狗粪与犬粮废弃物发酵-蚯蚓堆肥的资源化效能比较：底物来源与氮素水平对生物转化过程的调控机制

《Environmental Technology & Innovation》：From pet waste to plant growth: Comparative performance of feces- and kibble-based formulations during fermentation–vermicomposting

　　

从宠物废弃物到植物生长：粪便与犬粮配方在发酵-蚯蚓堆肥过程中的性能比较 宠物相关的有机残余物可以通过发酵-蚯蚓堆肥实现资源化回收。底物来源和掺入比例塑造了生物转化的轨迹。蚯蚓的取食偏好同时取决于底物来源和掺入比例。掺入比例对不同底物的氧气消耗动力学产生了相反的影响。在0.9%有机氮水平的配方下，植物干生物量增加了43%。 日益增长的有机废物排放是全球环境面临的重大挑战，尤其在城市和农业系统中。管理不善会导致温室气体排放、养分流失和污染，凸显了有效废物增值策略的必要性。在此背景下，蚯蚓堆肥作为一种高效且环境友好的生物技术工艺应运而生，可将有机废物转化为有价值的土壤改良剂。蚯蚓作为生态系统工程师，能够深刻改变底物结构和微生物活性。然而，蚯蚓堆肥的性能强烈依赖于所处理底物的特性。一些材料，尤其是富含木质纤维素化合物或具有高氨浓度、极端pH值的材料，可能不适宜直接进行蚯蚓堆肥，甚至会降低蚯蚓的活动或存活率。因此，通常需要采用各种预处理策略来稳定有机废物并提高其对蚯蚓加工的适宜性。在这些策略中，微生物发酵作为一种有效的预处理步骤日益受到关注。然而，很少有研究将发酵底物的生物学状态明确地与蚯蚓的取食行为、蚯蚓堆肥动态以及所得蚯蚓粪的功能质量联系起来，特别是对于犬类废弃物混合物这一对蚯蚓堆肥过程构成真实挑战的材料。因此，理解底物类型和发酵动态如何影响后续的蚯蚓堆肥过程，仍然是优化有机废物增值策略的重要课题。本研究旨在探究底物来源和发酵动态如何塑造后续的蚯蚓堆肥过程以及所得蚯蚓粪的功能特性。研究人员结合了发酵实验、蚯蚓适口性测定、可控生物反应器蚯蚓堆肥以及生物活性测量，分析了来自狗粪和犬粮混合物的不同发酵轨迹如何影响蚯蚓活动、微生物呼吸以及蚯蚓粪的农艺性能。本研究通过将生物转化途径与过程效率和功能性结果相联系，支持了循环生物经济战略，为可持续的有机废物管理做出了贡献。

研究背景与科学问题

随着城市化与集约化农业的发展，有机废物（organic waste）的激增已成为全球性的环境挑战。传统的堆肥（composting）和厌氧消化（anaerobic digestion）虽被广泛应用，但存在稳定周期长、气体排放多及能耗高等局限。蚯蚓堆肥（vermicomposting）作为一种高效的生物技术，利用蚯蚓（如Eisenia andrei）与微生物的协同作用，可将有机残余物转化为稳定的腐殖质状产物——蚯蚓粪（vermicompost）。然而，蚯蚓堆肥的效率高度依赖底物特性，例如碳氮比（C/N ratio）、pH值、含水量及抑制性化合物的存在。某些物料，特别是富含木质纤维素或高氨浓度的材料，会抑制蚯蚓活性甚至导致其死亡。为此，微生物发酵（fermentation）作为预处理手段逐渐受到重视，它可通过微生物预降解复杂有机物、降低pH值并减少抑制物，从而改善底物对蚯蚓的适口性。尽管如此，目前鲜有研究系统地将发酵底物的生物学状态（如微生物呼吸速率、发酵产物积累）与蚯蚓的取食偏好、后续蚯蚓堆肥动态及最终蚯蚓粪的功能质量相关联，尤其针对犬类废弃物这类极具挑战性的底物。因此，阐明底物类型与发酵动态如何共同影响蚯蚓堆肥过程及其农艺效果，成为优化有机废物资源化策略的关键科学问题。

研究方法概述

本研究采用2×2析因设计，考察底物来源（犬粮基 vs. 粪便基）与初始有机氮掺入水平（0.6% vs. 0.9%）两个因素。首先，将犬粮（Royal Canin, Aimargues, France）和狗粪（收集于皇家宠物食品中心）与山毛榉锯末混合，制备四种配方：Kib0.6、Kib0.9、Fec0.6、Fec0.9，对应初始C/N比分别为51.9、38.5、58.6和21.2。随后，各配方在50升半控制发酵桶中进行为期49天的微好氧-好氧发酵，并设三组独立重复。同时，在四个独立的15升全控制固态翻滚生物反应器中（每种配方一个反应器），监测发酵及后续蚯蚓堆肥阶段的气体浓度变化。蚯蚓取食偏好试验采用随机完全区组设计，在三个独立箱体中同时呈现四种发酵后底物，7天后统计蚯蚓密度。用于呼吸计量（respirometry）和植物生物测定的蚯蚓粪则在多层蚯蚓堆肥单元中生产，每个配方一个单元，其中三个上层料层作为生物学亚样本。最终产物经物理化学参数、挥发性脂肪酸（VFA）浓度、微生物质量（符合法国NF U44-051标准）及水芹（Lepidium sativum）发芽生物测定进行综合评价。

主要研究结果

3.1 预处理阶段发酵动态

发酵过程中，不同配方的温度、pH值和总挥发性脂肪酸（VFA）浓度呈现显著差异。Fec0.9配方的温度始终低于其他处理，但其VFA积累最为显著，尤其在好氧阶段后期。相反，Kib0.9配方则表现出较高的温度和CO₂浓度。这表明底物配方强烈影响了发酵产物积累与好氧转化之间的平衡。此外，Fec0.9的高位发热量（HHV）在发酵和蚯蚓堆肥阶段持续下降（总计-22.3%），而其他配方变化甚微（-2.4%至-0.6%）。

3.1.3 蚯蚓对发酵底物的取食偏好

蚯蚓的取食偏好受底物来源与掺入水平的交互作用影响显著（p<0.001）。Fec0.9处理的蚯蚓密度最高（326 worms kg^-1），显著高于Fec0.6（141 worms kg^-1）和Kib0.6（203 worms kg^-1）。而Kib0.9的蚯蚓密度最低（106 worms kg^-1）。结果表明，增加掺入水平对粪便基底物的适口性有促进作用，但对犬粮基底物则有抑制作用。

3.1.4 蚯蚓粪的呼吸计量与植物响应

蚯蚓粪的累积耗氧量（cumulative O₂ consumption）受底物来源（p=0.001）和掺入水平（p<0.001）显著影响，二者交互作用边缘显著（p=0.09）。达到耗氧平台所需时间（time to plateau）也受两者交互作用的极显著影响（p<0.001）：Kib0.9耗时最长（114小时），而Fec0.9最快（42.7小时）。所有蚯蚓粪均满足NF U44-051微生物标准。植物幼苗干重受掺入水平影响更强：0.9%配方比0.6%配方高出43%（p<0.001）；粪便基蚯蚓粪比犬粮基高出8%（p=0.028）。值得注意的是，底物来源与掺入水平对植物生长的交互作用不显著。

3.2 可控生物反应器中的蚯蚓堆肥动态

在蚯蚓堆肥阶段，Fec0.9反应器的最大头部空间CO₂浓度最高（7.90%），其次为Fec0.6（5.55%）、Kib0.6（4.17%）和Kib0.9（3.89%）。各反应器的最终蚯蚓数量介于202至247条，茧产量在114至911个之间波动。挥发性脂肪酸浓度在所有处理中均随蚯蚓堆肥进程而下降。

讨论与结论总结

讨论部分指出，底物配方决定了发酵轨迹，进而影响蚯蚓的接受度和后续的氧气消耗动力学。发酵状态（而非单纯的CO₂浓度）可能是影响蚯蚓取食偏好的关键因素，因为蚯蚓更倾向于取食经过微生物适度转化的有机物。重要的是，过程动力学（如耗氧速率）与农艺表现（如植物生长）呈现出解耦现象：前者受底物来源与掺入水平的强交互作用支配，而后者主要受掺入水平的独立影响。这表明，优化废物增值策略需采取双重路径：一方面需控制发酵动态以提高过程效率，另一方面需管理养分有效性以最大化农艺效益。

结论部分翻译如下：

本研究表明，底物配方与不同的发酵轨迹及后续蚯蚓堆肥响应密切相关。底物来源和掺入水平在影响发酵动态和蚯蚓取食偏好方面存在交互作用，而补充的气体监测和呼吸计量测量揭示了不同配方间截然不同的下游转化轨迹。引人注目的是，植物生长表现出与过程动力学不同的响应模式：掺入水平的影响强于底物来源。粪便基蚯蚓粪显示出独特的呼吸计量行为，但与犬粮基材料相比，其对植物生长的优势较为有限，表明呼吸计量特性与农艺表现并非直接耦合。这些结果凸显了发酵作为废物转化中重要结构阶段的作用。虽然底物的生物学历史似乎影响着过程动力学，但农艺结果很可能由更广泛的配方依赖性属性决定，这意味着过程性能和农艺质量需要不同的优化标准。实际上，该框架为根据底物特性优化集成式发酵-蚯蚓堆肥系统提供了基础，同时能生产出符合NF U44-051微生物标准的最终蚯蚓粪。发酵状态似乎与蚯蚓的接受度相关，而最终的农艺表现则取决于所得蚯蚓粪的性质，而非单纯的过程动力学。通过揭示过程动态与农艺表现之间的差异，本研究确定了进一步优化集成式发酵-蚯蚓堆肥系统的关键变量，推动了可持续有机废物生物转化技术的发展。