人类粪便乳酸发酵：面向实际实施的处理技术关键操作参数的过程导向评估

《Fermentation》：Lactic Acid Fermentation of Human Feces: A Process-Oriented Evaluation of Key Operational Parameters for Practical Implementation as a Treatment Technology

　　

乳酸发酵(LAF)是一种有前景的低技术方法，用于从干式厕所获得的人类粪便的稳定化和卫生化。然而，由于缺乏与应用相关的知识，实际实施仍然有限。本研究系统评估了一系列实际过程参数在标准化实验室条件下对LAF性能的影响。从不同类型干式厕所获得的粪便被进行物理化学表征，随后在不同过程条件下发酵，使用pH和乳酸产量作为发酵性能的关键指标。结果表明，LAF在广泛的过程条件下均可行，包括8至30^°C的温度，并且在确保充足碳源供应的前提下，很大程度上独立于碳源类型、空气侵入和延长储存期(>1年)。所研究的参数对过程性能表现出不同程度的影响，其中碳源剂量(≥10 w/w-%甜菜糖蜜当量)和粪便类型是最具影响力的因素。亚铁添加(≤5 w/w-%)增强了pH降低，而生物炭、膨润土和石粉(≤10 w/w-%)显示出可忽略的效果。最大乳酸产量限制在≤4.5 w/w-%，与碳源剂量无关，导致最小pH值范围为4.1至5.2。这些值主要随粪便类型变化，表明内在缓冲容量的强烈影响。在支持稳定LAF的条件下，即快速酸化后持续低pH，所研究样品中的大肠杆菌(E. coli)被持续降低至检测限以下。总体而言，研究结果表明LAF是一种相对稳健的处理方法，并突出了可能对其作为卫生技术实际实施重要的操作参数。

全球卫生设施面临巨大挑战，尤其在发展中国家，缺乏有效的粪便处理系统导致环境污染和健康风险。干式厕所虽可实现粪尿分离，但收集的粪便仍需稳定化和卫生化处理。乳酸发酵（LAF）已被探索为一种低技术解决方案，但实际应用受限，因缺乏针对操作参数的系统评估。本研究旨在通过实验室条件下系统评估关键过程参数（如温度、碳源、储存时间等）对LAF性能的影响，填补可行性与应用之间的空白，为实际实施提供基础。该研究发表在《Fermentation》期刊上。

为开展研究，研究人员使用了来自两家公司（Holzapfel + Konsorten KG 和 ?kolocus GmbH）的不同干式厕所粪便样本，包括纯粪便（F）和混合粪便（FMix，含锯末或尿液）。主要技术方法包括：在聚丙烯试管中构建厌氧发酵反应器，以pH和乳酸（LA）浓度作为核心指标；通过高效液相色谱（HPLC）测定LA、挥发酸（VFAs）和单糖；采用酚-硫酸法测定水溶性碳水化合物（WSC）；使用Petrifilm^?计数板测定乳酸菌（LAB）浓度；采用Colilert 18/Quanti Tray法测定大肠杆菌（E. coli）浓度（以最可能数MPN计）；通过酸滴定评估缓冲容量。关键参数考察包括碳源剂量、粪便类型、通气条件、添加剂（生物炭、膨润土、石粉、硫酸亚铁）、替代碳源（甘蔗糖蜜、芒果、麦麸、木薯粉等）、温度（8、20、30^°C）及储存时间（5–16个月）。

**3.1 粪便表征**
**3.1.1 理化性质**：所用粪便样本在总固体（TS）、挥发性固体（VS）、pH、电导率、LAB浓度及缓冲容量上差异显著，表明粪便基质非均匀，化学组成受收集方式（是否尿粪分离、添加锯末）强烈影响，初始pH从微酸性到碱性不等。
**3.1.2 缓冲容量**：不同粪便的酸滴定曲线显示不同的缓冲区域，尤其在pH 5以下差异明显，缓冲行为与基质组成紧密相关，无机离子和氮化合物含量高的样本对pH降低抵抗力更强，而VS高的样本缓冲能力较弱。

**3.2 发酵实验**
**3.2.1 碳源剂量的影响**：甜菜糖蜜添加量≥10 w/w-%即可快速启动LAF，pH在7天内下降，LA在14天内形成并稳定。最终pH在4.8–5.2之间，与剂量增加不成比例提升，表明系统存在代谢或热力学限制，而非底物限制。
**3.2.2 不同粪便类型的发酵性**：不同粪便类型均能启动LAF，LA产量相似，但最终pH差异显著（4.1–5.2），主要由粪便固有缓冲容量决定，而非LA产量差异。
**3.2.3 有氧条件耐受性**：纯粪便（F1）在持续通气下仍能维持LAF，但添加锯末的混合粪便（FMix1）在持续通气时酸化被完全抑制，说明结构材料促进孔隙形成，导致氧气渗透破坏厌氧发酵。
**3.2.4 辅助添加剂的效果**：生物炭、膨润土、石粉（≤10 w/w-%）对LAF性能无显著影响；硫酸亚铁（≤5 w/w-%）通过物理化学作用（铁水解、沉淀等）加速酸化，但不改变最终LA浓度，其效果主要体现为过程加速而非容量提升。
**3.2.5 替代碳源的适用性**：甘蔗糖蜜、芒果、麦麸、木薯粉及木薯皮均能支持LAF，但碳源不足（如低剂量芒果或糖蜜）导致pH回升和LA降解，出现链延长等二次发酵；高剂量下均能实现稳定酸化，其中麦麸和木薯粉通过持续水解聚合物缓慢释放糖，维持发酵。
**3.2.6 可行温度范围**：温度（8–30^°C）主要影响发酵动力学，高温（20–30^°C）加速酸化，低温（8^°C）延迟但最终仍能实现酸化。E. coli在20–30^°C下快速失活，8^°C下也最终降至检测限以下，但速度较慢。
**3.2.7 粪便储存时间的影响**：储存5和13个月的粪便仍能启动稳定LAF，但储存13个月时酸化已延迟；储存16个月后，LAF失效，LA被降解并伴随丁酸升高，表明储存时间过长导致微生物群落变化，出现竞争性二次发酵。

总结讨论部分：本研究系统评估了LAF处理人类粪便的关键操作参数，发现LAF在多种条件下均具稳健性。碳源充足和适宜温度是性能主要决定因素；粪便缓冲容量是影响最终pH的关键且此前未受充分重视的因素。有氧暴露和添加矿物辅料影响较小，而储存时间过长会损害稳定性。研究强调了实际实施中需关注缓冲容量调控和碳源管理。结论翻译如下：

**结论**：本过程导向研究表明，在受控条件下，LAF处理人类粪便具有稳健性。在所研究的条件下，该过程表现出相当灵活性，能容忍温度、基质组成和操作参数的变化，同时维持其预期功能。LAF成功应用于不同粪便类型，表明广泛的基质兼容性；粪便类型影响pH降低程度，但不从根本上损害过程稳定性。尿液和/或锯末等蓬松剂的存在是重要因素，因其影响缓冲容量并进而影响可达pH水平。在所研究参数中，可发酵碳源可用性和发酵温度是过程性能的主要决定因素；充足碳源支撑快速持续酸化，高温加速动力学，低温下发酵较慢但仍持续并有效灭活E. coli。亚铁和基质老化影响中等；特定碳源（充分剂量）、有限氧气暴露及矿物添加剂影响较小。识别的一个关键限制是不同粪便类型在可比条件下最终pH的变异性，主要归因于固有缓冲容量差异，受收集方式和基质组成影响。高缓冲容量不一定抑制发酵，但可能限制pH降低程度，从而影响卫生化效率，需更高酸产量和相应碳投入。大部分处理未进行实验重复，因此观察效果应视为所研究条件下的指示性趋势。未来研究应聚焦缓冲容量的变异性量化、潜在机制识别及缓冲容量管理策略开发，以进一步优化过程性能。