基于蚯蚓粪液(Vermiliquor)与单一发酵食品制得的厨余基水培肥料(FWBHF)之比较养分分析

《Renewable Agriculture and Food Systems》：Comparative nutrient analysis of food-waste-based hydroponic fertilizers derived from vermiliquer and individually fermented food items

　　

开发厨余基水培肥料(Food-Waste-Based Hydroponic Fertilizer, FWBHF)可应对日益扩张的城市化及城市园艺的普及，改善食物生产系统中的养分循环与可持续性。本研究将一系列食品分为富含蛋白质组、富含碳水化合物组和富含纤维组三大类，经厌氧发酵、好氧发酵及蚯蚓堆肥(Vermicomposting)技术处理后，分析其浸提液中的植物有效性无机养分及重金属含量，并与常规合成水培营养液对照比较。关键发现表明所有处理均存在氮(N)与钙(Ca)缺乏。富含蛋白质组(牛肉与鸡肉)在好氧与厌氧处理间养分有效性基本一致，但好氧发酵产生的磷(P)和钾(K)水平显著高于对照组。富含碳水化合物组(意面与面包)各处理间变异较大，同种处理常产生相互矛盾的养分结果，归因于小麦品种差异及附加值加工工艺影响该组无机养分有效性。蚯蚓堆肥浸出液即蚯蚓粪液(Vermiliquor)中钾(K)、磷(P)、镁(Mg)和锌(Zn)与对照组统计无显著差异，但显著缺乏氮(N)、钙(Ca)和硫(S)。尽管如此，与发酵处理相比，蚯蚓粪液重金属与元素毒性低且无异味，被认定为潜在的"全合一"解决方案。本研究旨在通过剖析不同食品组经蚯蚓堆肥及好氧/厌氧发酵后的无机养分有效性特征，为未来FWBHF的开发提供依据。

基于厨余发酵与蚯蚓堆肥的水培肥料养分特征及适用性研究解读

《Renewable Agriculture and Food Systems》刊载的此项研究，针对传统合成水培肥料依赖能耗密集的非可再生资源（如工业合成氨、磷矿开采），且面临矿物枯竭与经济性制约的问题，提出利用家庭厨余制备厨余基水培肥料(Food-Waste-Based Hydroponic Fertilizer, FWBHF)，以实现城市园艺中的养分闭路循环与可持续发展。然而现有FWBHF研究存在原料（饲料）——即Feedstock——高度异质、处理方法多样但缺乏系统化养分数据库的问题，特别是不同食品类别（蛋白类、碳水类、纤维类）经不同生物转化处理（好氧发酵、厌氧发酵、蚯蚓堆肥/Vermicomposting产出Vermiliquor蚯蚓粪液）后植物有效性无机养分的释放规律尚不明确。为此，研究人员选取五大典型食物（鸡胸肉、牛排、面包、意面、混合蔬果）及 household-waste-based vermiliquor，分别进行90天好氧/厌氧发酵，测定滤液pH、电导率(Electrical Conductivity, EC)、大量元素[N、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、硫(S)、镁(Mg)]、微量元素[锌(Zn)、铜(Cu)、锰(Mn)、铁(Fe)]及重金属[铅(Pb)、镉(Cd)]，并以市售Hoagland变体合成营养液为对照，标准化至EC=1.6 dS/m进行养分比较，以明确各类处理的养分优势与短板。

主要关键技术方法

研究人员设置对照为按推荐剂量稀释的通用合成水培营养液（Aqua Vega AB，EC基准1.6 dS/m）。实验样本含五类单独食材——蛋白丰富组（鸡胸肉、牛 Scotch fillet煎熟后打浆）、碳水丰富组（煮意面、烤面包）、混合蔬果组（胡萝卜、青椒、番茄、苹果、橙、生菜、黄瓜按比例混合生食打浆），以及取自饲喂蛋壳–咖啡渣–菜叶–碳水–庭院废弃物–果皮的蚯蚓养殖箱之新鲜蚯蚓粪液(Vermiliquor)。各食材匀浆后加去离子水置1.25 L广口瓶，设好氧（曝气60 L/h加生物球Bio-balls）与厌氧（单向排气阀密封）两处理，暗处24℃孵育90天；蚯蚓粪液室外静置90天后分别做72 h好氧曝气和72 h厌氧密封。所有样品过滤(Whatman No.4)，测pH与EC(HANNA HI9813-61)，总氮、硝态氮(NO₃^?)、铵态氮(NH₄⁺)用流动注射分析仪(Flow Injection Analyzer, FIA)，P、K、S、Ca、Mg、Zn、Cu、Mn、Fe、Pb、Cd经HNO₃-HCl消解后用电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)测定。数据经Shapiro–Wilk正态检验、Levene方差齐性检验、单因素方差分析(ANOVA)及Dunnett's test与对照比较，并按公式 Adjusted nutrient conc. = (Raw EC / 1.6) × Raw nutrient conc. 将各处理养分折算至标准EC=1.6 dS/m下比对。

研究结果与讨论

Indicators and roles of pH（pH指示作用及其角色）

研究人员发现对照pH≈5.3，多数发酵液pH偏碱超出理想范围(5.0–7.0)，仅碳水组厌氧处理pH≈4.5（可能溶出植毒铝）。蛋白组受曝气影响小(p<0.05)，而蔬菜、面食、面包及蚯蚓粪液因微生物群落差异导致pH对曝气响应显著。指出水培中根际pH变动对营养液整体影响尚待研究，未来设计FWBHF应考虑阴/阳离子养分形态对溶液pH的作用，必要时用柠檬酸盐/碳酸盐pH缓冲液调节。

EC, salinity, and sodium（电导率、盐度与钠）

多数处理稀释至EC=1.6 dS/m后钠离子(Na⁺)等于或高于对照，尤以蔬菜、面食、面包组显著，源自加工中添加的食盐(NaCl)。过量Na⁺占据盐基置换位点且无C3植物必需性，目前缺乏经济除钠手段系FWBHF开发障碍之一。

Essential plant macronutrient and micronutrient（必需植物大量与微量元素概述）

所有处理无一同时达到对照N与Ca水平；多数P、K、S、Mg超需或相当。下文分述各元素。

Nitrogen（氮）

各处理总氮均低于对照，蚯蚓粪液最高（约对照50%）。仅面包组曝气显著提高总氮，推测与促进硝化微生物有关。蛋白组N形态较稳定，蔬菜组NO₃^?占比＞50%，接近蚯蚓粪液（饲喂以植物废为主）。对照NH₄⁺:NO₃^?≈15:85，仅蚯蚓粪液超越此比值。碳水组厌氧反而NO₃^?高，可能与过长发酵致反硝化或酸抑硝化有关。指出FWBHF普遍缺N，需补氮或强化硝化过程。

Phosphorus（磷）

除蚯蚓粪液外，各食材至少一种发酵条件P等于或高于对照。蛋白组好氧P显著高，源于肌肉中磷酸肌酸及Pseudomonas putida等微生物促植酸态P溶出为H₂PO₄^?；碳水组因小麦品种（硬粒vs普通）及麸皮植酸磷差异致结果变异，厌氧面食/蔬菜P尚可。蚯蚓粪液偏碱(pH≈9)且P低，可酸化补P。强调高蛋白/好氧发酵及部分厌氧碳水可作P回收途径以应对磷矿枯竭。

Potassium（钾）

除面包组外，曝气普遍提升K⁺有效性，符合芽孢杆菌(Bacillus sp.)、假单胞菌(Pseudomonas spp.)、曲霉(Aspergillus sp.)等需氧微生物促钾矿物溶解之认知。各处理K多充足甚至偏高，需注意过高K抑制根冠发育。K⁺与Ca²⁺并可拮抗Na⁺毒害提升盐耐受。

Calcium（钙）

全处理Ca显著低于对照，最高为面食与去离子水对照（悉尼自来水含微量CaCO₃）。缺Ca归因：①原料少骨/蛋壳/乳制品；②过酸/碱致Ca沉淀；③好氧微生物（Pseudomonas sp./Bacillus sp.）固钙于胞内信号/代谢。建议补Ca或调pH至6.0–7.5，尤其蛋白组Ca最低。

Sulfur（硫）

蛋白组好氧S足而厌氧不足；碳水与蔬菜组厌氧S更高，因缺氧脱硫受限且菌体富集S。蚯蚓粪液S相当。发酵产物（非蚯蚓粪液）具强烈硫化物恶臭，应用需考量人体接受度。提醒过量SO₄^2?在水培中可能酸化致Al/Fe溶出毒害。

Magnesium（镁）

蛋白组Mg低于对照；面食与蔬菜不论曝气均足；面包厌氧Mg显著高于好氧。酸性条件(pH<6)土壤Mg有效性降，此现象未在水相发酵液中重现，需进一步探究Mg溶解度机制。

Micronutrient and heavy metal analysis（微量元素与重金属分析）

Zn：各处理Zn≥对照，厌氧面食/蔬菜接近或超毒阈(2000 μg/L)，低pH促溶，可升pH>6解毒。Cu：全处理Cu显著低于对照，可能原料缺Cu或难溶。Mn：厌氧面食/面包Mn超对照（小麦籽粒本底高），Mn²⁺与Ca²⁺同吸收通道且酸性利溶。Fe：各食材至少一条件Fe≈或>对照，蔬菜组曝气反常低机理不明。Pb、Cd：均未超新南威尔士州非磷肥限值（Pb≤100,000 μg/kg，Cd≤10,000 μg/kg），但FWBHF源自多源厨余引入痕量重金属风险，水培作物吸重金属快于土培，应监控。

总结与结论（翻译Conclusion）

本研究表明单一食品组别无法形成"全合一"水培营养液，未来应探索复合FWBHF配方。同类成分食品组对处理响应具相似性：蛋白丰富组对好氧/厌氧发酵矿化反应一致；碳水丰富组因加工差异致养分结果变异大。所有发酵处理均有强烈异味，限制商用/家用接受度。

蚯蚓粪液虽缺N、Ca、Cu、Mn，但无异味、低重金属，具硝化能力，含足量K、S、Mg、Zn、Fe，可作为合成肥料的补充剂或与专用养分添加剂联用作为独立肥料。

未来方向应包含鉴定参与有机物矿化为无机养分的微生物固定菌(fixing microbes)，并在运行中维持活性微生物群落，探索水培系统内置稳定微生态以持续补有机养分并减少化学植保投入。

当前FWBHF工艺尚无法全面匹配合成营养液养分水平，主要瓶颈为过高盐度限制有效养分供给，需研发除盐/降钠技术。以FWBHF部分替代合成液仍可促进食物系统养分循环，推动城市园艺融入可持续农业。