生物炭固定化复合生物强化接种剂强化家庭厨余垃圾堆肥

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced household food waste composting through biochar-immobilised composite bioaugmentation inoculum

　　

家庭厨余垃圾（HFW）堆肥是减轻城市垃圾管理负担并减少环境影响的有效方法。然而，由于脂质降解不足，导致材料团聚和堆肥腐熟度差，其效率受到限制。在本研究中，研究人员进行了三个连续的实验阶段：（i）鉴定参与脂质降解和堆肥稳定的关键细菌和真菌菌株，（ii）优化固定化时间和生物炭负载比以提高微生物活性和功能活性，以及（iii）制备三种类型的生物炭固定化生物强化接种剂（细菌、真菌和复合型），然后在模拟家庭堆肥实验中进行评估。固定化分别在45°C和30°C下对细菌和真菌进行。结果表明，凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）和黑曲霉（Aspergillus niger）是生物炭介导堆肥过程中的关键脂质降解菌株。通过优化固定化条件（凝结芽孢杆菌为24小时和2%生物炭，黑曲霉为48小时和3%生物炭），开发了生物炭固定化复合生物强化接种剂。与对照相比，生物强化复合接种剂使残余油含量显著降低24.7%，重量损失增加5.4%，种子发芽指数提高14.8%，从而形成松散稳定的堆肥结构。凝结芽孢杆菌分泌的胞外脂肪酶与黑曲霉产生的水解酶联合作用，拓宽了底物降解途径，并维持了良好通气的堆肥结构。生物炭载体通过提供保护性孔隙栖息环境和缓冲理化波动，进一步稳定了微生物活性，为HFW管理提供了实用解决方案。

论文解读文章

研究背景、问题及开展原因

随着城市化进程的加速，中国城市固体废物产量在2023年达到2.541亿吨，其中厨余垃圾（FW）占50%~60%，而家庭厨余垃圾（HFW）贡献了35%~42%。HFW具有来源分散、易腐烂、理化性质复杂（含水率约70%、有机固体约25.5% w/w）等特点，给垃圾处置带来巨大挑战，加剧了环境风险。然而，HFW富含蛋白质、碳水化合物和微量元素等营养物质，使其非常适合微生物降解和分散式资源回收。分散式堆肥作为集中式处理的补充替代方案，具有减少填埋、降低收集运输成本、促进公众参与等优势。然而，其效率和安全性受到源头分类差、操作不规范、产品利用率低以及缺乏标准化操作协议的限制，导致降解不完全和堆肥质量不稳定。特别是，HFW中脂质积累会引发疏水性并限制氧气传输，其不完全降解会加剧局部酸化和氨抑制，成为导致材料团聚和腐熟度差的关键机制。因此，需要针对性的微生物和工艺工程创新来确保分散式系统的堆肥效率和产品质量。为克服这些限制，研究人员探索了生物炭和微生物接种剂作为强化策略。生物炭具有高比表面积、阳离子交换容量和理化稳定性，可改善堆肥通气、抑制臭味和保留养分。微生物接种剂则能加速有机物降解、调节微生物群落演替并抑制有害气体排放。然而，单独应用生物炭或微生物接种剂在家庭堆肥中常效果不佳，HFW的复杂底物组成（尤其是高脂质和低缓冲条件）会抑制微生物活性。因此，需要将功能微生物共固定化在生物炭上的整合方法，以发挥协同优势，改善分散式堆肥效果。

本研究旨在开发并评估一种新型生物炭固定化复合生物强化接种剂，以改善分散式HFW在高脂质条件下的堆肥效果。为实现这一目标，研究人员进行了三个连续实验步骤：1）鉴定参与脂质降解和堆肥稳定的关键细菌和真菌菌株；2）优化固定化时间和生物炭负载比以提高微生物活性和功能活性，并制备三种类型的生物炭固定化生物强化接种剂（细菌、真菌和复合型）；3）在模拟家庭堆肥实验中评估这些接种剂的性能。据研究人员所知，这是首次独立优化脂质降解细菌和真菌菌株的生物炭固定化条件，并专门开发针对分散式HFW堆肥中脂质积累挑战的复合细菌-真菌接种剂。该研究发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

主要关键的技术方法（不超过250字）

研究人员从江苏省昆山市某建筑工程质量检测中心食堂收集家庭厨余垃圾（HFW），并采用昆山某环保公司的绿化废物作为膨胀剂，商业竹炭（1~3 mm）作为生物炭载体。关键方法包括：1）通过16S rRNA基因（V4区）和ITS1区扩增子测序分析微生物群落结构，利用线性判别分析效应量（LEfSe）筛选关键功能菌株；2）通过批次实验优化固定化条件，测定细菌（OD₆₀₀校准）和真菌（干重）的固定化生物量，确定最佳固定化时间和生物炭负载比；3）在实验室规模堆肥反应器中进行30天半连续进料堆肥实验，设置对照（T0，仅生物炭）、细菌接种剂（T1，固定化凝结芽孢杆菌）、真菌接种剂（T2，固定化黑曲霉）和复合接种剂（T3，1:1混合）四个处理，监测温度、含水率、重量损失、电导率（EC）、pH、油含量、总挥发性固体（TVS）、总凯氏氮（TKN）、碳氮比（C/N）和种子发芽指数（GI）等理化参数，并通过残油负担指数（Eq.3）综合评估脂质降解效果。

研究结果

3.1. 关键堆肥微生物的鉴定

3.1.1. 堆肥性能

通过对比未添加生物炭的对照（B0）和添加生物炭的处理（B1），研究人员发现B1处理在堆体结构、恶臭控制、温度、含水率、重量损失、EC、pH、油含量、TVS、C/N和GI等方面均显著优于B0。具体而言，B1维持了更高的平均温度（56.2°C ± 1.04°C vs. 54.6°C ± 0.93°C，p < 0.05），最终重量损失更高（81.96% ± 0.39% vs. 78.55% ± 0.46%），最终油含量更低（15.81% ± 0.08% w/w vs. 17.52% ± 0.14% w/w），C/N比更低（14.87 ± 0.36 vs. 16.76 ± 0.33），GI更高（86.3% ± 1.14% vs. B0）。这些结果说明生物炭添加改善了堆体结构、水分保持、有机物降解和腐熟度，支持其在HFW堆肥中的应用。

3.1.2. 关键堆肥微生物

通过α-多样性分析，B1处理在堆肥早期（第3天）和后期（第21天）均表现出显著更高的细菌和真菌丰富度与多样性。β-多样性主坐标分析（PCoA）显示生物炭增加了微生物群落的时间变异性。在细菌群落中，B0处理中乳酸杆菌属（Lactobacillus）始终占主导，而B1处理支持了更多样化的菌群，包括短芽孢杆菌属（Brevibacillus）。在真菌群落中，B0处理后期仅卡萨氏酵母属（Kazachstania）占主导，而B1处理维持了卡萨氏酵母属、毕赤酵母属（Pichia）、假丝酵母属（Candida）和曲霉属（Aspergillus）的平衡共存。通过LEfSe分析，凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）在细菌中具有最高的线性判别分析（LDA）得分（4.62），而黑曲霉（Aspergillus niger）在真菌中得分最高（4.45）。基于这些结果，研究人员选择B. coagulans和A. niger作为候选功能菌株，用于后续制备生物炭固定化细菌和真菌生物强化接种剂。

3.2. 生物炭固定化复合生物强化接种剂

通过优化固定化时间，研究人员发现B. coagulans在24小时达到最大固定化细胞密度（9.2 ± 0.3 log CFU/g），而A. niger在48小时达到最大干重（0.265 ± 0.017 g/g biochar）。进一步优化生物炭用量，B. coagulans在2%（w/v）时达到峰值（9.1 ± 0.2 log CFU/g），超过该用量效率下降；A. niger在3%（w/v）时达到最佳固定化效果。因此，最佳条件为：B. coagulans固定化24小时、2%生物炭；A. niger固定化48小时、3%生物炭。

3.3. 生物炭固定化生物强化堆肥评估

在30天家庭堆肥实验中，与对照（T0，仅生物炭）相比，所有生物炭固定化生物强化处理（T1、T2、T3）均显著改善了堆肥性能。T0从第18天开始出现局部团聚和严重油脂积累，而T2（真菌）和T3（复合）维持了松散结构。T2和T3较早达到高温期，T1和T3维持了更长的嗜热阶段。最终重量损失T3最高（84.98% ± 5.12%），T0最低（80.61% ± 1.64%）。油含量T3最低（11.3% ± 0.99% w/w），T0最高（15.01% ± 1.22% w/w）。残油负担指数显示，与T0相比，T1、T2、T3分别降低18.3%、31.1%和41.7%。T3的TVS最低（68.21% ± 1.37%），C/N比最低（12.60 ± 1.01），TKN最高（3.14% ± 0.19%），GI最高（86.5% ± 3.35%），且T2和T3在第21天即超过80% GI阈值。最终堆肥指标汇总（表4）表明，T3在所有性能指标上均表现出最全面的改善。

总结讨论与结论

讨论部分指出，生物炭通过提供附着位点和稳定微环境，增强了微生物活性和多样性，促进了群落演替。B. coagulans的胞外脂肪酶和A. niger的水解酶联合作用，拓宽了底物降解途径，维持了良好通气结构。复合接种剂（T3）的优越性能归因于共固定化细菌-真菌菌群的互补功能角色。研究结论部分翻译如下：

本研究证明，生物炭添加可以重塑微生物群落，通过促进重量损失、加速腐熟和减少残留脂质，改善HFW堆肥。筛选出凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）和黑曲霉（Aspergillus niger）作为与脂质降解和堆肥稳定相关的候选功能菌株，并用于开发生物炭固定化细菌、真菌和复合生物强化接种剂。优化结果表明，2%生物炭负载和24小时固定化对B. coagulans最佳，而3%生物炭负载和48小时固定化对A. niger最佳。与对照相比，复合接种剂使残余油含量降低24.7%，残油负担降低41.7%，提高了重量损失和GI，并保持了更好的堆肥结构，减少团聚。在相同总接种剂量下，复合细菌-真菌配方在所有测试处理中表现出最佳整体性能。需要注意的是，本研究是在受控实验室条件下进行的，未进行直接酶活性测定或功能预测分析。未来研究应进一步验证脂质降解机制，并评估该方法在更可变的分散式堆肥条件下的长期稳定性和实际适用性。