从人类代谢到城市代谢：基于当前与未来膳食的排泄营养物质流动Mapping

《Frontiers in Environmental Science》：From human to urban metabolism: mapping flows of excreted nutrients based on current and prospective diets

　　

随着矿质肥料在健康、环境与地缘政治等方面问题日益受到关注，替代性养分来源（如城市卫生系统流出的养分）重新获得重视。研究人员提出一个精细的局部地域代谢模型及其关联的氮（Nitrogen，N）和磷（Phosphorus，P）流动模型，可适配任意国家，从国家尺度到单体建筑尺度评估沉积量，服务政策制定者与地方城市规划者。模型结合人体代谢方程、地方膳食信息与人口开放统计资料，并以法国与荷兰两地卫生数据进行验证，与既有文献比较。研究人员还展示该模型如何用于前瞻分析：随人口与膳食变化，进入卫生系统的负荷及氮磷比如何演变。最后讨论这一开源模型如何协助地方主体规划源分离人类排泄物、生产本地循环肥料，以提升粮食安全和自主权。

研究背景方面，工业化后集中式卫生系统使氮（N）、磷（P）等生物地球化学循环被严重扰动，源分离与人类排泄物养分开采回到科学与政策议程。既有模型多用平均排泄值、废水数据或粮农组织（FAO）摄入数据，常高估可用沉积量，且不区分尿与粪；少数研究考虑儿童比例、性别与日内浓度变化，但难以支持学校、办公楼等建筑尺度的规划。由于排泄值在正常范围内也可显著差异，未受代谢约束的数值会导致磷排泄达膳食摄入两倍等问题。因此，亟需将膳食摄入、年龄性别、日间与空间分布耦合的模型，以支撑从生物区到建筑的地域代谢评估。

主要关键技术方法方面，研究人员构建基于医学平衡研究的人体NP代谢模型，用法国INCA3、荷兰VCP、Afterres2050、ADEME Transition2050、Planetary Health Diet（PHD）等膳食队列与情景；城市代谢部分用居民、通勤员工、学生、游客人口结构和INSEE、CBS Statline等公开统计，结合Burgio与Heaton排泄节律，将尿粪养分分配到住宅、工作地、学校等空间，并在图卢兹（Toulouse）与阿姆斯特丹（Amsterdam）两个案例对照污水处理厂（WWTP）入口负荷验证。

研究结果如下。

2 Methods中，研究人员给出质量守恒方程 m_i=m_u+m_f+m_l+m_r，其中m_i为摄入、m_u尿排、m_f粪排、m_l汗呼吸甲等其他丢失、m_r生长潴留；由10项医学平衡研究得到线性系数，成人氮尿排分数a_u^(N)=0.782±0.003、粪排a_f^(N)=0.166±0.006，磷尿排a_u^(P)=0.58±0.03、粪排a_f^(P)=0.43±0.02；儿童用体重增长曲线与机体氮磷含量算潴留a_r，从而推导年龄相关尿排分数。

2.1 Modelling human NP metabolism中，研究人员以吸收后池解释儿童尿氮磷低于成人，粪排来自未吸收加内源分泌，最终选定氮参数a_u^(N)=0.79、a_f^(N)=0.17、a_l^(N)=0.04，磷参数a_f^(P)=0.43、a_u^(P)=0.57、其他丢失取零，实现尿粪分流与代谢约束。

2.2 Dietary intakes中，研究人员用法国INCA3估现状、荷兰VCP验阿姆斯特丹，并用Afterres2050、ADEME四种路径、荷兰PHD情景做前瞻，证明膳食结构改变会直接改变排泄沉积。

2.3 Modelling urban metabolism中，研究人员把居民P_r、通勤P_c、游客P_t按年龄组耦合代谢模型；工作地尿粪排泄分数约55%，学校排尿3/7、排粪20%以修正儿童避厕行为，从而把养分流落到建筑尺度。

2.4 Case studies中，图卢兹985387人、66市、23座WWTP，阿姆斯特丹753589名3岁以上居民、两座主力WWTP；研究人员把灰水、降雨径流氮沉降、管网损失等加入校核，使模型负荷接近实际入厂流量。

3 Results中，人体代谢参数确定后，图卢兹模型入厂N、P与WWTP实测加上灰水贡献吻合；阿姆斯特丹结果与de Fooij、Van der Hoek、Wielemaker等文献同量级。前瞻显示植物基膳食降低动物蛋白摄入后，尿氮占比下降、N:P比改变，图卢兹2040与阿姆斯特丹2040人口结构变化会重塑空间沉积热点。

讨论与结论部分翻译：研究人员讨论该开源模型可协助地方行动方规划源分离人类排泄物并生产本地循环肥料，以提升粮食自主与安全感；将卫生、农业、水、能源部门联系起来，使膳食转型与养分回收协同减碳降污。研究结论为：基于人体代谢与人口流动的模型能在国家到建筑尺度一致量化尿、粪中N与P沉积，避免未约束平均值造成的高估；法国与荷兰案例验证其较废水推算法更贴合实际；前瞻膳食越偏向植物基，进入卫生系统的N负荷与N:P比越利于后续回收；学校、办公楼等空间因人口类型与日间节律不同而形成异质沉积，应作为源分离项目优先选址依据。该文发表于《Frontiers in Environmental Science》。