温度驱动的超嗜热微生物响应与贡献：连接市政污泥堆肥中的储存与接种策略

《Microorganisms》：Temperature-Driven Responses and Contributions of Hyperthermophiles: Linking Storage and Inoculation Strategies in Municipal Sludge Composting Zixi Ming, Shihong Chen, Jun Gu and Ran Yu

　　

传统好氧堆肥受限于有机物降解不完全、堆肥时间长和产品质量低。超嗜热微生物已被应用于堆肥，但对其储存条件和接种策略的系统研究仍然缺乏。本研究将超嗜热微生物复合菌群（命名为NJ）在25°C和4°C下储存6个月后，与-80°C储存相比，显示出更高的储存后再生能力。此外，在（medium-temperature stage）中温阶段接种相比在（high-temperature stage）高温阶段（>55°C）接种，NJ增强了有机物分解，并将堆肥时间缩短了50%。与市售接种剂相比，NJ缩短了67%的堆肥时间，将发芽指数（Germination Index, GI）从70%提高到85%，将溶解性总氮（Dissolved Total Nitrogen, DTN）增加了40%，并在堆肥结束时导致了腐殖质（humic substance）的积累，表明产品质量得到改善。因此，在（medium-temperature stage）中温阶段接种NJ，通过使功能更早表达和有效占据生态位，提高了堆肥效率和产品质量。

一、 研究背景、问题与目的

市政脱水污泥是废水处理的重要副产物，含有有益养分，但也含有病原微生物、有机污染物和重金属等有害成分。好氧堆肥是污泥处理的常用方法，但传统工艺存在升温慢、有机物降解效率低、病原体灭活不完全和周期长等局限。近年来，超嗜热微生物（Hyperthermophiles）被用于增强污泥堆肥性能，可显著提高升温速率和有机物降解。然而，现有研究对超嗜热菌群的储存条件如何影响其储存后恢复能力，以及接种阶段如何与微生物群落适应性相互作用以影响堆肥效果，仍缺乏深入理解。因此，本研究旨在：筛选超嗜热菌群（NJ）并评估其在（Post-storage Regrowth Capacity）不同温度条件下的储存后再生能力；考察NJ在不同堆肥阶段接种的效果；并与市售接种剂（SY）的堆肥效果进行比较。

二、 研究方法概述

研究人员采用的方法主要包括：1. 菌群筛选与培养：从地热温泉（90–95°C）筛选出好氧超嗜热微生物复合菌群NJ，在CYS（Cysteine–Yeast–Sucrose）培养基中于80°C培养，并通过16S rRNA基因测序鉴定。2. 储存条件评估：在-80°C、4°C和25°C下分别储存6、9、12个月，评估其储存稳定性，测定储存后菌群的再生能力。3. 堆肥实验设计：建立中试规模堆肥系统，设置不同接种阶段（中温期 vs. 高温期>55°C）的实验组，并与市售接种剂SY进行对比。4. 理化与微生物分析：监测温度、pH、电导率（Electrical Conductivity, EC）、发芽指数（GI）、溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon, DOC）、溶解性总氮（DTN）和腐殖质等参数。通过16S rRNA高通量测序分析堆肥过程中的细菌群落结构动态。

三、 研究结果

3.1. NJ的生长特性与储存条件

NJ在86–92°C达到最佳生长温度，最大细胞密度为3.75 ± 0.28 × 10⁸cells/mL。储存后再生能力评估显示，在25°C和4°C下储存6个月后，NJ的再生能力高于-80°C储存，即使在25°C储存12个月后，细胞密度仍保持在10⁸cells/mL水平，而在-80°C储存12个月后未检测到活细胞。统计表明储存温度和时间对细胞密度有极显著影响。

3.2. 不同阶段接种NJ对堆肥的影响

在（medium-temperature stage）中温阶段接种NJ显著增强了堆肥升温速率，缩短了堆肥时间。中温（medium-T）组最高温度达78.3°C，升温速率为36.96°C/d，显著高于高温（high-T）组的70.9°C。中温（medium-T）组堆肥在14天完成，比高温（high-T）组的30天快50%以上。中温（medium-T）组的pH在初期短暂下降，最终电导率（EC）和发芽指数（GI）均优于高温（high-T）组。溶解性总氮（DTN）动态显示，中温（medium-T）组的铵态氮峰延迟且更快稳定。

3.3. 中温阶段接种NJ堆肥效果的验证

与市售接种剂SY相比，NJ组显著加速升温，总堆肥时间仅为11天，比SY组的34天缩短了67%。NJ组最终电导率（EC）为3.34 mS/cm，显著低于SY组的4.27 mS/cm，表明产品盐度更低。NJ组的最终发芽指数（GI）达到85%，高于SY组的70%。在有机物转化方面，NJ组促进了溶解性总氮（DTN）的保留，最终含量比SY组高约40%，并抑制了堆肥后期脲酶活性的反弹。最重要的是，NJ组促进了腐殖质的积累与转化，堆肥结束时腐殖质（HS）含量达到初始值的114%，实现了净积累，而SY组仅为93%。具体表现为NJ组的（humic acid）腐殖酸（HA）含量增加56%，高于SY组，而（fulvic acid）富里酸（FA）降低6%，远低于SY组的31%，表明NJ组有更高的FA向HA转化率。

3.4. 堆肥过程中细菌群落结构动态

在门水平上，堆肥初期两组均以（Proteobacteria）变形菌门和（Planctomycetes）浮霉菌门为主。高温期，（Firmicutes）厚壁菌门在两组中迅速成为主导。堆肥末期，群落演替出现分化：NJ组中（Actinobacteria）放线菌门显著增加，而SY组中（Bacteroidetes）拟杆菌门和（Proteobacteria）变形菌门反弹。在属水平上，高温期两组均富集了耐热属，如（Bacillus）芽孢杆菌属、（Ureibacillus）和（unclassified_Bacillales）。末期，NJ组以（Chelativorans）和（Pseudoxanthomonas）等属为主，而SY组中（unclassified_Flavobacteriaceae）占比较高。

四、 讨论与结论

讨论部分首先分析了NJ在25°C和4°C下储存后再生能力高于-80°C的可能原因，包括超嗜热菌对低温冷冻诱导的细胞压力（如膜相变、蛋白质失稳）更敏感。其次，阐述了中温阶段接种更有效的原因：此阶段环境竞争较弱、养分充足，有利于外源菌群定殖和功能早期表达。相比之下，高温阶段接种面临底物消耗、高温胁迫等限制。再者，详细说明了NJ如何通过重塑堆肥轨迹、促进有机质更彻底矿化、改善氮保留、降低盐分积累以及促进腐殖化，从而提升堆肥效率和产品质量。最后，比较了超高温堆肥（UHTC）与常规（thermophilic composting）嗜热堆肥（cTC）系统的功能差异，指出UHTC在降解顽固有机物、维持高温、促进腐殖质早期形成、减少氮损失和增强病原体去除方面的优势。

结论：本研究结论如下：NJ在25°C和4°C下储存六个月后的储存后再生能力高于在-80°C下储存。在（medium-temperature stage）中温阶段接种比在（high-temperature stage）高温阶段接种更有效，可导致更快的升温、更短的堆肥时间、改善的氮保留和增强的腐殖化。与市售接种剂相比，NJ进一步改善了堆肥成熟度和整体工艺性能。这些效应与微生物群落组成的变化有关，特别是嗜热类群的富集。总的来说，本研究强调储存后再生能力和接种阶段是影响超嗜热接种剂在污泥堆肥中功能性能的关键因素。然而，储存和接种过程中微生物活性的功能基因表达模式和潜在机制仍未得到充分解析，需要进一步研究。