综述：从低阶煤和牲畜粪便中回收资源以实现可持续农业生态系统：一篇综述

《Archives of Microbiology》：Resource recovery from low-rank coal and livestock manure for sustainable agroecosystems: a review

本文系统综述了低阶煤（LRC）与牲畜粪便（尤其是牛粪）协同利用的最新进展。重点探讨了微生物降解、表面活性剂辅助处理以及共堆肥三种生物技术策略。文章指出，微生物生物降解和表面活性剂辅助处理能促进LRC向腐殖质转化，而厌氧消化和堆肥可减少粪便甲烷排放。LRC与粪便共堆肥被证实是一条提升土壤肥力、增强碳固存并减少温室气体（GHG）排放的可行路径。作者评估了这些技术在农业可持续性与气候变化缓解方面的潜力，并讨论了过程优化、可扩展性与经济可行性等现存挑战，最后为将这些生物技术整合到循环农业-能源系统中提出了未来研究方向建议。

　　

在全球经济和能源体系中，煤炭仍占据核心地位。然而，低阶煤（LRC）的开采、燃烧以及农业废弃物（特别是牛粪）的管理不善，构成了重大的环境挑战，涉及温室气体（GHG）排放和资源效率低下。有趣的是，将这些材料协同利用，为可持续的废物增值提供了机遇。本文旨在回顾将LRC与粪便结合用于共堆肥和生物资源回收的最新进展。

煤的等级与特性

煤炭的形成始于植物残体的堆积，经过数百万年的分解和压实。这个过程形成了从泥炭、褐煤到烟煤和无烟煤的各种煤种。其中，褐煤和次烟煤被归类为低阶煤。与集中在特定区域的高阶煤不同，LRC在全球分布较为均匀。随着煤化程度的提高，煤的含水量和含氧量下降，芳香性和热值增加，这共同导致其生物降解性随煤阶升高而降低。

低阶煤具有碳浓度相对较低、含水量高、热值通常在18-25 MJ/kg之间的特点。它们含有大量挥发性物质，结构疏松，主要应用于能源领域。值得注意的是，褐煤含有较高比例的含氧官能团（如羧基和酚基），这使其化学活性较高，但同时降低了热值。

生物方法利用低阶煤

微生物在LRC的生物加工中扮演着关键角色。当前研究聚焦于利用木质素分解真菌、土壤细菌及其根系分泌物来溶解和解聚煤炭。尽管已鉴定出许多能够降解褐煤、木质素和腐殖质的微生物，但用于处理煤废物的工业生物技术应用仍在兴起。

煤炭的生物溶解通常归因于木质素分解/氧化酶以及细胞外代谢物（如碱性代谢物、螯合剂和生物表面活性剂），它们增加了煤的可及性并促进了类腐殖质产物的形成。例如，从风化褐煤中分离出的Bacillussp. Y7，在有氧条件下12天内可溶解超过36.7%的原始中国褐煤。结构分析表明，该菌株有效解聚了非烃部分，生成的结构与土壤中提取的腐殖酸类似。

硝酸预处理可以显著改善生物降解性。Pseudomonas putida对经硝酸处理的褐煤和次烟煤表现出显著的降解能力，褐煤的溶解率可达约90%。预处理增加了煤的孔隙率和可及性，为后续微生物降解创造了更易反应的物质。

真菌转化同样有效。用Penicilliumsp.（菌株P6）处理中国褐煤，可显著改变腐殖质组成，总腐殖酸从38.6%增加到55.1%。转化后的腐殖酸含氮量增加了47.36%，且分子量和芳香性更低。Trichoderma atrovirideES11能够以煤固体作为唯一碳源，在21天内实现82%的降解。

表面活性剂在LRC生物加工中的作用

表面活性剂能显著提高煤炭生物降解效率，通过改善微生物对煤表面的接触和加速微生物代谢来实现。它们能增加煤的溶解度和亲水性，从而加速分解过程。

例如，研究考察了四种表面活性剂（鼠李糖脂、Triton X-100、LAS和DTAB）对细菌Bacillus licheniformis降解鄂尔多斯盆地富焦油煤的影响。其中Triton X-100效率最高，通过改善微生物细胞与煤表面的疏水相互作用，将生物降解率提高至59.8%。其作用机制主要涉及增加细胞膜通透性和刺激代谢物释放。

表面活性剂的协同使用效果更佳。将Tr（辛基酚聚氧乙烯醚）与Rh（鼠李糖脂）结合使用，使Bacillussp. XK1对宝力希勒煤的生物降解率较对照提高了25.7%。这种改善归因于表面活性剂的协同效应，包括增加煤的表面电荷和亲水性，从而促进细菌吸附。

粪便管理作为潜在的缓解工具

畜牧业产生的粪便是重大的环境挑战，不当储存会释放大量CH₄和N₂O，加剧温室效应。此外，氮、磷等营养物质的淋失会导致土壤和水体污染。

有效的粪便管理策略包括热处理（焚烧和共烧）、热解、水热液化（HTL）、堆肥和厌氧消化等。其中，堆肥作为一种有氧过程，通过细菌、真菌等微生物降解有机材料，比厌氧分解具有更快的动力学和更有效的稳定化作用。

微生物接种（生物强化）是影响堆肥动态和最终产品质量的策略。例如，在鸡粪与玉米秸秆堆肥中接种微生物，可以延长高温期，改善堆肥成熟度指数，促进氮转化（如冷却阶段减少NH₄⁺，翻堆后增加NO₃^-），并增加腐殖化程度。

LRC与粪便共堆肥：一条有前景的途径

尽管在煤炭表征和粪便堆肥方面已有广泛研究，但结合微生物、表面活性剂辅助和共堆肥方法以实现LRC与牲畜废物协同利用的综合策略仍待深入探索。

LRC与粪便共堆肥已被确定为一条有前景的途径，可以改善土壤肥力和碳固存，同时减少温室气体排放。LRC中丰富的含氧官能团为腐殖质形成提供了潜力，而牛粪则提供了丰富的有机质和活跃的微生物群落。通过互补的生物和物理化学方法整合这些材料，有望同时应对煤炭相关环境污染和农业废物积累这两个全球性挑战。

共堆肥系统可以整合微生物和表面活性剂辅助策略以优化过程。例如，表面活性剂的添加不仅能促进LRC的降解，还能在堆肥系统中有效减少和消除粪便中的抗生素抗性基因（ARGs），并降低重金属的生物有效性，从而缓解堆肥过程中ARGs的共选择压力。

挑战与未来展望

尽管前景广阔，但该领域仍面临诸多挑战。主要包括过程优化（如最佳配比、温度、pH、通气条件）、技术可扩展性（从实验室到田间或工业规模）以及经济可行性。此外，关于LRC添加对接种微生物群落演替、氮保留和腐殖质形成的影响，以及表面活性剂辅助的煤增溶作用对这些效应的潜在调节，仍不清楚。

未来研究需要重点关注整合这些生物技术到循环农业-能源系统中。具体方向可能包括：开发高效、功能互补的微生物菌剂；优化表面活性剂类型、剂量与投加时机；深入揭示共堆肥过程中碳、氮转化与微生物群落的耦合机制；评估长期施用共堆肥产品对土壤健康、作物产量和温室气体净排放的效应；以及进行全面的技术经济分析与生命周期评价，以推动该技术的实际应用。

通过解决这些知识缺口和技术瓶颈，LRC与牲畜粪便的协同生物处理，有望为可持续废弃物管理、农业生产力提升和气候变化缓解做出实质性贡献，推动向更循环、更低碳的资源经济转型。