不同处理模式下厨余垃圾沼渣–秸秆共堆肥过程中的堆肥性能与微生物群落响应

《Recycling》：Composting Performance and Microbial Community Responses Under Different Treatment Modes During Food Waste Digestate–Straw Composting

　　

厨余垃圾沼渣是一种高湿度的有机残留物，在资源回收或土地利用前需要进行有效的稳定化处理。这项工程规模研究在为期30天的厨余垃圾沼渣–玉米秸秆共堆肥实验中，比较了高曝气（HA，0.30 L·min^?1·kg^?1 干物质）、低曝气（LA，0.15 L·min^?1·kg^?1 干物质）以及无强制底部曝气的翻堆（TG）处理。每种处理运行一个工程规模的堆体。研究评估了理化轨迹、细菌演替、预测功能潜力以及微生物共现模式。所有处理均迅速进入高温期。HA达到了最高温度（63.70 °C）并在55 °C以上保持了340.8 h，但其在第30天的最终局部水分读数也最低（18.62%）。LA实现了最大的有机物（OM）降解（17.47%），而HA和TG分别为13.47%和7.44%，同时在第30天比HA保留了更多的水分。尽管高温筛选强度和后期演替模式在各处理间存在差异，但厚壁菌门在所有处理中均成为优势菌群。功能预测表明，LA具有最高的后期尿素分解潜力，而TG在几个与氮转化相关的类群中显示出更大的预测占比，并且拥有最密集的共现网络。这些发现表明，工程规模的堆肥性能取决于氧气供应、热量积累、水分保持和微生物组织之间的平衡，而不仅仅取决于高温强度。在测试条件下，LA提供了最有利的平衡，特别是在OM降解和水分保留方面。

随着厌氧消化在处理厨余垃圾等有机残留物以回收可再生能源方面的广泛应用，产生了大量的沼渣。由于沼渣含有高水分、易降解有机物及潜在植物毒性，不当存储或土地利用会导致臭气、渗滤液和养分流失等问题。将其与干木质纤维素膨松剂进行共堆肥是改善孔隙度、调节水分和碳氮比（C/N，有机物中碳总含量与氮总含量的比值）、促进生物稳定化的成熟方法。然而，不同的氧气供应模式如何重塑工程规模沼渣堆肥条件下的微生物演替和功能组织尚不清楚。为此，研究人员在工程规模的厨余垃圾沼渣–玉米秸秆共堆肥系统中比较了三种氧气供应模式，以揭示运行模式如何关联理化轨迹、细菌演替、预测功能潜力和共现网络。研究得出结论，氧气供应策略通过平均过程强度和堆体内生境异质性两个维度发挥作用。这些发现有助于解释为何热力学最强或生态最复杂的运行模式并不一定能实现最协调的工程规模物料转化。该论文发表在《Recycling》期刊上。

样本来源于天津滨海新区德丰盛生固体废物处理有限公司的厨余垃圾沼渣，并与2-3 cm玉米秸秆混合建立工程规模堆肥堆体（约3.75 m³）。研究人员采用高曝气、低曝气和无强制底部曝气的翻堆三种处理模式，并在第0、15和30天收集堆体表面、中部和核心的空间样本。主要技术方法包括：使用重铬酸钾氧化法测定有机物（OM，有机物质含量）含量；提取DNA并测序细菌16S rRNA基因的V4高变区；利用PICRUSt2（基于未观测状态重建的群落系统发育研究）和FAPROTAX（原核生物分类群功能注释）预测功能潜力；构建Spearman相关性共现网络分析微生物群落组织结构。

2.1. 理化轨迹与堆肥性能
通过测量温度、局部水分和电导率（EC，反映溶液中可溶性盐浓度的指标），研究发现所有处理均在2天内进入高温期。HA达到最高温度并维持最长的高温期，但导致局部水分大幅下降；LA实现了最大的OM降解（17.47%），且保留了更多水分。这表明单纯的高温强度不能决定OM转化，氧气供应与水分保持的平衡同样重要。

2.2. 细菌群落组成与演替
通过16S rRNA基因测序分析群落演替，发现所有处理均呈现向厚壁菌门占优势转变的趋势。HA中高温耐受菌群迅速富集，而TG保留了更广泛的共优属群。Alpha多样性指数和基于Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA，一种多变量降维排序方法）及置换多元方差分析（PERMANOVA，利用距离矩阵对多变量数据进行方差分析的非参数方法）均未发现显著的统计处理效应，说明这些差异应被视为具有空间变异性的模式而非确证的处理效应。

2.3. 预测微生物功能与共现模式
通过PICRUSt2和FAPROTAX预测，研究发现在第30天，LA具有最高的预测尿素分解潜力，而TG在硝酸盐还原、反硝化等氮转化相关功能上显示出更大的预测占比。网络拓扑学分析表明TG拥有最密集的共现网络（边和节点最多），而HA的正相关链接比例最高。由于这些网络描述的是潜在的统计关联，不能等同于直接的合作或竞争互作。

讨论部分指出，曝气通过氧气、热量、水分和可溶性离子的耦合传输影响堆肥过程。HA虽然实现了最强的热积累，但过度蒸发导致水分受限，从而制约了持续的OM转化；LA在氧气输送与水分保持之间取得了更有利的平衡；TG虽周期性恢复孔隙度，但无法维持持续的热量积累。共现网络拓扑结构表明，网络复杂性并不等同于堆肥效率，TG虽有最密集的网络但OM降解最低，说明网络密度具有情境依赖性。研究结论翻译如下：
(1) 在此工程规模比较中，三种氧气供应模式表现出不同的理化轨迹。HA产生了最强的高温特征但局部水分下降最大，而LA显示出最大的观测OM降解且比HA保留了更多水分。在所测指标内，这些观察结果支持曝气与水分保持之间的平衡，而非单纯的高温强度。
(2) 细菌群落向厚壁菌门优势转变，而分类群演替在处理和堆体位置间存在差异。由于Alpha多样性和校正后的Beta多样性测试不显著，且空间样本并非独立的堆体重复，这些微生物差异应被视为探索性的处理相关模式。PICRUSt2和FAPROTAX输出代表预测的功能潜力，而非测定的微生物活性。
(3) 在主要和更严格的敏感性标准下，TG均保留了最密集的网络，而HA在两种标准下均具有最高的正相关链接比例，但这些关联并不能证明存在直接的微生物互作。在测试条件下，LA在OM降解和水分保留方面表现出最有利的观测平衡。这一特定指标的发现并非普遍最优解或对堆肥腐熟度的全面评估，需要通过独立重复的堆体以及堆肥腐熟度和微生物活性的直接测量来证实。