《Cleaner Engineering and Technology》：Comparative performance of
Hermetia illucens and
Eisenia fetida for organic waste bioconversion under laboratory and field conditions
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有机废弃物的生物价值化可支撑循环经济实践并降低城市固体废物管理的环境影响。然而，关于黑水虻（Hermetia illucens）与赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）在实验室和现场条件下性能有效性的比较证据仍然有限，尤其是在新热带城市环境中。本研究使用从
有机废弃物的生物价值化可支撑循环经济实践并降低城市固体废物管理的环境影响。然而，关于黑水虻（Hermetia illucens）与赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）在实验室和现场条件下性能有效性的比较证据仍然有限，尤其是在新热带城市环境中。本研究使用从墨西哥哈拉帕中央批发市场采集的果蔬残余物，评价了黑水虻幼虫与赤子爱胜蚓成体。采用完全随机设计，设三个处理（黑水虻、赤子爱胜蚓及不添加生物的对照），在每个处理的三个实验室季节中各设30个重复，并在一个雨季现场试验中设30个重复。研究人员通过废弃物减量率、处理时间和生物量净增率评估性能。在实验室中，处理、季节及其交互作用显著影响废弃物减量率和处理时间（P < 0.05）。生物量净增率在物种间差异显著，并检测到显著的处理×季节交互作用。黑水虻始终表现出比赤子爱胜蚓更高的废弃物减量率和更短的处理时间，但实验室处理差异的幅度随季节变化。此外，现场试验处理时间更长，因规模和生物与废弃物负荷比与实验室不同而单独分析。物种选择应与废物管理计划的运营目标和环境背景相一致。这一考量在废物管理系统往往效率低下的中低收入城市尤为关键。
研究背景方面，随着人口增长、城市化、收入提高和消费模式变化，城市固体废物（MSW）产生量持续增加，预计2022年全球产生约25.6亿吨，2050年将达38.6亿吨。食品和绿色废物约占全球MSW的44%，这一庞大的可生物降解组分既是管理挑战，也是资源回收机遇。不充分的MSW管理可阻塞排水、通过露天焚烧造成空气污染，并在分解过程中产生温室气体排放。有机废物管理系统常面临处理时间长、资源回收有限以及处理技术与当地运营需求难以匹配等问题。循环经济框架为保留资源和减少废物产生提供了思路，生物处理可从有机残余物中回收有用物质。利用昆虫和蚯蚓进行生物转化提供了不同的有机废物处理和资源回收路径，其中黑水虻（Hermetia illucens）和赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）是两种广泛研究的生物。然而，新热带城市相关条件下的比较证据仍然有限。本研究旨在比较黑水虻和赤子爱胜蚓在三个实验室季节和一个雨季现场试验中的废弃物减量率、处理时间和生物量净增率，假设黑水虻将实现更高的废弃物减量和生物量增率以及更短的处理时间，特别是在温暖季节。研究得出，在所评估条件下，黑水虻在单独分析的实验室和现场实验中均表现出比赤子爱胜蚓更高的废弃物减量率、更高的生物量净增率和更短的处理时间，实验室处理差异取决于季节，而现场证据仅限于雨季。这些发现支持黑水虻作为优先考虑快速废物减量和生物量回收时的候选物种。赤子爱胜蚓在所评估的实验室季节中表现出相对一致的废弃物减量，是蚯蚓堆肥的替代选择，但较高的残余底物比例并不增加肥料产量或改善农艺质量。处理选择应考虑测得的处理性能、当地运营条件和预期资源回收目标。研究意义在于为分散式有机废物管理中的生物转化生物选择提供了实用标准，特别是在基础设施有限的城镇和社区，并为循环经济策略下基于具体情境的生物有机废物管理和资源回收决策提供了比较证据。
在技术方法方面，研究在墨西哥韦拉克鲁斯州哈拉帕市Banderilla-哈拉帕-埃米利亚诺萨帕塔都市区的市政堆肥设施（MCF）开展现场研究，实验室实验在室温下进行。有机废物采自哈拉帕中央批发市场，由香蕉、木瓜、芒果、番茄、生菜、洋葱、胡萝卜和西兰花残余物均匀混合而成，经7天预堆肥后使用。建立黑水虻群体以确保持续供应相似发育阶段的幼虫，赤子爱胜蚓成体取自市政堆肥设施的稳定蚯蚓养殖系统。实验室实验采用完全随机设计，每实验单元含200 g预堆肥有机废物和10 g商业腐殖质，接入10 g幼虫或蚯蚓，每处理30个重复，在雨季（2024年9月）、旱季（2024年11月）和温暖季（2025年5月）重复，共270个实验单元。现场实验每单元含1000 g预堆肥底物和50 g腐殖质，接入10 g生物，每处理30个重复共90个单元。统计分析采用Shapiro-Wilk正态性检验，不符合正态假设的变量使用广义线性模型（GLM，Gamma误差分布和对数链接函数），经对数转换满足假设的变量使用线性模型（LM），显著性设定为P < 0.05，使用R 4.5.1版本分析。
研究结果方面，实验室生物转化性能中，废弃物减量率方面，GLM显示处理（LR = 21802.79，df = 2，P < 0.001）、季节（LR = 2381.69，df = 2，P < 0.001）及其交互作用（LR = 2531.71，df = 4，P < 0.001）均显著，黑水虻在三个季节中始终表现出比赤子爱胜蚓更高的废弃物减量率，对照最低。生物量净增率方面，处理间差异显著（F = 223.44，df = 1，P < 0.001），季节无总体效应（F = 1.48，df = 2，P = 0.230），但处理×季节交互作用显著（F = 3.49，df = 2，P = 0.033），黑水虻生物量净增率高于赤子爱胜蚓。处理时间方面，处理（LR = 183982.4，df = 2，P < 0.001）、季节（LR = 27722.25，df = 2，P < 0.001）及其交互作用（LR = 3613.34，df = 4，P < 0.001）均显著，黑水虻始终在更少天数内完成生物转化，对照处理时间最长。现场生物转化性能中，废弃物减量率处理间差异显著（LR = 244.86，df = 2，P < 0.001），黑水虻最高，赤子爱胜蚓次之，对照最低。生物量净增率两物种间差异显著（F = 14.12，df = 1，P < 0.0004），黑水虻高于赤子爱胜蚓。处理时间处理间差异显著（LR = 556.4，df = 2，P < 0.001），黑水虻最短，赤子爱胜蚓次之，对照最长。
讨论部分总结：研究提供了来自三个实验室季节和一个雨季现场试验的比较证据，实验室和现场结果因底物数量和生物与废弃物负荷比不同而单独分析。对照的质量损失表明无幼虫或蚯蚓时底物也会减少，可能源于非灭菌底物中的微生物活动以及分解过程中的水分损失和气体排放，对照提供了解释处理差异的基线而非微生物分解的直接度量。黑水虻较高的废弃物减量率可能与其摄食活动、代谢及与相关微生物的相互作用有关，但这些机制未在本研究中测定。黑水虻生物量净增率较高与先前研究中描述的幼虫生物量回收潜力一致，但净生物量增不能区分个体生长与存活相关变化，因为死亡率未系统量化。观察到的废弃物减量季节性变化与幼虫生物量增加并不直接对应，表明底物减量和生物量积累是生物转化的不同方面。赤子爱胜蚓在所评估的实验室季节中废弃物减量相对一致，但这一模式不应解释为赤子爱胜蚓不受气候变异影响。研究建议中型城市和当地有机废物产生者在选择生物处理系统时应评估多种运营标准，当快速处理和有限储存容量是主要约束时推荐黑水虻，当优先考虑蚯蚓堆肥生产且可接受较长停留时间时赤子爱胜蚓适用。未来研究可评估黑水虻-赤子爱胜蚓序贯系统。研究局限性包括现场实验仅在雨季进行、实验室和现场实验使用不同废物数量和负荷比、生物转化终点使用视觉和嗅觉操作标准而非物理化学成熟度指标、废弃物减量基于鲜质量估计、未量化最终虫粪或蚯蚓堆肥产量及养分组成等。尽管如此，本研究提供了两种广泛使用的生物制剂在季节性实验室条件和雨季现场条件下有机废物生物转化性能的有价值比较证据，表明黑水虻和赤子爱胜蚓代表功能上不同的处理替代方案，其选择应依据预期资源回收目标、运营需求和当地环境条件。
研究结论翻译：在所评估的条件下，黑水虻在单独分析的实验室和现场实验中表现出比赤子爱胜蚓更高的废弃物减量率、更高的生物量净增率和更短的处理时间。实验室处理差异取决于季节，而现场证据仅限于雨季。这些发现支持黑水虻作为优先考虑快速废物减量和生物量回收时的候选物种。赤子爱胜蚓在所评估的实验室季节中表现出相对一致的废弃物减量，是蚯蚓堆肥的替代选择。然而，较高的残余底物比例并不增加肥料产量或改善农艺质量。最终虫粪和蚯蚓堆肥产量、养分组成、成熟度和农艺性能未被测定。因此，处理选择应考虑测得的处理性能、当地运营条件和预期资源回收目标。未来研究应在所有季节的现场条件下评估两种物种，利用标准化负荷率并进行干物质和养分平衡的综合分析。还必须表征所得蚯蚓堆肥和虫粪的产量及物理化学、微生物学和农艺特性。每种处理的经济可行性、环境影响和可扩展性也应系统评估。本研究为分散式有机废物管理中的生物转化生物选择提供了实用标准，特别是在基础设施有限的城镇和社区。有效的源头分类和一致的原料质量需要家庭、市场、废物部门工人和当地机构的积极参与。市政府应在学术和技术组织支持下，将有机废物分类的社区培训与试点处理单元的实施和监测相结合。本研究提供了黑水虻和赤子爱胜蚓之间的比较证据，以指导循环经济策略下基于具体情境的生物有机废物管理和资源回收决策。
