微生物接种在减轻异味释放、减少氮和硫损失以及加速食物废弃物堆肥过程中的成熟度方面的作用

《Journal of Environmental Management》：Effects of microbial inoculation on mitigating odor release, curtailing nitrogen and sulfur losses, and accelerating the maturation during food-waste composting

微生物接种调控餐厨垃圾堆肥过程中恶臭气体减排及氮硫代谢机制研究，发现接种耐热菌群可显著降低NH3、H2S等气体排放（降幅达73.45%-37.20%），同时通过优化微生物群落结构（提高丰富度与多样性）、抑制产酸和 Skatole 生成菌活性，并调控 narG、nirB 等关键基因表达，实现氮硫循环协同调控。

　　

魏文辉|张正高|李静琳|杜浩然|吴琼|崔若琪|王晓伟|任连海|张明璐|王永静

中国北京工商大学食品链污染控制国家重点环境保护实验室，北京，100048

摘要

本研究将一种耐热、具有除臭功能的微生物制剂接种到食物垃圾（FW）堆肥中，系统评估其对气味物质、挥发性有机化合物（VOCs）、微生物群落结构、胞外酶活性以及氮循环和硫循环相关基因转录谱的影响。与未接种的对照组相比，接种微生物后，NH₃、H₂S、乙醇和乙醛的累积排放量分别降低了73.45%、65.30%、40.22%和37.20%。NH₃的高通量16S rRNA测序结果显示，接种显著增强了微生物的丰富度和多样性，并增加了促进堆肥成熟、减少氮损失的嗜热菌株的数量。同时，产酸菌和产生 skatole 的菌群的相对丰度有所下降。定量PCR实验表明，narG, norB, nif, nrfA, nirB, aprA 和 sat 基因的表达下调，这减少了 NH₄⁺–N 的产生并抑制了硫酸盐还原过程，从而协调了氮和硫的代谢转化，显著降低了 NH₃ 和 H₂S 的排放。总体而言，该研究证明了微生物接种在减轻气味排放、保留养分和加速堆肥成熟方面的可行性，并揭示了微生物制剂如何在堆肥过程中调节酶活性和功能基因表达的机制。

引言

随着中国实施零废物城市和垃圾分类政策，食物垃圾（FW）已成为主要的城市固体废物类型（Jin等人，2021年）。2023年，中国产生了约1.29亿吨食物垃圾（Liu等人，2025年）。食物垃圾的大规模集中处理迫切需要可持续且高效的处理技术。在现有的处理方法中，堆肥被认为是一种有前景的、环保且经济可行的策略，通过微生物活动将有机废物转化为稳定的腐殖质（Hoang等人，2022年；Abdellah等人，2025b年）。然而，好氧、厌氧和厌氧微环境的共存导致难闻气体的不可避免排放，如硫化氢（H₂S）、氨（NH₃）和挥发性有机化合物（VOCs）（Rincón等人，2019年）。这些化合物不仅污染空气和环境，还对人类健康构成严重威胁。例如，NH₃ 和 H₂S 的暴露可能导致认知、神经和呼吸系统疾病（Nguyen等人，2023年）。此外，它们的挥发还会导致氮和碳的损失，从而降低最终堆肥产品的养分质量（Chen等人，2020年）。乙醇和乙醛是堆肥过程中产生的典型VOCs，具有易燃性和毒性。长期暴露于低至25 mg/kg的乙醇浓度也可能有害，而乙醛的闪点低于21°C，美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）将其阈限值设定为25 mg/kg（Dudley，2002年；Jiang等人，2024年）。因此，减轻食物垃圾堆肥过程中的气味和VOCs排放是一项重要的环境任务。

生物除臭作为一种高效且经济的方法受到了关注。它依靠外源微生物接种来抑制气味挥发并调节堆肥过程中的微生物群落动态（Chen等人，2022a）。因此，接种功能性微生物联合体已成为减少有害气体排放和改善堆肥质量的有效策略（Zhao等人，2020年）。这一过程的效率往往取决于多种细菌菌株之间的协同作用。Li等人（2024a）配制了一种混合微生物接种剂，使猪粪堆肥的加热阶段缩短了2天，嗜热阶段延长了4天，并分别减少了NH₃和H₂S的排放量41.82%和66.35%。类似地，Hwang等人（2023）报告称，Bacillus subtilis的接种使NH₃和VOCs的排放量分别减少了40%和15%。气味气体主要在堆肥的嗜热阶段释放。特别是在高温下，由于硝化作用受到抑制，NH₄⁺–N无法转化为NO₃^?–N，导致NH₄⁺–N积累并挥发为NH₃（Zhao等人，2023年）。因此，筛选耐热的功能性微生物对于开发有效的微生物接种剂至关重要。Zhao等人（2022）引入了一种含有三种耐热硝化细菌的复合接种剂，在污泥堆肥过程中减少了NH₃的累积排放量32.20%。Chen等人（2022c）开发了一种耐热硫氧化细菌接种剂，分别降低了H₂S和NH₃的累积排放量48.90%和19.40%。

近期关于堆肥过程中微生物除臭的研究主要集中在中温微生物上（Wardhani等人，2025年；Zhao等人，2024年），但针对能够在嗜热阶段保持稳定功能的耐热除臭微生物的研究仍然有限。此外，商业微生物除臭剂很少同时具备（i）耐热性、（ii）广谱底物降解能力和（iii）源头级除臭效果，从而限制了其在实际应用中的效果。本研究开发了一种耐热、源头级除臭的微生物接种剂。该菌株组合被吸附在竹炭（BC）上，以提高热稳定性和细胞存活率以及载体介导的气体吸附能力。值得注意的是，该微生物接种剂结合了多种高降解效率的耐热功能菌株，并利用竹炭载体来提高存活率和气味吸附效果，这使其区别于以往的研究。将接种后的竹炭应用于食物垃圾堆肥系统，以考察其对气体排放、养分循环、微生物群落动态、酶活性和功能基因表达的影响。本研究旨在阐明微生物接种剂的除臭机制，并为开发高效的微生物除臭技术提供理论基础。主要目标是：（1）研究耐热源头级除臭微生物对食物垃圾堆肥过程中气体产生的调控作用；（2）分析微生物接种剂添加对堆肥过程中微生物群落结构和演替的影响；（3）阐明微生物接种剂如何影响与碳、氮和硫循环相关的酶活性和功能基因的表达。

微生物来源

本研究中使用的微生物接种剂来自实验室保存的菌株，食物垃圾（FW）作为微生物来源。通过两步筛选方法确定了能够在55°C下生长并有效去除NH₃（≥60%）、H₂S（≥50%）和乙醛（≥60%）的菌株，以及能够在37°C下生长并有效去除乙醇（≥20%）的菌株。使用琼脂塞（菌丝塞）拮抗法排除了拮抗菌株，其余菌株被保留下来。

堆肥过程中的理化性质

50天的堆肥试验包括两种处理方式：一种是在食物垃圾中接种耐热菌株联合体（EG），另一种是不接种的对照组（CK）。图1总结了温度、pH值、发芽指数（GI）和E4/E6比例的时间变化趋势。温度是影响堆肥过程中微生物生长和代谢活性的关键参数（Xu等人，2020年）。易生物降解有机物的快速矿化导致两个反应器中的温度同步上升。

结论

研究表明，微生物接种是抑制食物垃圾堆肥过程中气味和挥发性有机化合物（VOCs）排放的有效策略。与对照组（CK）相比，实验组（EG）的NH₃累计排放量减少了73.45%，H₂S减少了65.30%，乙醇减少了40.22%，乙醛减少了37.20%。从机制上看，接种增强了微生物的丰富度和多样性，促进了有利于堆肥成熟的微生物富集，并减少了相关物质的产生。

作者贡献声明

魏文辉：撰写初稿，数据整理。 张正高：撰写初稿。 李静琳：撰写、审稿与编辑，资金申请。 杜浩然：数据整理。 吴琼：项目管理。 崔若琪：数据整理。 王晓伟：撰写、审稿与编辑。 任连海：撰写、审稿与编辑。 张明璐：撰写、审稿与编辑。 王永静：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划[2019YFC1906004]和中国机械工业集团有限公司青年科技重点项目[QNJJ-ZD-2025-26]的资助。