有机固体废弃物生物转化技术研究进展（一）

有机固体废弃物伴随着人类生产、生活而产生，包括畜禽粪便、作物秸秆、厨余垃圾、城市生活垃圾以及市政污泥等，产生量巨大，对环境造成的压力与日俱增。我国是一个农业大国，农业废弃物产生量极其巨大。数以几十亿吨计的农业废弃物已经成为中国最大的污染源。2016年经国家农业部、住建部的估算全国每年产生畜禽粪污3.8×10⁹t，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近9×10⁸t，未利用的约2×10⁸t；城市污泥产生量达到约3.5×10⁷t，处置率在50%~70%；城市生活垃圾产生量达到1.8×10⁸t。

依据2020年第二次全国污染普查公报显示，畜禽粪污化学需氧量的排放量远远超过中国工业废水和生活废水的排放量之和，占比全部排放量的49.8%。随着经济的发展，城市化进程的加快，有机固体废弃物的产生量越来越大。特别是，畜禽粪污成为我国最大的农业环境污染源和有机固体废弃物，且养殖规模仍在持续扩大，排放总量呈现逐年增加的趋势，大量产生和累积所带来的环境风险与资源循环利用等问题尤为突出。有研究测算，我国有6个省市是畜禽粪便污染较重的区域，单位农田面积的畜禽粪便总氮磷负荷超过欧盟的限量标准。近年来，我国陆续发布了畜禽粪污资源化利用的相关指导文件，旨在推动畜禽粪污的综合利用与无害化处理，防治畜禽养殖污染。好氧堆肥技术由于具有无害化、资源化程度高，减量化效果明显，成本低等优点而成为有机固体废弃物无害化和资源化的最有发展潜力的方式之一。众多实践表明，好氧堆肥技术是促进畜禽粪污资源化利用，解决畜禽粪污处理的重要技术途径。

好氧堆肥的生物转化过程本质上是一个以碳氮硫（C、N、S）富营养的有机物为底物的生物化学多因素共同影响下，在剧烈的水热气变幅条件下，多种功能微生物协同、竞争或耦合等作用下的复杂过程，最终形成稳定的产物—有机肥。微生物在好氧堆肥过程中扮演着分解者的角色，由于好氧堆肥体系的复杂性，蕴含着复杂多样的微生物群体在好氧堆肥体系的不同时间、空间发挥作用，不同生态位的微生物对不同的物质组分进行着矿化作用，从而实现有机固体废弃物的整体矿化。因此，微生物是决定有机固体废弃物的好氧堆肥过程中生物转化的执行者，起到至关重要的作用。

在好氧堆肥体系中，驱动物质转化的微生物过程会产生大量的氮、硫恶臭气体，造成氮素损失和恶臭环境污染，其中，NH₃、N₂O的排放损失可达到24%~77.4%、0.2%~9.9%的好氧堆肥初始总氮量，N₂O作为一种重要的温室效应气体，其温室效应是CO₂的296倍。全球每年畜禽粪便好氧堆肥过程产生的N₂O更是达到了1.2×10⁶t。恶臭硫气体（硫化氢、甲硫醚、甲硫醇、二甲基二硫等）排放则成为限制好氧堆肥技术发展的关键环境因素，硫素损失可占好氧堆肥初始总硫量的8%~26%，以硫化氢的排放通量最大，其次是甲硫醇、甲硫醚。因此，由功能微生物驱动的氮硫物质转化是好氧堆肥过程的关键物质转化过程，既与最终产品（有机肥）的品质密切相关，也关系到恶臭气体排放等次生环境污染问题，是开展好氧堆肥技术研究的关键科学问题。堆肥微生物主要是受到了堆肥的通气情况、C/N、湿度、温度、pH等因素的影响，针对影响堆肥微生物的因素进行调控，可有效提升好氧堆肥处理效率。

近年来，随着分子生物学、高通量测序技术等学科的发展，大大促进了对环境中未培养的微生物的研究深度，使我们能够深入探索环境微生物的多样性及其潜在作用机制。本文就好氧堆肥过程中的微生物多样性以及氮硫物质转化过程微生物作用机制进行综合评述，为进一步研究有机固体废弃物生物转化的微生物过程、调控好氧堆肥技术提供科学依据。

1　好氧堆肥过程的微生物多样性

在好氧堆肥的生物转化过程中，有机物质都要经过微生物矿化作用，这就是微生物对物质循环起着关键作用的原因，提升相关功能微生物的代谢活性则能更好地促进有机物质的生物转化作用。由于堆肥过程存在剧烈的温度变化阶段（大致包括升温-高温-降温3个阶段）以及堆体表层-内部的氧气不均一性形成氧气差异，从而引起微生物群落的演替变化，因此时间与空间异质性显著影响着微生物的分布及其生化反应过程。

好氧堆肥中普遍存在细菌、真菌、放线菌等微生物，其数量级可分别达到10⁹~10¹⁰、10³~10⁷、10⁵~10⁸CFU/g。在整个堆肥过程中，相对于真菌、放线菌，细菌数量占据着显著的优势，其代谢能力
及多样性也更加丰富。

1.1　好氧堆肥过程的细菌群落结构变化

细菌由于具备耐高温、易于利用多种营养物质快速生长等优点，是整个堆肥过程中最主要的降解者。不同堆肥原料的细菌群落结构存在一定的差异，基于细菌高通量测序的研究显示，堆肥过程中主要细菌门类包括了拟杆菌门（Bacteroides）、变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria），绿弯菌门（Chloroflexi）、浮霉菌门（Planctomycetes）有时候也会占据优势地位。值得注意的是，驱动氮循环中硝化作用的关键微生物主要是变形菌门，驱动反硝化作用的关键微生物包括了变形菌门和厚壁菌门，驱动厌氧氨氧化作用的关键微生物则是浮霉菌门，而放线菌门能够产生木质纤维素水解酶负责纤维素降解等参与碳素转化过程。

随着堆肥过程的推进，细菌群落结构受到温度、深度、氮素转化过程的影响而发生演替。在牛粪与稻草混合堆肥过程中，拟杆菌门（Bacteroides）和变形菌门（Proteobacteria）是最丰富的门，而放线菌门（Actinobacteria）仅在升温阶段占主导，浮霉菌门（Planctomycetes）数量则在降温期大幅提升，这提示了堆肥后期可能发生厌氧氨氧化作用。而在玉米秸秆堆肥的高温阶段，占据优势的放线菌门（Actinobacteria）则在促进纤维素的降解方面发挥了重要作用。针对堆肥不同深度的菌群结构分析仍不多见，现有研究显示，受堆肥深度显著影响的细菌属水平上物种包括了Planifilum、Thermopolyspora、Truepera、Streptomyces、Pseudoxanthomonas等，且细菌群落多样性差异在高温阶段受到了深度和堆肥时间的影响而在降温阶段则是与堆肥深度显著相关。从以上的菌群结构演替过程可知，堆肥体系中特定微生物种群变化是随着堆肥中物质转化和多种环境因子变化等复杂因素的适应性过程。

1.2　好氧堆肥过程的真菌群落结构变化

真菌是堆肥微生物菌群的重要组成部分，堆肥过程中主要真菌门类包括了子囊菌门（Ascomycota）、担子菌（Basidiomycota）。针对鸡粪好氧堆肥的真菌群落结构时空演替研究中，堆肥升温期主要是酵母菌属（Saccharomycetalessp.），堆肥高温期主要是粪壳菌属（Sordarialessp.）、嗜碱枝顶孢菌（Acremonium alcalophilum）、酵母菌属（Saccharomycetales sp.）、Scedosporiumminutisporum，堆肥降温期则是Scedosporiumminutisporum；在堆肥降温期不同深度的真菌群落相对丰度更均匀，且Scedosporium minutisporum是受到堆肥深度显著影响的真菌群落。同时，温度、水分、pH和氧化还原电位等环境条件均是影响真菌群落结构的重要因子，在对猪粪好氧堆肥的研究显示，温度是影响真菌多样性的重要因素，而氧化还原电位、水分、灰分则影响堆肥中优势真菌的丰度。

堆肥中嗜热性真菌的多样性及其纤维素降解活性等方面也受到广泛关注，特别是嗜热性真菌通过分泌各种类型的纤维素分解酶和木质素分解酶来促进有机物的降解，这些具有在高温下保持活性的酶得以帮助嗜热性真菌在堆肥高温期进行代谢活动，曲霉菌属（Aspergillussp.）、毛壳属（Chaetomiumsp.）、腐质霉属（Humicolasp.）、毛霉属（Mucorsp.）、青霉属（Penicilliumsp.）和嗜热属（Thermomycessp.）是堆肥系统的主要活跃真菌种群。

2　好氧堆肥过程的氮素转化

好氧堆肥过程中氮素转化涉及到若干个生化反应，包括了硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化作用等（图1）。参与硝化作用和反硝化作用的生物学过程是较早被研究的氮素转化过程，厌氧氨氧化作用则是较晚发现的氮素转化过程，相关酶基因如氨单加氧酶（amoA）、亚硝酸盐氧化还原酶（nxrAXB）、硝酸盐还原酶（narG）、亚硝酸盐还原酶（nirK、nirS）、氧化亚氮还原酶（nosZ）、联氨合成酶（hzsABC）和联氨氧化酶（hzo）是评估氮素转化和氮素损失情况的重要分子指标。

2.1　硝化作用

氨氧化作用（Ammoniaoxidation）是硝化过程的限速步骤，由氨单加氧酶（amoA）催化NH4+向羟胺（NH₂OH）转化，研究参与氨氧化作用的微生物菌群是解析铵硝转化的首要问题,也是影响堆肥中NH₃排放的主要生化反应，且氨氧化过程中间产羟胺的分解是产生N₂O的其中一条途径。长期以来，催化氨氧化反应的氨单加氧酶（amoA）被普遍认为是变形菌纲的氨氧化细菌（ammonia-oxidizingbacteria，AOB），研究者发现在海洋、土壤等自然环境中广泛分布着另一类具有氨氧化能力的微生物—氨氧化古菌（ammonia-oxidizingarchaea，AOA），AOA的发现，极大的促进了围绕AOA、AOB在不同生态环境中的发挥氨氧化作用的微生物学研究，进一步有研究者发现海洋中氨氧化古菌具有产生N2O的能力。

利用PCR-DGGE技术研究发现，堆肥中同样存在着大量的AOA，堆体温度、全氮、NO₂-和NO₃-等堆肥理化指标对AOA群落演替有着显著的影响。Zeng等报道，在堆肥中增加有机物料降低了AOB基因拷贝数，提高了AOA基因拷贝数。堆肥体系中，AOB也受到高温、氧气含量等条件的影响，特别是在高温阶段的活性受到抑制，AOB可能在堆肥腐熟阶段发挥作用，AOA基因丰度则可能在高温和高浓度NH4+条件下占据优势。这些研究结果表明，

在堆肥过程中，AOA、AOB有可能分别在堆肥的不同阶段发挥着氨氧化作用，实现NH₄⁺向NO₃⁺的转化。在对牛粪好氧堆肥中AOA、AOB的微生物群落多样性研究中发现，AOB的系统发育多样性高于AOA，氧气、硝态氮、pH、水分、C/N等环境因子与AOB的多样性有显著的相关性，但与AOA无关。这一研究显示AOB对牛粪堆肥过程中硝化作用更为重要。针对亚硝酸盐氧化还原酶（nxrAXB），是随着氨氧化作用之后负责催化NO₂-向NO₃-转化的功能酶，在堆肥过程中的研究较少，仅有一些研究结果显示，堆肥中nxrA的基因拷贝数在腐熟阶段呈现上升趋势，且与NO₃-的积累有关，这与在土壤中的研究结果相一致。

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