综述：固态发酵参数优化及相关技术创新研究进展

《Fermentation》：Research Progress on Solid-State Fermentation Parameter Optimization and Related Technological Innovations

　　

有机废弃物造成严重污染，而农业缺乏优质肥料。固态发酵可同时解决这两个问题。然而，传统方法进程缓慢且导致氮素损失，同时还会排放温室气体并产生不均匀的产品，这无法达到现代低碳标准。我们迫切需要高效的固态发酵系统。因此，本综述总结了参数优化和前沿创新方面的最新进展。首先，分析了关键的固态发酵操作参数，如碳氮比、曝气频率、温度、湿度和pH值。这些参数的优化有助于氮素保留并减少污染物排放。其次，讨论了新兴的强化策略，详细阐述了改性生物炭的电子穿梭效应以及合成微生物菌群（Synthetic Microbial Consortia）的进展。在过程耦合方面，探讨了水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）与固态发酵结合的机制，并考察了基于直接种间电子传递（Direct Inter-Species Electron Transfer, DIET）的生物电化学辅助固态发酵（MCFT/BFC）。此外，总结了针对温室气体和抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）等污染物的可行缓解方法。随后，介绍了数学模型、物联网（Internet of Things, IoT）和人工智能在固态发酵中的应用。最后，分析了大规模应用和风险管理中当前面临的挑战，并讨论了涉及多组学、生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）和功能定制化的未来前景。本综述为高价值废弃物利用提供了低碳解决方案。

1. 2.
   工艺参数优化与动态调控

2.1. 碳氮比（C/N）与共发酵

碳氮比从根本上决定了固态发酵的启动和运行。碳为微生物代谢提供能量，氮是合成蛋白质和核酸等细胞组分所必需的。适当的碳氮比调节可避免营养失衡，并确保有机质的高效降解。最佳初始碳氮比通常在25–30:1范围内。优化实验表明，碳氮比为25时，降解效率和腐殖化性能最佳，堆体快速升温，高温期可持续14天，有利于腐殖质形成和病原体灭活。碳氮比高于40:1会导致氮素供应不足，抑制微生物生长并延长发酵周期。相反，碳氮比低于20:1会导致碳源相对缺乏，微生物无法同化多余的氮，这些未被同化的氮容易以氨气形式挥发，在高温碱性条件下尤为严重，造成氮素损失、恶臭和温室气体排放。实际应用中，单一原料难以达到理想碳氮比，因此广泛采用多源共发酵。污泥、餐厨垃圾和粪便等具有低碳氮比和高含水率的特点，常与秸秆或锯末等高碳结构调理剂混合，以补充碳源并改善堆体孔隙度。发酵过程中有机碳持续氧化为CO₂，氮素相对积累，碳氮比不断下降，最终碳氮比15–20:1通常被视为发酵产品腐熟度的指标。

2.2. 曝气策略与供氧

曝气为微生物代谢提供氧气，同时调节堆体温度并去除多余水分。理想的曝气应满足微生物需氧量，同时最小化能源消耗和气体排放。现代曝气策略已从恒定连续气流模式发展为间歇和动态调控框架。

2.2.1. 连续曝气与间歇曝气

强制曝气包括连续曝气（CA）和间歇曝气（IA）。连续曝气提供24小时恒定气流，消除了氧传质阻力并加速早期降解。然而，连续曝气存在明显缺点：首先，它会带走过多代谢热，导致堆体难以维持55°C以上温度，严重削弱病原体灭活效果；其次，持续的气提作用增加了氨和挥发性有机化合物（VOCs）的释放；第三，长期连续风机运行导致高能耗。间歇曝气在“曝气开启”和“曝气关闭”循环间交替，克服了连续曝气的缺陷。关闭曝气期间热量得以积累，开启期间实现供氧和水分调节。间歇曝气平衡了热量和氧气需求，关闭阶段抑制对流热损失，使微生物代谢热在内部积累，帮助堆体快速进入高温期。精心调整的间歇曝气参数可有效延长高温期时长，提高木质纤维素等难降解底物的降解效率。此外，间歇曝气有利于氮素保持、促进腐殖化并减少温室气体排放。关闭曝气期间，残余氧气迅速耗尽，堆体内形成好氧-缺氧交替微区，选择性富集了芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）等兼性厌氧菌及多种反硝化细菌，促进大分子有机物分解，增加腐殖酸积累。适当的开关比削弱了持续的氨气提效应，通过微缺氧生态位中的硝化-反硝化过程降低氨挥发和一氧化二氮（N₂O）排放。

2.2.2. 基于氧摄取速率（OUR）的动态供氧模型

传统间歇曝气采用经验性固定开关时长，而微生物需氧量在升温、高温、降温和腐熟各阶段差异显著。固定时长曝气会导致高温期供氧不足，引发局部厌氧区和甲烷生成；降温期则过度曝气，浪费能源。氧摄取速率（OUR）是直接反映微生物代谢活性的核心指标，量化了单位质量有机物在单位时间内的生物耗氧量。OUR曲线呈倒“U”形，升温期快速上升，高温期达到峰值，降温和腐熟期因底物减少而降至最低点。基于OUR的动态供氧模型是一种高精度闭环反馈控制系统。首先，在堆体内部或排气管道中布置传感器，实时采集排气氧浓度、流量和堆体温度数据，利用质量守恒和气体状态方程计算当前瞬时OUR。其次，系统将实时OUR与设定氧阈值比较，采用PID、模糊逻辑和机器学习等算法，根据偏差调节变频驱动器（VFD）改变风机转速，或计算下一曝气周期的最佳开关比。该模型实现了“按需供氧”，将排气氧维持在10–15%。需要指出的是，排气氧数据仅反映整个堆体的平均氧水平，由于物料压实和气流通道效应，局部厌氧微区仍可能形成。实测数据表明，OUR反馈模型可将发酵周期缩短15–20%，风机能耗降低30–50%，在保氮、减排、节能和腐殖化方面实现多维协同。

2.3. 温度与水分的双向反馈机制

温度和水分并非独立作用，而是通过热力学原理和微生物代谢相互作用，形成高度精细的双向反馈系统。温度反映微生物代谢活性和热量释放。当堆体温度超过55°C时，沙门氏菌（Salmonella）、大肠杆菌（E. coli）、寄生虫卵和杂草种子等有害生物的细胞膜破裂，胞内蛋白质和代谢酶发生不可逆变性。标准要求堆肥必须维持55°C以上至少3天。高温期持续时间短是危险的，有害生物可能在边缘区域和冷点存活，并在降温期利用残余营养繁殖，造成微生物反弹。延长高温期面临物理矛盾，即有机降解热与水分蒸发潜热损失之间的双向反馈。水分是降解的前提条件，50–65%的含水率可保证降解性能。然而高温导致水分流失，研究表明超过80%的总热量损失源于水分蒸发。水分蒸发散发大量热量，防止堆温升至75°C以上，保护嗜热微生物免受热损伤。但快速蒸发使含水率降至40%以下时，固体颗粒上的水膜被破坏，液体传质停止，渗透压抑制微生物交换和胞外酶反应，代谢活动停滞，堆温骤降，导致“假腐熟”。因此，工艺控制必须平衡降解产热、蒸发散热和保温之间的关系。

2.3.3. 动态分批补料工艺实践

传统单批次固态发酵存在固有限制，易降解碳底物迅速耗尽，后期导致底物饥饿和微生态系统代谢衰退。动态分批补料工艺引入生物工程中的动态调控概念，分阶段添加新鲜有机物料，持续提供高效代谢底物，维持堆体热量和降解效能。该策略的优势包括：延长高温期，当温度开始下降时添加新鲜可降解物料，恢复代谢活性和产热，55°C以上阶段可持续两周或更长时间，彻底灭活病原体并加速抗生素和微塑料降解；保持水分平衡，新鲜餐厨垃圾或污泥等具有高含水率，可补充蒸发水分；提高空间利用率和处理能力，早期高温降解后体积显著减少（>30%），逐步补料利用新出现的空隙空间，最大化反应器容量，整体处理效率和能力较传统批次提高40%以上。然而，分批补料也带来潜在生物安全风险，新添加的原料无法经历与原始堆肥基质相同的长期高温处理，可能残留病原体，因此需要定期监测和代表性采样，确保充分灭活。

2.4. pH的时空演变与原位缓冲调控

在好氧堆肥中，pH反映理化性质的动态变化，调控微生物演替、腐殖化和氮转化。在富碳原料为主的堆肥系统中，典型pH动态呈“V”形。发酵初期为酸化阶段，中温微生物降解可溶性糖，代谢产生大量挥发性脂肪酸（VFAs），pH降至5.5–6.5的微酸性范围。曝气不足或易降解碳过多会导致酸积累和过度酸化。高温和腐熟阶段，微生物降解木质纤维素和蛋白质等难降解底物，蛋白质发生强烈氨化作用，释放大量游离氨（NH₃），游离氨水解为铵离子（NH₄⁺）消耗氢离子（H⁺），同时积累的VFAs在高温强氧化下降解和挥发，pH迅速升至8.5–9.0峰值，随后略降并稳定在弱碱性范围。当pH达到8.5–9.0时，氮损失和污染成为主要瓶颈。在pH>8.0和高温条件下，化学平衡急剧移动，铵离子转化为挥发性氨气。添加生物炭或黄腐酸可抑制氨挥发。“原位pH缓冲调控”是关键解决方案，在早期引入改性生物炭、磷石膏、过磷酸钙和镁盐等特定缓冲材料，其活性表面官能团缓冲氢离子，使系统pH在整个发酵过程中稳定在7.0–8.0。过磷酸钙等酸性缓冲剂直接中和碱性氨并将其转化为稳定无机盐；镁盐和磷酸盐协同添加触发化学沉淀，与游离氨反应形成高度稳定的鸟粪石晶体；生物炭结合微生物菌群调控群落结构，显著减少含氮温室气体和氨排放。稳定的弱碱性缓冲环境还可防止早期酸化，为木质素降解酶（漆酶和锰过氧化物酶）和嗜热放线菌提供最佳环境，加速大分子裂解和腐殖质合成。

1. 3.
   堆肥强化技术与前沿工艺创新

3.1. 物理/化学材料的协同强化

3.1.1. 改性生物炭协同：从物理保水到电子穿梭效应和靶向VOC吸附

生物炭具有丰富孔隙和巨大比表面积，最初仅作为物理调理剂增加孔隙度、优化氧传质和保持水分。随着改性技术（酸碱改性、金属负载）的进步，生物炭的角色已从单一物理介质演变为具有靶向吸附功能的多维催化系统。改性生物炭作为电子穿梭体加速木质素芳香结构的氧化转化，为腐殖质形成提供有利前体。这种电子传递功能主要促进木质素降解。在靶向吸附和污染控制方面，表面改性后生物炭网络对气态污染物表现出靶向拦截能力。对于NH₃和VOCs，接枝的含氧官能团（羧基和羟基）表现出强捕获能力。生物炭通过微孔物理捕获污染物，并通过氢键、静电吸引和表面络合化学锚定气态污染物，从源头切断恶臭和温室气体排放，固定游离氮，增强肥料效能。

3.1.2. 纳米材料和新型无机调理剂的应用

纳米金属和氧化物（纳米零价铁、纳米TiO₂和纳米ZnO）具有高比表面积反应活性。在适当浓度下，纳米金属离子作为核心降解酶（如漆酶和过氧化物酶）的辅助因子，刺激酶表达，加速聚合物降解和腐殖化。值得注意的是，纳米材料产生的活性氧（ROS）作为非特异性氧化剂，不能选择性靶向携带ARG的微生物细胞。适度的ROS应激重塑固态发酵过程中微生物群落的整体组成。此外，纳米材料诱导的环境压力改变微生物共选择效应，从而间接调控系统中ARG的总丰度。新型无机矿物利用三维晶格空腔和空间保留，通过化学平衡移动稳定系统养分。沸石、麦饭石和磷石膏等矿物具有天然离子交换和酸碱缓冲能力，在微环境中构建高效的“离子捕获陷阱”，通过化学相变将挥发性氨氮转化为缓释养分。

3.2. 生物强化与功能微生物精准调控

3.2.1. 功能菌群分类与机制

接种剂可分为三大功能菌群：大分子降解菌群方面，木霉属（Trichoderma）和黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）等真菌形成广泛菌丝穿透刚性木质纤维素基质，分泌纤维素酶和木质素过氧化物酶，分解芳香结构和糖苷键。发酵系统初始升温主要依赖中温细菌而非真菌，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）等快速生长细菌消耗真菌降解产生的可溶性寡聚物和氨基酸，其快速代谢活动产生热量，驱动系统进入高温阶段。真菌的木质纤维素降解功能主要在后期降温和腐熟阶段促进腐殖化。保氮除臭菌群方面，假单胞菌属（Pseudomonas）和固氮菌等功能菌株主要通过高温期微生物氮同化作用缓解氨损失，将游离氨转化为微生物生物量蛋白。硝化过程主要在后续降温和腐熟阶段进行，进一步将氮转化为稳定硝酸盐。腐殖化与生防菌群方面，耐热放线菌（如链霉菌属Streptomyces和诺卡氏菌属Nocardia）适应高温环境，持续分泌多酚氧化酶，催化木质素衍生酚类前体的氧化缩合，加速聚合形成稳定腐殖酸骨架。这些放线菌与芽孢杆菌共同合成脂肽和抗菌肽等生物活性次级代谢产物，干扰病原体增殖，构建可持续的拮抗微生境。

3.2.2. 微生物进化创新：从单一菌株到合成菌群

单一菌株或随机混合菌剂在实际复杂固态发酵环境中定殖性能差，外源接种菌株面临强烈热应激和土著微生物的资源竞争。生物强化策略已从简单菌株分离筛选发展为多组学指导的理性构建合成微生物菌群。合成微生物菌群是基于兼容代谢互作网络的人工组装微生态系统，其关键功能机制依赖于代谢交叉喂养和生物膜支持的协同防御。代谢交叉喂养方面，上游真菌物种产生的代谢中间产物作为下游细菌的可利用碳氮底物，这种互补底物交换缓解了末端产物抑制。然而，田间规模扰动会破坏这种协调交叉喂养。协同防御和生物膜定殖方面，菌群菌株通过群体感应信号介导种间通讯，共同分泌胞外聚合物（EPSs），包裹微生物细胞形成致密生物膜基质，可部分缓冲温度和湿度的突然波动。但生物膜不能完全隔离接种菌株与本地微生物群的长期资源竞争。大规模田间推广仍面临环境变异性复杂、长期微生物活性不稳定、生产成本高和持续定殖困难等关键挑战。

3.3. 跨领域耦合：生物电化学辅助堆肥（BFC/MCFT）

微生物堆肥燃料电池（MCFT/BFC）将生物电化学系统集成到固态发酵中。工程配置上，将导电材料（如碳毡和石墨）嵌入堆体缺氧区作为阳极，阴极安装在堆体表面或通风通道（好氧区），通过外部电路连接。发酵过程中，电活性微生物（如地杆菌属Geobacter和希瓦氏菌属Shewanella）作为“微型发电机”，降解有机物时将剥离的电子通过胞外呼吸传递至阳极，电子经电路流向阴极，与氧气和质子结合形成水，在堆体内产生持续微弱电流。这种原位微电场诱导显著的电加热效应，低强度电流流过电阻性固态发酵基质产生焦耳热，同时电场刺激整体微生物代谢活性加速热量输出，实现寒冷条件下堆体的快速升温。微电场还通过诱导和增强直接种间电子传递（DIET）重塑微生物能量转移。在MCFT耦合系统中，微电场刺激微生物合成导电纳米线（菌毛）或直接利用阳极材料作为电子导管，上游产酸菌和下游降解菌建立物理连接，电子绕过化学载体以点对点电信号形式直接跨细胞传递。DIET大幅提高微生物电子传递效率，降低裂解复杂化学键（如芳香环和糖苷键）所需的活化能，研究表明难降解大分子降解率提高30%以上，显著提升腐殖酸生成量和腐殖化指数。

3.4. 水热碳化与堆肥过程的系统级耦合

高含水率（>80%）固体废物（如市政污泥和餐厨垃圾）的传统好氧堆肥面临水分蒸发导致的热损失、升温缓慢和对过量结构调理剂的高需求。水热碳化（HTC）耦合好氧堆肥成为前沿串联工艺。HTC在密闭高温（180–250°C）高压水相环境中运行，利用湿物料中的自由水作为反应介质，在数小时内脱水和脱羧复杂有机大分子，转化为固体富碳“水热炭”。脱水后的水热炭作为功能性添加剂回用于常规好氧发酵罐进行协同共发酵。水热炭保留了丰富的含氧官能团（羧基、羟基和羰基）和脂肪族结构，具有良好氧化还原活性，作为有效电子穿梭体介导DIET，加速难降解前体（如木质素衍生物）的氧化裂解，并通过非生物催化降低多酚和氨基酸缩合的活化能，加速核心腐殖质大分子合成。在重金属钝化方面，HTC高温高压环境破坏有机-金属络合物，将金属物理封装在致密水热炭碳骨架内提供初级固定；后续堆肥中快速腐殖化合成的新腐殖质大分子富含羧基和酚羟基，与水热炭活性位点协同，对游离重金属离子产生强烈化学络合和螯合作用，将高毒性重金属转化为稳定残渣态。

3.5. 目标导向创新：新兴污染物缓解与温室气体减排

3.5.1. 抗生素抗性基因（ARGs）和微塑料（MPs）的降解与抑制机制

固态发酵系统的动态微生态界面是ARG水平基因转移（HGT）的热点区域。高温主要导致DNA变性而非完全断裂，热损伤的DNA在降温阶段可部分恢复结构完整性并保持转化活性，因此高温不能彻底消除ARG传播风险。添加特定调理剂可钝化重金属和抗生素残留，消除对微生物群落的“共选择压力”，从源头切断ARG通过质粒和整合子等移动遗传元件（MGEs）的跨物种传播。微塑料具有稳定聚合物碳链和强生化抗性。堆肥条件下，高温主要诱导塑料表面的热氧化老化，土著真菌和放线菌分泌胞外酶作用于塑料非晶区，仅引发表面风化和物理碎裂，而非彻底解聚，大尺寸微塑料破碎为更小颗粒，甚至产生纳米塑料。

3.5.2. 智能半透膜NH₃和N₂O减排综合策略

智能半透膜（如膨胀聚四氟乙烯（ePTFE））在发酵堆体上方构建特定分离边界。ePTFE膜具有独特微孔，氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）自由通过维持好氧条件，但阻挡大分子气溶胶和恶臭气体。高温蒸汽在膜内表面冷凝形成致密冷凝水膜，挥发性NH₃迅速溶解形成铵离子（NH₄⁺）并滴回堆体，实现气-液相变回流和原位氮回收。然而，持续氨回流会逐渐提高堆体pH，进而促进NH₃挥发，削弱长期氨控制效果，因此需要辅助pH缓冲调控。针对难溶性小分子N₂O，先进工程策略将膜覆盖与原位化学基质改性结合，预混硝化抑制剂或功能生物炭，生物炭优化氧传质并减少厌氧死区，硝化抑制剂特异性阻断N₂O生成途径，形成“内部生化源头抑制+外部物理气流拦截”的系统级减排网络。

1. 4.
   固态发酵数学模型与智能化发展

4.1. 固态发酵动力学与传质传热模型

早期动力学模型使用简单一级反应，将复杂固体废物视为均匀碳源，产生巨大偏差。多组分动力学模型按可降解性将有机物分为易降解（糖类和可溶性蛋白）、慢降解（纤维素）和惰性（木质素）组分，整合修正Monod方程，严格表征底物浓度、氧阈值、温度依赖性抑制和微生物增殖之间的非线性耦合。对于复杂氮转化过程，多组分模型采用氨化速率常数和动态pH/温度反馈，高精度预测氨峰值和总氮损失。计算流体动力学（CFD）将堆体视为非均匀多孔介质，通过求解Navier-Stokes方程耦合达西定律，严格描述复杂基质中强制曝气的流体动力学。这些多物理场模型精确模拟三维温度、氧气和水分分布，准确定位底部“冷区”和内部“厌氧死区”，为反应器设计和精准曝气提供可靠数字孪生支持。

4.2. 物联网与多参数原位在线监测

物联网（IoT）架构以分布式原位传感器阵列为核心。部署在不同深度的探针连续获取温度、湿度、氧气含量和挥发性有机化合物（VOCs）的高频测量数据。电化学或氧化锆基氧传感器可精确追踪动态OUR，金属氧化物半导体（MOS）传感器阵列靶向定量NH₃和VOC浓度，信号通过低功耗广域网（LPWANs）传输至云服务器。在先进膜耦合固态发酵系统中，当内部传感器检测到氧含量低于阈值或VOC峰值时，边缘计算单元运行模糊PID控制算法，计算最佳补偿风量，精确调节变频驱动器（VFD）风机的频率和占空比，实现“按需变频供氧”，防止连续曝气导致的过度冷却和干燥，与ePTFE膜的物理拦截完美匹配。

4.3. 人工智能驱动过程决策

人工神经网络（ANNs）构建多层隐藏结构，自主提取非线性映射关系，将易测量前体（初始含水率、C/N、温度曲线和pH）与最终腐熟度关联，实现高精度端到端预测。随机森林（RF）构建数百棵独立决策树，通过投票机制处理高维含噪工程数据，定量输出各输入特征对发酵腐熟度的重要性贡献。对于曝气策略的核心优化，人工智能实现从经验响应控制向前馈预测优化的范式转变。先进智能系统耦合深度时间序列模型（如长短期记忆网络（LSTM））与启发式算法（遗传算法（GAs）、粒子群优化（PSO）），利用历史数据精确预测不同变频曲线下的未来温度趋势、水分损失和风机能耗，优化算法高效探索高维预测空间，识别平衡氧传质充分性、氨气提缓解和风机功耗最小化三个竞争目标的动态最优解。

1. 5.
   挑战与未来展望

5.1. 当前研究局限性

大量新工艺（添加剂和微生物菌群）的机理研究在小于100L的实验室规模反应器中进行，混合和传质传热条件近乎理想。然而放大到百吨级系统会产生显著空间异质性，压实导致厌氧死区，边缘热损失产生“冷区”效应。实验室优化参数在实际工程场景中往往表现不佳。MCFT/BFC在放大场景中，固体基质低电导率和电极间距增加导致内阻升高，复杂物料在电极上形成绝缘层，电子传递网络崩溃，电加热在大型堆体中完全失效。此外，现有研究过度强调纳米材料和改性水热炭在发酵阶段的催化效果，忽视发酵产品施用于土壤后的潜在毒性风险。未反应的纳米材料可能在土壤孔隙中团聚或氧化释放有毒离子，破坏土著土壤微生态，存在根系吸收和食物链累积风险，缺乏跨链“发酵-土壤-植物”生态风险评估。

5.2. 未来技术演进与趋势

传统分离技术可培养固态发酵中存在的不到5%的微生物类群，其余95%被视为微生物暗物质。利用宏基因组组装基因组（MAGs），研究人员可直接从DNA中重建未知极端微生物或木质素降解菌的完整遗传信息，结合代谢组学精确解析代谢中间产物，重建整个发酵生命周期的核心代谢物互作网络，发现新型耐热降解酶，为下一代合成人工微生物菌群提供明确遗传部件库。在碳中和目标背景下，工艺优化目标将从基础无害化处理转向碳负排放性能，需要生命周期评价（LCA）严格核算废弃物收集、发酵能源使用、温室气体扩散和最终土壤碳汇等所有阶段的碳足迹。未来创新将聚焦两个方向：利用智能膜覆盖和化学阻断将甲烷和N₂O排放降至接近零；通过碱性矿物（硅酸盐和粉煤灰）耦合CO₂矿化反应在堆肥中原位固定CO₂，最终将固体废物转化为高度稳定的碳汇载体。传统堆肥产品作为低价值通用基础肥料，难以解决特定农业问题。未来产品将发展为靶向土壤调理剂。对于重金属污染矿区土壤，可定制复合功能化发酵产品，发酵特异性增强腐殖质中活性官能团（如羧基和巯基），使其成为长效金属钝化剂。对于盐碱土壤，可定向接种耐盐植物促生根际细菌（PGPR），生产抗逆促生微生态菌剂，形成“土壤诊断-反向定制堆肥工艺”的闭环研发模式。