 飞虫幼虫（BSFL）作为一类具有广泛适用性的生物转化工具，因其独特的食性、快速的繁殖能力以及高效的有机物降解性能，受到了越来越多的关注。BSFL能够将有机固体废弃物转化为高质量的动物蛋白饲料，同时其分泌的抗菌肽还具有抑制有害病原菌如沙门氏菌和大肠杆菌的潜力。

然而，在BSFL完成对食品废弃物的生物转化后，会产生大量富含营养的虫粪（frass）。这些虫粪主要由幼虫排泄物、未消化的基质和微生物生物质组成。尽管BSFL虫粪具有较高的芳香性和成熟度，以及丰富的几丁质和生物代谢产物，还拥有一个多样化的微生物群落，使其成为一种优质的生物有机肥料，但其生物化学稳定性较差，且由于来源于食品废弃物，虫粪中盐分含量较高，导致其直接或不当的土地利用可能对作物生长产生负面影响。因此，为了进一步提升BSFL虫粪的成熟度和稳定性，减少其生物毒性，有必要对其进行二次堆肥处理。

在中国，畜牧业和家禽养殖业非常发达，每年都会产生大量的猪粪。猪粪富含氮、磷、镁、钾和钠等矿物质，是堆肥过程中的理想原料。此外，经过一定时间储存的猪粪往往含有更加丰富的微生物群落，有助于促进堆肥过程中有机物的分解。然而，单独堆肥猪粪可能会导致温室气体如二氧化碳和氨气的释放，从而对环境造成不利影响。BSFL虫粪中富含来自昆虫肠道的益生菌，这些益生菌与猪粪中的原生微生物群落相结合，可以形成更加多样化的微生物生态系统，进而加速有机质的分解。同时，BSFL虫粪中的抗菌肽和具有竞争优势的微生物还能够抑制猪粪中潜在有害细菌的增殖，降低堆肥过程中的卫生风险。此外，猪粪还能有效稀释BSFL虫粪中的盐分，提高其适合作为肥料的潜力。

尽管BSFL虫粪与猪粪的协同堆肥具有诸多优势，但目前对此方面的研究仍较为有限。因此，本研究旨在系统探讨BSFL虫粪与猪粪共堆肥的效果，以期为有机废弃物的高值化回收提供新的思路和策略。研究的三个主要目标包括：（1）优化堆肥过程的效率；（2）全面追踪有机物成分在堆肥过程中的动态变化；（3）揭示微生物介导的基质降解机制。通过实现这些目标，本研究希望为废弃物管理与资源回收领域带来重要的进展。

为了实现上述目标，本研究选择了稻 bran 作为堆肥的调理剂，以调节初始堆肥的碳氮比（C/N）和孔隙度，从而确保堆肥过程的质量。实验设置了四个不同的堆肥组：对照组（SF）仅包含BSFL虫粪；实验组（FN）由90%的BSFL虫粪和10%的稻 bran 组成；实验组（FR）由50%的BSFL虫粪、40%的新鲜猪粪和10%的稻 bran 组成；实验组（FM）由70%的BSFL虫粪、20%储存10天的猪粪和10%的稻 bran 组成，所有组别均以干重为基准进行配比。通过比较这些不同组别在堆肥过程中的表现，研究者希望找到最佳的堆肥配方，以提升有机物的转化效率和堆肥产品的质量。

在物理化学特性方面，温度是评估堆肥过程的重要指标之一，它直接影响有机物的矿化、微生物群落的结构及其代谢功能。本研究发现，当BSFL虫粪单独进行堆肥时，其温度波动较大，整个堆肥过程未能达到高温阶段（图1）。然而，对于FN、FR和FM三个实验组，其温度变化趋势与典型的堆肥过程一致。在堆肥初期，这些组别均经历了温度的迅速上升，随后进入高温阶段，最后逐渐降温，最终达到稳定状态。其中，FM组表现出最显著的高温阶段，其温度在50℃以上持续了15天，且在55℃以上维持了8天，显示出较强的热稳定性。这表明，储存10天的猪粪在与BSFL虫粪共堆肥时，能够有效促进高温阶段的形成，从而加速有机物的分解和矿化过程。

除了温度之外，堆肥过程中还涉及多种物理化学参数的变化，包括pH值、含水率、电导率和碳氮比等。这些参数的变化反映了堆肥过程中有机物的转化状态以及微生物活动的强度。研究结果显示，FM组的pH值变化最为平稳，始终维持在适宜的范围内，有利于微生物的生长和代谢活动。同时，FM组的含水率和电导率也表现出较好的平衡，表明其在堆肥过程中能够有效保持水分和盐分的稳定，从而避免了因水分过多或过少而导致的堆肥失败。此外，FM组的碳氮比显著低于其他组别，这有助于促进氮的转化和保留，减少氮的损失。

在有机物成分的动态变化方面，溶解有机质（DOM）作为堆肥过程中高度活跃的有机组分，为微生物的繁殖和代谢提供了关键的碳源和能量来源。DOM的结构和组成变化能够反映堆肥过程中有机质的转化动态，是评估堆肥成熟度和稳定性的可靠生物标志物。通过紫外-可见光谱（UV–Vis）和三维荧光光谱仪（3D-EEM）分析，研究发现FM组在堆肥过程中DOM的转化速度最快，且最终形成了更多的稳定腐殖质。这表明，储存10天的猪粪与BSFL虫粪的协同作用能够有效促进DOM向腐殖质的转化，提高堆肥产品的品质和稳定性。

微生物群落的分析是本研究的重点之一，因为微生物在堆肥过程中起着至关重要的作用。它们不仅能够将大分子有机物分解为小分子，还能将中间产物聚合为稳定的腐殖质，最终决定有机物的转化效率和堆肥的质量。通过高通量测序技术，研究者对各组堆肥样品中的微生物群落进行了系统分析，发现FM组的微生物多样性最高，且在堆肥过程中形成了以芽孢杆菌属（Bacillus spp.）、微球菌目（Micrococcales）、糖单胞菌属（Saccharomonospora）和未培养的鞘氨醇单胞菌科（uncultured Sphingobacteriaceae）为主的微生物群落。这些关键菌群在堆肥过程中表现出较强的代谢活性，能够有效促进有机物的分解和转化，同时抑制有害微生物的增殖，提高堆肥产品的安全性。

进一步的功能预测分析基于PICRUSt2工具，揭示了BSFL虫粪与猪粪共堆肥过程中氮素固定和同化能力的增强，以及反硝化作用的抑制。这种微生物介导的氮素转化机制有助于提高氮的保留率，减少氮的损失，从而提升堆肥产品的营养价值和肥效。此外，研究还发现FM组的氮素保留率达到了4.09%，显著高于其他组别，这表明储存10天的猪粪在与BSFL虫粪共堆肥时，能够有效促进氮素的固定和保留，提高堆肥产品的质量。

综上所述，本研究通过系统分析BSFL虫粪与猪粪共堆肥的物理化学特性、有机物成分的动态变化以及微生物群落的演替过程，揭示了储存10天的猪粪在共堆肥过程中对堆肥性能的显著提升作用。FM组不仅表现出最长的高温阶段，还实现了较高的氮素保留率和腐殖质形成效率，表明其在堆肥过程中具有最佳的协同效应。这些发现为将昆虫生物转化与畜禽粪便堆肥相结合，实现有机废弃物的高效资源化利用提供了科学依据和实践指导。通过进一步优化堆肥配方和条件，有望开发出更加环保、高效和可持续的有机废弃物处理技术，为城市垃圾管理和农业可持续发展做出重要贡献。