《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Continuous back-mixing at the late thermophilic phase enhances humification of sewage sludge composting via functional microbial enrichment.
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摘要高温期是堆肥的关键阶段，其特点是微生物活性强烈以及腐殖质前体的形成。本研究调查了是否通过在不同高温期（高温期早期（50-55?°C），高温期中期（55?°C-75?°C-55?°C），以及高温期晚期（从 55?°C 冷却至 50?°C））施加连续回流混合，能有效实现原位微
摘要
高温期是堆肥的关键阶段，其特点是微生物活性强烈以及腐殖质前体的形成。本研究调查了是否通过在不同高温期（高温期早期（50-55?°C），高温期中期（55?°C-75?°C-55?°C），以及高温期晚期（从 55?°C 冷却至 50?°C））施加连续回流混合，能有效实现原位微生物重新接种和富集，旨在增强土著嗜热微生物的丰度，从而改善污水污泥堆肥的整体性能。为了验证这一点，将从三个高温期收获的堆肥材料分别回流混合到新鲜批次中，最多进行连续两个周期，并在 35 天内监测理化参数和微生物群落。结果表明，不同阶段的回流混合对堆肥效率和最终产品质量有至关重要的影响。在高温期晚期进行回流混合被证明最为有效，显著增强了有机质的降解，两次回流混合后的总有机碳 (TOC) 降低率高达 28.77%，并促进了腐殖化，使腐殖质含量达到最高的 46.1%。微生物分析显示，该策略选择性地富集了功能性嗜热菌群，如真菌中的曲霉和木霉，以及细菌中的糖单孢菌，这些微生物与升高的β-葡萄糖苷酶活性和温度密切相关。这些微生物的演替确保了高温期木质纤维素的高效分解，并促进了成熟期腐殖质前体的聚合。相比之下，在高温期早期或中期进行回流混合显示出的益处有限，主要在高温阶段增强活性，而未加强与成熟阶段驱动因素的联系。研究结果确立了在高温期晚期进行连续回流混合是一种可行的原位生物强化策略，可优化土著微生物演替，以提高堆肥效率和腐殖质丰富、稳定的堆肥生产。
引言
污泥管理策略已从填埋等粗放式处置转向环保的资源化利用 [35]。微生物演替驱动着堆肥过程，由分泌酶将污泥转化为稳定、富含腐殖质产品的特定种群介导 [32]。在此过程中，嗜热微生物在高温期形成腐殖质 (HS) 前体中发挥着关键作用 [14], [19], [22]。然而，这一阶段通常以土著嗜热菌群稀缺或活性不足为特征 [7]。与微生物活性已基本停止且有机质已稳定的成熟堆肥不同，从高温期收获的堆肥含有活跃代谢的嗜热种群以及丰富的胞外酶（如纤维素酶、蛋白酶和β-葡萄糖苷酶），这些酶直接参与难降解聚合物的分解 [12], [19]。此外，这种特定阶段的材料富含还原糖、氨基酸和多酚等腐殖质前体，这些前体在成熟阶段易于后续聚合 [46]。因此，将高温期堆肥重新引入新鲜批次不仅提供了具有即时酶功能的高催化接种物，还施加了连续的选择压力，有利于土著嗜热菌群在连续周期中的传播。这一原理从根本上将我们的原位回流混合方法与常规的成熟堆肥改良区分开来，并提供了一种有针对性的机制，以克服污水污泥堆肥过程中嗜热活性不足这一瓶颈。因此，提出利用外源微生物进行生物强化，作为一种有针对性的策略，以克服这一局限性并提高堆肥效率，特别是在高温期 [25], [44]。
迄今为止，增强堆肥过程中腐殖化的努力主要依赖于两种生物强化策略：接种外源微生物（异位）和添加成熟堆肥（原位）。在异位生物强化的情况下，添加从嗜热源分离的纤维素分解细菌菌株已被证明可以通过直接引入有针对性的降解功能显著改善堆肥产品质量 [20], [30], [37], [8]。对于原位生物强化，将成熟堆肥掺入新鲜原料可以增强土著微生物群落的代谢能力，特别是在高温期 [59]。然而，这两种策略都面临制约其实际有效性的内在局限性。异位生物强化由于需要持续培养接种物而产生高昂的操作和经济成本 [24]。使用成熟堆肥进行原位生物强化虽然更具成本效益，但在高温阶段，活跃代谢的嗜热菌丰度不足，因为引入的菌群已进入休眠或稳定状态，无法在堆堆的动态温度波动下有效定殖 [25]。因此，目前迫切需要一种既具有成本效益又能在堆肥过程中增加活跃功能性嗜热微生物丰度的接种方法。
堆肥高温期的生化反应受居民微生物群落的结构和功能支配 [61]。因此，针对性接种嗜热菌群是增强腐殖化的关键 [42]。例如，引入外源嗜热纤维素降解真菌使纤维素分解率较对照组提高了 12.2%，并使堆肥的发芽指数提高了 22% [11]。然而，该研究依赖于纯真菌菌株，未考虑与土著微生物群的协同作用，限制了其在实际污泥堆肥系统中的应用。值得注意的是，微生物介导的纤维素降解是腐殖质合成的核心驱动力 [48]。关于该机制的研究表明，在奶牛粪 - 蔗渣系统中添加赤泥通过非生物途径增强了纤维素降解 [17]。进一步的研究证实，纤维素降解是细菌 - 真菌协同作用的结果，受链霉菌、温度和有机质含量等关键因素调节 [12]。因此，利用固有的土著微生物群进行生物强化为改善污泥堆肥腐殖化提供了一种可行的策略。重复接种成熟堆肥不仅维持或增强了这些土著微生物的活性，还有助于建立有利于功能性嗜热微生物繁殖的嗜热微环境。
为了增强污泥堆肥过程中土著嗜热微生物的活性，本研究开发了一种连续回流混合接种策略。本研究的主要目的是阐明该策略对堆肥性能和微生物群落动态的调节作用，揭示连续接种下土著嗜热菌的演替模式和功能适应，并评估该方法作为一种具有成本效益的原位生物强化方法的总体可行性。我们进一步旨在确定最有效的接种时机，以促进腐殖化和过程稳定性。研究结果有望为改善污泥堆肥效率和最终质量提供实用和可持续的策略。
章节摘要
堆肥材料
实验室规模堆肥反应器是一个圆柱形塑料容器，高度为 44?cm，底半径为 15.75?cm，工作体积为 25?L。脱水污泥收集自陕西省西安市的一家污水处理厂。废蘑菇基质收集自陕西省商洛市的一家蘑菇栽培站。成熟堆肥获取自位于陕西省汉中市的污水处理厂。这些堆肥材料的特性
回流混合操作对堆肥理化性质的影响
温度是评估堆肥效率和微生物活性的关键指标 [51]。在整个过程中，温度始终表现出初始快速升高随后逐渐下降的趋势，依次通过中温期、高温期和成熟期 (图 1a-1c)。观察到虽然所有对照组在 1-2 天内进入高温期，但较高的回流混合频率延长了其持续时间。
结论
连续回流混合操作改善了所有处理组的堆肥性能，其中最显著的提升观察到在高温期晚期。该策略实现了 28.77% 的 TOC 降解率和 46.1% 的腐殖质含量。在此阶段进行回流混合通过富集功能属，包括真菌曲霉和木霉以及细菌芽孢杆菌和糖单孢菌，提高了蛋白质和纤维素的降解效率，从而增加了
CRediT 作者贡献声明
周梦雨: 形式分析，数据整理。吴旭辉: 软件。杨杨: 项目行政。李小龙: 写作 – 初稿，形式分析，数据整理。卓阳: 写作 – 初稿，方法论，概念化。韩云: 写作 – 审阅与编辑，项目行政。王浩: 软件，方法论。刘毅: 验证，调查。王尚阁: 方法论，形式分析，概念化。
写作过程中生成式 AI 及 AI 辅助技术的声明
在本工作的准备过程中，作者使用了 DeepSeek Write 以提高文本可读性并润色英语语法。使用该工具/服务后，作者根据需要审查并编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。
致谢
本研究得到了陕西省秦创原（编号：2022KXJ-136）的支持。作者向编辑和匿名审稿人致以诚挚的谢意，感谢他们的深思熟虑的反馈和专业指导。
李小龙 | 韩云 | 卓阳 | 刘毅 | 王浩 | 王尚阁 | 吴旭辉 | 周梦雨 | 杨杨
西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安，710055，中国
