《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Earthworm activity and its gut microbiota drive the valorization of municipal sewage sludge by enhancing aggregate stability and phytohormone content
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本研究系统优化蚯蚓堆肥工艺，显著提升产物团聚体稳定性和植物激素含量，机制研究表明肠道微生物多样性通过PLS-PM模型证实对产物功能属性有显著影响，为污泥资源化提供科学依据。
徐云香|王金|苏国勋|吴一昭|李家义|周怀祥|易小英|唐丽|沈彦军|李银生|赵琪
上海交通大学农业与生物学院，中国上海200240
摘要
未经处理的市政污泥（MSS）可能含有病原体、潜在的有毒元素和不稳定的有机物质，对土壤生态系统和公共卫生构成严重威胁。蚯蚓堆肥是一种有前景的生物处理方法。虽然目前的应用主要集中在废物稳定化上，但其产品增值潜力和形成机制仍需进一步探索。本研究通过系统优化蚯蚓堆肥过程，生产出具有功能性价值的生物产品，从而推动了这一技术的发展。我们的蚯蚓堆肥产品表现出更高的团聚体稳定性，水稳性大团聚体（>2.00毫米）的比例从20.65%提高到36.40%；同时，植物激素含量也显著增加，生长素和赤霉素的含量分别提高了27.0%和120.4%。这些结果表明，团聚体稳定性和植物激素含量是补充传统成熟度指标的关键功能性特征。从机制上讲，蚯蚓肠道是这一过程的主要驱动因素，是微生物多样性的热点区域。这与最终堆肥基质的特性形成鲜明对比——后者虽然含有特定微生物群落，但α多样性较低。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进一步证实了微生物多样性对植物激素合成（路径系数=0.87）和团聚体形成（路径系数=0.13）的积极影响，证明了这些参数对产品营养价值的贡献。因此，我们的研究结果表明蚯蚓肠道微生物群能够促进植物激素的产生，而植物激素又从生化层面增强了蚯蚓活动形成的大团聚体的稳定性。这些发现明确了参数优化、微生物群落增强与高价值蚯蚓堆肥生产之间的关联，为MSS资源回收和可持续废物管理实践提供了科学依据。
引言
市政污泥（MSS）是城市污水处理的必然副产品，预计到2025年中国年产生量将达到9000万吨[24]。作为一种具有双重特性的废物，MSS不仅含有宝贵的营养物质，还含有重金属、有机污染物和病原体等有害物质。如果处理不当，它将给环境管理带来严峻挑战，并通过地下渗漏和食物链积累威胁生态系统稳定性和公共卫生[17][34][47]。
蚯蚓堆肥作为一种有前景的生物方法，利用蚯蚓和微生物的协同作用将MSS转化为稳定的生物肥料[13][19]。该过程在降低碳氮比（C/N）、减少污染物以及提高植物必需营养素的生物利用率方面已被广泛证实有效[22]。然而，现有研究大多将蚯蚓堆肥局限于废物稳定化策略，忽视了其转化为高价值生物产品的潜力。
传统的成熟度指标（如种子发芽率和碳氮比）虽然提供了基本信息，但不足以全面反映蚯蚓堆肥带来的独特功能性变化[39]。最新研究强调了团聚体稳定性对土壤结构、通气性和养分保持的重要作用[2]，以及植物激素对生物刺激效果的促进作用[16][26]。然而，这些高级特性作为系统优化多参数的目标尚未得到充分探索。此外，微生物在MSS降解过程中也起着关键作用[48]，尤其是蚯蚓肠道，它是一个独特的微生物热点区域，能够加速有机物分解[43]并容纳能够产生有价值化合物的特定微生物。例如，已有研究表明某些肠道细菌可以转化和富集植物激素前体[4]。但以往研究主要集中在生态压力下的微生物功能或基本废物稳定化方面，对于如何专门利用这一肠道机制实现MSS增值仍缺乏了解。尽管传统研究强调污染物去除和基本养分回收[9]，蚯蚓肠道微生物群对团聚体稳定性和植物激素富集的协同作用尚未得到明确阐述。因此，本研究开发并验证了一种针对MSS堆肥的功能优化策略，主要目标如下：（1）系统优化关键操作参数，以提高最终产品的团聚体稳定性和植物激素含量；（2）通过生物学和统计建模阐明蚯蚓肠道微生物群的驱动机制。研究假设优化条件将促进特定肠道微生物群的形成，这是产品增值的主要机制。这项研究将为设计先进的蚯蚓堆肥系统及其增值产品的质量评估提供科学依据。
原材料和蚯蚓
MSS使用污泥脱水压滤机进行脱水处理，然后从中国湖州的一个小型城市污水处理厂收集（坐标：121°E, 31°N）。根据成本效益和地区可获得性，选择了两种辅助材料：泥炭土和稻壳。泥炭土购自山东临川启超园艺有限公司，稻壳则来自湖南毛洲产品有限公司。植物激素分析试剂盒由...
确定同时优化降解和蚯蚓活力的关键参数
初步观察发现，在35天的蚯蚓堆肥过程中，蚯蚓的生长和存活率随时间变化，而污泥的降解率显著提高（见图S1）。这突显了操作参数在维持过程效率和蚯蚓活力方面的关键作用，这两者对于实现稳定高效的处理和生产高质量产品至关重要。因此，我们首先系统地确定了最佳操作参数...
结论
通过关注超越传统成熟度指标的功能性特征，本研究为通过蚯蚓堆肥实现MSS增值提供了新的依据。我们系统优化的蚯蚓堆肥过程使得产品的团聚体稳定性显著提高（最大水稳直径MWD提高了61.7%，R0.25提高了73.5%，团聚体强度AR提高了185.0%），植物激素含量也显著增加，尤其是赤霉素增加了120.4%。从机制上看，这些改善是由蚯蚓肠道驱动的...
作者贡献声明
李银生：监督、研究。赵琪：撰写——审稿与编辑、监督、研究、资金获取、概念构思。徐云香：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究、数据分析。王金：研究。易小英：研究。唐丽：研究。沈彦军：研究。苏国勋：方法学设计、数据分析、数据管理。吴一昭：研究。李家义：初稿撰写。周怀祥：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFE0112000）、西岭沟盟科技计划项目（HZ202401）以及上海交通大学与内蒙古自治区的科技合作项目“通过科技振兴内蒙古”（2024XYJG0001-01-06）的支持。
