外接堆肥微生物在餐廚廢棄物好氧堆肥中的應用

丁曉艷 王越 王寧， 李婉婷， 丁國春 李季

（1. 中國農業大學有機循環研究院（蘇州），蘇州 215000；2. 中國農業大學資源與環境學院，北京 100089）

隨著全球經濟的快速增長、世界人口激增和人民生活水平的不斷提高，食物浪費現象愈發嚴重［1-2］。據統計，世界上產生的餐廚廢棄物約為194 kg/人/年［3］，2020年我國餐廚廢棄物的產生量也突破12 000萬t。如果處理不當，餐廚廢棄物會迅速發酵變質，導致病原體滋生、惡臭和滲濾液的產生以及病毒的傳播，從而造成嚴重的環境污染和潛在的健康危害。

目前，餐廚廢棄物的處理主要有粉碎直排、填埋、焚燒、飼料化和好氧發酵等方式。餐廚廢棄物含水量高、富含有機物［4-5］，極易腐敗發酵，粉碎直排過程中含油物料易造成管道堵塞，也會加劇污水處理設施的負擔。直接填埋雖然操作簡單，處理成本低廉，但會造成二次污染，且有機物厭氧發酵造成甲烷排放或累計，具有一定風險［6］。另外，垃圾填埋場選址困難、占用大量的土地資源， 不利于有機廢棄物的可持續治理。我國餐廚廢棄物含水率較高，直接焚燒處理能源消耗高，還可能因技術條件限制等原因產生二噁英等有害物質造成二次污染［7］。利用廚余廢棄物制作飼料也存在病原菌、生物有害物質超標等風險。隨著生態文明工作的推進，多個城市實施了垃圾分類，產生了包含餐廚廢棄物在內的大量有機廢棄物。如何將這些有機廢棄物高效處理和資源化利用成為目前亟需解決的重要問題。

好氧堆肥是有機廢棄物資源化利用的重要手段之一，通過強化微生物活動促進有機物的降解和礦化，形成腐殖質。有機廢棄物中的不同組分在好氧發酵的不同階段被降解。例如，在升溫階段，主要是一些易降解的有機物如糖、碳水化合物等在嗜溫型細菌和真菌的作用下分解［8-9］；在高溫階段，則通過嗜熱型細菌和放線菌等的活動，降解脂肪、纖維素、半纖維素和木質素等難降解的有機物，影響腐殖質的形成［10-11］；在降溫期，堆體中殘余有機物繼續被嗜溫微生物利用轉化形成類腐殖質物質，促進腐殖化進程［12-13］。餐廚廢棄物富含可溶性糖、淀粉、脂類、蛋白質、纖維素等易于生物降解的化合物［14］，通過好氧堆肥技術可實現其資源化利用。通過好氧發酵技術，可將廢棄物中的大分子有機物分解礦化出N、P、K等，形成腐殖質［15］，但同時存在一些限制性因素，如高含水量導致餐廚廢棄物極易酸化，影響好氧堆肥的快速啟動，高油脂和高鹽分抑制微生物活性，影響堆肥效率。因此，探索餐廚廢棄物的資源化轉化技術具有重要意義。以餐廚廢棄物為原料制備的有機肥具有改善土壤物理性質的功能， 特別是

對于因長期施用化肥造成板結的土壤［16］，餐廚廢棄物好氧堆肥，一方面能夠降低垃圾焚燒和填埋量，節約土壤和能源；另一方面，也可以實現資源的循環利用，提高資源使用效率。因此，如何利用好氧發酵實現餐廚廢棄物的處理與循環利用是目前研究的一大熱點。

微生物是堆肥過程的主體，通過在堆體內部自我調整并進行群落演替來影響堆肥進程，在堆肥過程中起著至關重要的作用。本文主要闡述了餐廚廢棄物好氧發酵過程中微生物菌群的演替規律，不同微生物菌劑的菌種類型及功能和其對好氧發酵的作用及潛在影響機制，以期能夠為相關微生物強化技術的研發提供參考。

1 餐廚廢棄物好氧堆肥過程中的主要微生物群落及演替

好氧堆肥是一個由微生物驅動的生化反應過程。前期由于技術的限制，對堆肥過程的微生物類群結構僅有初步的認識。早期 Ishii 等［17］采用變性梯度凝膠電泳（DGGE）技術測定餐廚廢棄物堆肥過程中的微生物演替發現，在初始階段主要以分解易降解有機物質的發酵細菌為主，如乳酸菌等；在高溫期出現了嗜熱芽孢桿菌，降溫期后的菌群比之前的菌群更加復雜。但由于當時生物技術手段的局限性，無法更準確、全面地顯示菌群的演替。

近年來，高通量測序技術的應用逐步揭示了堆肥過程中微生物群落組成與演替規律［18］。趙彬涵等［19］對應用高通量測序技術揭示不同物料堆肥過程中，細菌和真菌的群落組成和演替的研究總結, 發現不同堆肥階段微生物組成存在差異，且堆體中微生物的組成也受原料影響。類似的發現也存在餐廚廢棄物堆肥中。目前通過高通量測序手段研究發現，在以餐廚廢棄物為主要原料的堆肥過程中，厚壁菌門（Firmicutes）和變形菌門（Proteobacteria）為優勢菌門，隨著堆肥進程的推進，擬桿菌門（Bacteroidetes）和放線菌門（Actinobacteria）逐步成為優勢菌門［18，20］。本課題組的研究結果也顯示，餐廚廢棄物堆肥過程厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門和放線菌門為主要微生物類群，豐度會隨著堆肥過程演替，同時會在堆肥腐熟期出現新的優勢菌門如疣微菌門（Verrucomicrobia）和綠彎菌門（Chloroflexi）等［21-22］。與牛糞堆肥相比，餐廚廢棄物堆肥中還含有相對較多的厚壁菌門和放線菌門，優勢菌屬也存在較大差異［23］。在污泥堆肥中添加餐廚廢棄物，微生物群落組成中厚壁菌門的比例隨餐廚廢棄物比例的升高而升高［20］。這也與此前關于厚壁菌門主要存在于餐廚廢棄物堆肥中的研究報到相符，主要原因是屬于厚壁菌門的乳酸菌抑制其他細菌的生長，降低總體微生物多樣性［24］。而乳酸菌是餐廚廢棄物好氧堆肥初期出現的重要微生物種類之一，其可促進餐廚廢棄物好氧堆肥初期有機酸的降解，減緩有機酸積累造成的物料酸化問題。

不同類型的細菌群落在有機廢棄物好氧堆肥過程中起著重要的分解和轉化作用。如厚壁菌門與多種代謝活動密切相關，也是木質纖維素降解的重要參與者［25］，其在堆肥升溫及高溫階段對于堆肥中物質的降解和轉化起著重要作用。擬桿菌門也能有效地降解大分子物質如纖維素和木質素［26］。變形菌門則有助于降低堆肥產品的生物毒性，提升堆肥品質。在屬水平上，芽孢桿菌是餐廚廢棄物堆肥過程中的主要優勢物種之一［27-28］。芽孢桿菌在發酵過程中能夠分泌大量的蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等，可促進大分子有機物的分解轉化［29］。這也進一步說明了厚壁菌門在餐廚廢棄物堆肥過程中占主要優勢的原因。

餐廚廢棄物成分復雜，其可提升堆肥中微生物的多樣性，促進發酵。如閻中等［6］研究發現，在以成分更復雜的餐飲垃圾為底物的好氧發酵中，微生物的多樣性顯著高于廚余垃圾，且發酵效果也優于廚余垃圾。席北斗等［30］的研究中發現，通過添加鋸末、樹葉、秸稈和干馬糞等有機質可提高餐廚廢棄物底物的多樣性，有利于提高微生物群落的豐富度，提高發酵效果。原因可能是堆物底物越復雜，營養就越均衡，好氧微生物所需要的酶系統就越多，從而提高好氧堆肥技術處理餐廚廢棄物的效果［31］。

理解微生物群落組成和結構是調控餐廚廢棄物好氧堆肥過程的基礎。外界條件的改變，如菌劑添加或者物料組成的改變以及環境和反應條件變化等，會使微生物組成和多樣性出現較大波動，進而影響餐廚廢棄物處理和資源化利用過程［6］。因此，深入了解餐廚廢棄物好氧堆肥各階段微生物群落的組成、作用及演替規律，有助于提升外接堆肥微生物與土著微生物的協同作用，改善微生物的作用效果，進而促進餐廚廢棄物好氧堆肥進程，提升餐廚廢棄物的資源化利用效率。

2 外接堆肥微生物菌劑在餐廚廢棄物好氧堆肥中的應用

針對餐廚廢棄物的特殊性，篩選相關功能的堆肥微生物并接種于餐廚廢棄物的處理過程中，是實現餐廚廢棄物的減量化、無害化和資源化的重要手段之一。

2.1 外接堆肥微生物的類型和功能

外接堆肥微生物菌種的來源主要分為兩大類，一是將好氧堆肥的堆體作為菌種源，直接或通過進一步強化后篩選的土著微生物；二是將環境樣品如土壤、水體等作為菌種源，通過一定手段干預篩選適用于對應條件下的微生物［32-33］。我國餐廚廢棄物包含的有機物質主要為淀粉、蛋白、纖維素和油脂等，易酸化、鹽分含量高，應用于餐廚廢棄物的外接堆肥微生物類群主要特質為耐酸耐鹽且可高效降解淀粉、蛋白、纖維素和油脂4種有機大分子物質。目前常用于餐廚廢棄物好氧堆肥添加的微生物類群為芽抱桿菌屬（Bacillus）、短芽孢桿菌屬（Brevibacillus）、乳酸桿菌屬（Lactobacillus）、檸檬酸桿菌屬（Citrobacter）、鏈霉菌屬（Streptomyces）、曲霉屬（Aspergillus）、木霉屬（Trichoderma）和指狀青霉（Penicillium digitatum）等。外接堆肥微生物菌劑可以由單一菌群構成，如萬文娟等［34］用地衣芽孢桿菌制備的油脂降解功能菌劑，Tran等［35］用乳酸片球菌TM14制備的可促進堆肥初期有機酸降解的菌劑等；也可以由數種不同的微生物菌群組成的復合菌劑，如李華芝等［36］用篩選獲得的4株在高溫條件下能產生淀粉酶、脂肪酶、蛋白質酶及纖維素酶的不同高效菌株制備的多功能高溫菌劑等。大量的研究表明，單一微生物菌群促進堆肥進程的作用多不如多種微生物復合菌群。Awasthi等［37］首次比較了單一和多功能菌群對餐廚廢棄物堆肥的影響，結果表明，具有降解4種大分子有機物功能的多功能復合菌群通過增加有機物降解速率，使堆肥腐熟時間比只具有油脂降解功能的單一功能菌群提前20 d，且在含油量降低指標上多功能微生物復合菌群的效果僅比特定單一功能菌群的效果低5%左右。現階段的外接堆肥微生物菌劑研究也優選于多功能復合菌群。但不同微生物菌種各有其功能和特點，需更加清晰地認知菌種的相關特性和協同作用機制，以便根據不同的應用場景和堆肥產品的用途等，選擇更加適配的微生物接種劑。

2.2 外接堆肥微生物在餐廚廢棄物好氧堆肥中的作用

2.2.1 改善餐廚廢棄物好氧堆肥初期酸化，促進堆肥快速啟動 餐廚廢棄物的易降解特性使其極易在堆肥初期積累大量有機酸，降低堆肥初期的pH，抑制微生物活性，導致堆肥啟動慢、升溫延遲，甚至發酵崩潰等問題［38-40］。研究表明接種相關外接堆肥菌劑可有效解決此問題［28，41］，可通過加速餐廚廢棄物堆肥初期有機酸的轉化，改善初期堆肥的pH，為堆肥中的微生物提供適宜的活動環境，調控堆肥的優勢微生物菌群的演替，進而促進堆肥的快速啟動升溫，加速堆肥進程。如Nakasaki等［42］通過在餐廚廢棄物好氧堆肥初期接種畢赤酵母，快速降解堆肥初期物料中的有機酸，使堆肥pH值在2 d內超過中性水平，有效解決了餐廚廢棄物堆肥初期酸化抑制堆肥啟動的問題。在以餐廚廢棄物為原料的堆肥早期階段均能檢測到乳酸菌的存在，其中乳酸菌片球菌可通過產生乳酸阻止乙酸的生成，從而激活本地堆肥微生物過程，加速堆肥過程。因此有學者研究了外接乳酸菌在堆肥初期解決其酸化問題的作用。如Tran等［35］將乳酸菌片球菌TM14接種于餐廚廢棄物堆肥中，其可刺激具有降解有機酸能力的真菌的生長，降解堆肥初期的有機酸，改變pH值和環境條件，使其他微生物得以發揮重要作用；同時發現將在餐廚廢棄物堆肥初期中占主導地位的乳酸菌片球菌TM14與異發性乳酸菌TA15按一定比例接種于堆肥中，可以有效地促進堆肥過程中有機物的降解［43］。Song等［44］將耐酸菌劑接種于餐廚廢棄物堆肥，顯著提高乙酸和丙酸降解菌群的相對豐度和微生物多樣性，使堆肥初期酸問題得到有效解決；該研究學者團隊同期也開發了一種協同降解有機酸的微生物菌群（MCDOA），其能消除由于過度酸化引起的堆肥初期溫度上升滯后，有效縮短堆肥周期［45］。丁杰等［46］通過接種抗酸化復合菌于以餐廚廢棄物和稻殼為堆肥原料的堆肥中，能有效緩解堆肥初期酸化的抑制作用，使堆肥快速進入高溫期且持續時間更長。以上研究通過添加相關微生物菌劑促進了餐廚廢棄物好氧堆肥在初期酸化環境下的快速啟動，改善了堆肥升溫滯后問題，也初步說明了相關微生物的作用機制，但仍需進一步深入研究微生物的協同作用機理。

2.2.2 促進餐廚廢棄物好氧堆肥進程，提升堆肥品質 餐廚廢棄物含油量高，抑制了微生物在其好氧發酵過程中的活動，延長堆肥周期，抑制堆肥腐熟。研究發現通過添加油脂降解相關功能的菌劑可明顯改善這一問題。詹亞斌等［47］通過添加自篩并復配的高效油脂降解菌劑，使餐廚廢棄物堆肥過程中的油脂降解率提升12%，且更快達到腐熟標準。俞培斌等［48］將枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等比例制作成復合菌劑用于餐廚廢棄物堆肥，發現該復合菌劑不僅能明顯縮短堆肥周期（約40%），而且將餐廚廢棄物降解率提高了31%。萬文娟等［34］將篩選的一株具有油脂降解功能的地衣芽孢桿菌制備成菌劑，添加到以餐廚廢棄物為原料的好氧堆肥中，能夠有效提高降解效率、縮短處理時間。耐熱脂解放線菌（Thermoactinomyces vulgaris A31）接種降低了堆肥的粗脂肪含量，并縮短了堆肥的成熟時間［49］。Awasthi等［50］篩選一株高效高溫油脂降解菌，其在含有餐廚廢棄物處理中的減油率最高可達65.12%。

我國餐廚廢棄物含鹽量一般為2%-5%（質量分數），且隨著地域飲食習慣的不同而有顯著差異［51］。雖然餐廚廢棄物的高有機質含量使其適合好氧堆肥處理，但其高鹽分含量的特性抑制了堆肥進 程［52-53］。含鹽量高于1.5%時，堆肥微生物活性明顯受到抑制，影響堆肥效率［54］。在餐廚廢棄物好氧堆肥過程中接種的微生物菌劑多以通過高耐受鹽濃度的條件篩選功能微生物并進行復配，可以減緩甚至抵消高鹽對微生物活動的抑制作用，進而促進堆肥進程。石娟等［32］通過將耐鹽能力作為篩選條件獲得一株耐鹽嗜熱菌Aneurinibacillus thermoaerophilus H7，具有耐鹽性和降解高濃度油脂的功能，可用于高鹽高油脂含量的餐廚廢棄物堆肥中。陳彥廷［55］通過耐鹽濃度篩選獲得了耐鹽菌株，并復配了耐鹽的復合多功能菌劑，可促進餐廚廢棄物好氧堆肥的快速啟動和腐熟。陳遠哲等［56］篩選獲得一株耐鹽菌Staphylococcus equorum，其產生的蛋白酶能在較高鹽濃度環境中有效地降解蛋清蛋白。余培斌等［48］通過鹽度的耐受性篩選獲得3株具有淀粉、纖維素、蛋白質及油脂強降解力的菌株，并復配菌劑應用于餐廚廢棄物好氧堆肥中，可縮短堆肥周期，提高降解率。

堆肥中的高溫期是難降解有機物（如纖維素、木質素等）降解的重要階段。在餐廚廢棄物堆肥過程接種耐熱復合菌系可延長高溫期，促進有機質的降解，提高堆肥效率。通過在全程高溫堆肥工藝中接種高有機質降解效率的耐熱復合菌系，可實現堆肥中難降解物質如木質纖維素的更快降解，縮短餐廚廢棄物堆肥進程［57-58］。李華芝等［36］從廚余垃圾處理系統中分離篩選4株高溫高效菌種，并制成高溫菌劑，24 h內對廚余垃圾中粗脂肪和粗纖維有明顯的降解效果，降解效率分別為30.7%和11.3%，粗蛋白含量增加了9.5%。李龍濤等［59］將包含枯草芽孢桿菌、酵母菌和木霉菌的菌劑B1添加到餐廚廢棄物水稻秸稈混合堆肥中，使堆體嗜溫菌代謝活性增高，高溫期更持久，60℃以上高溫期較CK延長了4 d，物料分解較為徹底。還有學者利用纖維素降解微生物來加強纖維素的降解，如鄒德勛［60］在餐廚廢棄物堆肥過程中加入纖維素降解菌短芽孢桿菌FA2，木質素降解率增加了5.09%，促進了堆肥腐熟；諸葛誠祥［61］從菌糠中篩選、馴化構建的高效纖維素降解菌劑HJ，可促進堆肥發酵，縮短腐熟時間并提高堆化質量；Manu等［62］將含有乳酸菌、酵母菌和光合細菌的復合菌劑接種于餐廚廢棄物堆肥中，提高了木質纖維素降解率，并且有機肥中的腐殖質和黃腐酸含量得到了提高。段紹君等［63］通過接種引進日本東北大學選育的復合菌種將餐廚廢棄物發酵分解成有機肥料，結果表明復合菌種處理餐廚廢棄物減量率85%以上，且升溫快速，高溫維持時間較長，腐熟時間較短，腐熟徹底。

以上研究均表明，外接功能菌劑以及復合菌劑均能在一定程度上促進以餐廚廢棄物為原料的好氧堆肥進程，但對其作用機理仍需進一步深入研究。餐廚廢棄物堆肥過程受到不同因素的影響，依賴不同功能和類型微生物的協同作用。進一步了解不同微生物類群在餐廚廢棄物堆肥過程發揮的作用，解析這一復雜過程中不同微生物的協同作用機制，將更加有利于提高堆肥效率，更好地提升堆肥品質。同時也可為微生物菌劑的開發和應用提供支持。

2.2.3 降低餐廚廢棄物好氧堆肥的負面環境效應 餐廚廢棄物的易腐敗特性，致使在處理過程中易產生惡臭氣體，有研究發現餐廚廢棄物堆肥過程中產生最重要的含氮污染物是氨氣，這與餐廚廢棄物堆肥過程中碳氮比（C/N）較低有關。傳統的堆肥處理造成養分損失，外接堆肥微生物菌劑可顯著提升堆肥效率，促進有機質的降解和轉化，減少養分損失，降低臭氣和溫室氣體排放。有研究發現在食物垃圾與膨體材料混合中接種嗜熱和脂肪分解微生物，可增強餐廚廢棄物的降解，提升堆肥中氮的含量，減少養分損失［58］；在餐廚廢棄物水稻秸稈混合堆肥中接種枯草芽孢桿菌、酵母菌、木霉菌復合菌劑，促進了有機物的降解，在堆肥完成時的 C/N 更低，堆肥產品的氮、磷含量更高，減少了養分的損失［59］。通過添加紅酵母、葡萄牙棒孢酵母、米曲霉與菌株31418的組合菌于餐廚廢棄物中，對其進行發酵，不僅可以降低發酵過程中產生的氣味，同時顯著提升了肥料對植物的促生作用。Zhao等［64］通過篩選12株具有高降解性的不同物種優勢菌株（8種細菌、1種放線菌和3種真菌）開發復合微生物制劑YH，可顯著抑制堆肥過程中NH3和H2S的排放。鄒德勛［60］研究發現在餐廚廢棄物中添加菌糠，NH3的釋放量僅占餐廚廢棄物+秸稈處理釋放量的36.49%，堆肥過程的臭味也明顯減少，說明菌糠具有一定的抑臭保氮作用。外接堆肥微生物的添加可減少堆肥過程中的養分損失，促進其轉化，且可改善堆肥過程中臭氣和溫室氣體的產生，改善堆肥環境，降低負面環境效應。

3 總結與展望

好氧堆肥是實現餐廚廢棄物資源化的重要途徑之一。而微生物在好氧堆肥過程中起著至關重要的作用，深入了解餐廚廢棄物堆肥過程中微生物的動態變化及作用機理等，對開發新型外接堆肥微生物菌劑產品，提高微生物在堆肥中的作用具有重要意義。外接堆肥微生物可以起到促進餐廚廢棄物好氧堆肥快速啟動，加快腐熟，提高堆肥品質，減少臭氣和溫室氣體排放，提高堆肥產品附加值等多方面作用，具有良好的應用和市場前景。

我國垃圾分類正在全面推進實施，大規模以餐廚廢棄物為原料的好氧堆肥處于剛起步階段。餐廚廢棄物的特殊性，如高含水性，多結合輔助加熱使其在短時間內快速降低含水量，以方便運輸。但過高的輔助加熱使其含水迅速降低、含鹽量增加等，通常不利于微生物在其處理過程中的定殖和活動，無法對餐廚廢棄物中的有機質等進行有效降解，后續進行集中好氧發酵時還需進行各種調節來滿足發酵條件，耗費人力物力。此外，部分外接堆肥微生物存在效果不明顯、適用范圍小等問題，一方面是餐廚廢棄物處理的特殊性使外接微生物在其中定殖困難，另一方面還存在與土著微生物的競爭，解決這些問題需要從多方面進行調整優化。首先，要優化設備的處理工藝，使其能夠給微生物提供更適合的環境，如溫度、pH、通氧量等，使微生物在初步處理餐廚廢棄物的過程中起到最大的作用。其次，在后續的好氧發酵過程使其發酵條件滿足微生物活動所需。另外，需要提升微生物的適應性，篩選更有活力、適應性更廣的土著微生物，分階段多次添加微生物，保持各階段優勢微生物的活性和數量，將外接微生物與起爆劑（紅糖、蜜糖等）或者其他物質混合，給微生物提供更適宜的初始環境，維持微生物的活性，抵御初始不良環境的影響，快速啟動發酵過程。還需結合現代生物技術，對不同環境條件下的餐廚廢棄物好氧發酵過程中微生物的群落組成、演替、功能和作用機制進行深入解析，為微生物菌劑的研發和科學應用提供支撐。