堆肥调节剂有助于生物强化低温堆肥过程中的启动过程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Compost conditioners regulate start-up in bioaugmented low-temperature composting

　　

岳超|刘玉萌|肖磊|张旭|谢新宇|魏子敏

中国哈尔滨市东北农业大学生命科学学院，邮编150030

摘要

为了解决寒冷地区低温堆肥过程中升温缓慢的问题，本研究评估了一种耐寒微生物群落（LY3）与两种堆肥改良剂——生物炭（BT）和蒙脱石（MT）的联合效果，重点关注了堆肥的启动阶段。基于之前在黑龙江的实地观察结果（LY3能够在低温环境下快速启动堆肥过程），本研究在受控实验室条件下进行了实验，以探讨堆肥的早期升温趋势及嗜热菌群的出现机制，并阐明BT和MT在相同接种条件下的作用机制。这两种改良剂均缩短了升温延迟时间并提高了初期峰值温度。在蒙脱石的作用下，堆肥温度在36小时内达到了46.1°C；而生物炭处理组的峰值温度约为40°C；仅接种微生物的对照组（CKT）的峰值温度约为38.5°C，始终低于40°C。从0小时到36小时的温度上升过程与关键有机底物的快速转化同步发生。蛋白质和脂质的转化率在蒙脱石处理组中最高，而糖类的转化率在生物炭处理组中最高。结构方程模型分析表明，两种改良剂的启动机制不同：蒙脱石主要通过促进蛋白质和脂质的转化来提升温度，而生物炭则主要通过促进糖类的转化来提升温度。微生物网络和关键物种分析进一步证实了这些差异，这与底物与温度之间的相互作用一致。总体而言，本研究阐明了BT和MT在低温堆肥中的不同启动机制，为寒冷地区堆肥系统的改良剂选择提供了实用指导。

引言

畜牧生产的迅速扩张产生了大量的畜禽粪便[1]。作为病原体、重金属及其他污染物的来源，这些粪便对人类健康和环境质量构成了严重威胁[2][3]。因此，开发高效可靠的粪便管理技术已成为当务之急。

堆肥可以有效降解有机固体废物，并将其转化为高价值的有机肥料，实现卫生处理和资源回收[4]。然而，在中国东北部，漫长的严冬期间气温常低于-20.0°C，这会抑制微生物活性并导致代谢热迅速散失[5]，使得堆肥温度难以达到大多数微生物所需的启动温度（通常为20.0°C）。在这种低温条件下确保堆肥的顺利启动仍是一个紧迫的挑战。现有的解决方法包括使用天然气或沼气加热[6]、电加热[7]以及用稻草保温[8]，但这些方法会消耗额外资源、增加堆肥成本，并可能引发二次污染。

先前的研究表明，接种微生物制剂可以显著缩短堆肥周期并加速其成熟过程[9][10]。复合接种剂包含多种耐环境微生物，它们协同作用将复杂的有机大分子（如脂质、碳水化合物和蛋白质）分解为较小的化合物。接种还能改善堆肥的微环境、增加微生物多样性，并通过群体间的协作加速堆肥过程[11][12]。耐寒微生物接种剂特别适用于低温堆肥，其添加能显著加快低温条件下的启动速度[13]。

除了接种外，各种添加剂还可以作为催化剂或改良剂，通过优化微环境和调节微生物代谢过程来促进堆肥[14]。生物炭具有丰富的官能团、高吸附能力、大量的微孔和较大的比表面积，能有效促进有机底物的生物转化[15]。在无机改良剂中，蒙脱石能显著改善堆肥系统的微生态特性，进一步推动堆肥进程[16]。

低温环境严重抑制了微生物产热，延缓了好氧堆肥的启动，成为寒冷地区有机废物回收的主要技术障碍。基于先前证据（耐寒微生物群落LY3能够在严冬低温下快速启动并维持堆肥过程[视频S1]，本研究在精确控制的实验室条件下探讨了生物炭（BT）和蒙脱石（MT）对低温堆肥启动阶段的影响。尽管已有研究尝试仅通过微生物接种来克服温度限制，但矿物和碳质改良剂的协同作用机制仍不明确。与以往分别研究生物炭或粘土矿物的研究不同，本研究在同一耐寒微生物强化和低温启动条件下直接比较了有机改良剂（生物炭）和无机改良剂（蒙脱石）的效果。通过结构方程建模结合微生物网络和关键物种分析，进一步揭示了BT和MT不同启动机制背后的底物-温度-微生物群落关系。这一设计有助于阐明这两种改良剂在低温堆肥启动过程中的不同作用。本研究系统评估了LY3与BT或MT联合使用的协同效应，以仅接种微生物的对照组（CKT）作为对照。在此关键阶段持续监测温度变化，以阐明这些改良剂如何调节堆肥的启动过程。基于此，本研究将这两种改良剂及耐寒微生物接种剂引入堆肥系统，旨在实现三个具体目标：（i）明确启动过程中有机组分和细菌群落的演替规律；（ii）分析相关代谢功能基因的变化；（iii）揭示关键物种维持细菌群落稳定性的调控机制。

章节摘录

微生物接种剂

耐寒微生物群落LY3是从黑龙江省哈尔滨市的一个鸡粪堆肥堆中分离得到的，并通过逐步在Luria–Bertani（LB）培养基中培养（培养温度分别为10°C、5°C和0°C）进行驯化。每个阶段持续四周，每周进行1%（v/v）的传代培养，以0°C下OD600值在72小时内至少增加0.3作为驯化成功的标准。驯化后的微生物群落在5°C的LB培养基中继续扩增。

堆肥启动过程中的温度变化

温度是启动和维持堆肥过程的关键指标[22]，对微生物生长和整体反应速率有重要影响[23]。堆肥启动是指堆肥核心温度持续升高至20°C以上（即超过典型环境温度平台）并进入持续升温阶段的时刻[22]。当堆肥温度连续两小时以上超过40°C时，表明堆肥成功启动。

结论

在添加微生物改良剂的低温堆肥过程中，这些改良剂进一步调控了放热途径和启动阶段的温度变化。蒙脱石凭借其保水能力和缓冲作用，促进了富含蛋白质和脂质的底物的优先矿化，形成了更高且更持久的嗜热峰；而生物炭由于其多孔结构和提供的额外通气及附着位点，也起到了类似作用。

CRediT作者贡献声明

魏子敏：项目管理。肖磊：写作——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用。谢新宇：数据验证、监督、资金申请。张旭：项目管理、资金申请。刘玉萌：数据验证、监督。岳超：初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了黑龙江省重点研发项目（项目编号2024ZX02B18）的资助。