鹽含量對餐廚垃圾好氧堆肥腐殖化過程及微生物演變的影響

劉 娟，沈玉君，羅文海，丁京濤，孟海波，周海賓,3,，張 曦，程紅勝，王 健，徐鵬翔

鹽含量對餐廚垃圾好氧堆肥腐殖化過程及微生物演變的影響

劉 娟1,2,4，沈玉君1,2,4，羅文海2，丁京濤1,2,4，孟海波1,4，周海賓1,2,3,4※，張 曦1,2,4，程紅勝1,4，王 健1,4，徐鵬翔1,4

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，北京 100125；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；3. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，石河子 832000；4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部資源循環(huán)利用技術(shù)與模式重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125）

含鹽量過高會對堆肥有機(jī)質(zhì)腐殖化過程產(chǎn)生抑制作用，但作用規(guī)律仍不清楚。該研究以餐廚垃圾為研究對象，以不添加鹽分的處理為對照，設(shè)置添加食用鹽的處理作為試驗(yàn)組（添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%和1.5%），進(jìn)行好氧堆肥，研究不同鹽分含量對基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)組成、腐殖質(zhì)（Humus，HS）的影響，并結(jié)合微生物群落結(jié)構(gòu)和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析闡明其作用規(guī)律。結(jié)果表明，4個(gè)處理溫度、碳氮比（C/N）、有機(jī)質(zhì)組成等達(dá)到腐熟要求，但鹽分添加提高了堆體電導(dǎo)率（Electrical Conductivity，EC），添加比例達(dá)到1.5%時(shí)，高溫期縮短至13 d，種子發(fā)芽指數(shù)（seed Germination Index，GI）降低至65.5%，總有機(jī)物降解率降低6.5%，有機(jī)質(zhì)腐殖化過程受到限制。高通量測序和相關(guān)性分析的結(jié)果表明，添加1.5%鹽分主要通過抑制高溫雙岐菌（）、糖單孢菌（）和曲霉（）、毛孢子菌（）的活性，降低總糖、木質(zhì)纖維素等有機(jī)物質(zhì)的降解和后續(xù)HS形成，從而限制餐廚垃圾堆肥過程中腐殖化效果的提升。該研究將為餐廚垃圾等農(nóng)村有機(jī)廢棄物處理技術(shù)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

微生物；好氧堆肥；腐殖化；餐廚垃圾；鹽分

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致生活垃圾產(chǎn)量不斷增加。據(jù)報(bào)道，2021年中國農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)量約為1.76×108t，其中餐廚垃圾的占比達(dá)到20%以上，且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢[1-2]。餐廚垃圾含水率高，有機(jī)物豐富，極易腐敗發(fā)臭變質(zhì)。不當(dāng)處理會產(chǎn)生滲濾液和有害氣體，導(dǎo)致病原微生物等有毒有害物質(zhì)滋生，污染水體環(huán)境，制約農(nóng)村人居環(huán)境改善提升[3]。近年來，中國高度重視農(nóng)村人居環(huán)境整治，出臺了《農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動方案（2021－2025年）》，對農(nóng)村有機(jī)廢棄物就近處理和資源化利用提出了明確要求。同時(shí)，農(nóng)村生活垃圾分類回收和資源化也會促進(jìn)餐廚垃圾等的處理利用需求。由于好氧堆肥技術(shù)具有無害化、資源化效果好等優(yōu)點(diǎn)，已成為餐廚垃圾處理利用的研究熱點(diǎn)[4]。在堆肥過程中，有機(jī)質(zhì)腐殖化是評價(jià)其技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，有必要對餐廚垃圾堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解和腐殖質(zhì)形成進(jìn)行研究。

值得注意的是，中國餐廚垃圾鹽分含量較高，一般為0.8%～1.5%（濕基），致使堆肥技術(shù)應(yīng)用受到一定限制[5]。較高濃度的鹽分會增加滲透壓，降低微生物代謝酶的活性，影響微生物生長[6]。目前關(guān)于鹽分對有機(jī)廢棄物處理過程的影響研究，大部分學(xué)者關(guān)注厭氧發(fā)酵過程，如餐廚垃圾與廢活性污泥共發(fā)酵過程，添加高水平的氯化鈉（NaCl）（16 g/L）抑制了微生物生長，降低了關(guān)鍵酶活性，如CoA轉(zhuǎn)移酶，輔酶F420等，從而減少短鏈脂肪酸的生成和甲烷（CH4）的形成[7]。Wang等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在高鹽濃度下，產(chǎn)甲烷菌比水解細(xì)菌更敏感，導(dǎo)致較低的CH4產(chǎn)量。現(xiàn)階段只有少量研究分析了鹽分對好氧堆肥的影響。任連海等[9]發(fā)現(xiàn)高鹽影響餐廚垃圾堆肥效率，高溫持續(xù)時(shí)間較短，不利于滅菌，微生物代謝酶活性降低，產(chǎn)水較少且水分損失多，導(dǎo)致含水率降低至36.18%，堆體pH值低于5.5，水溶性碳氮比下降緩慢。Wu等[10]在廚余垃圾蚯蚓堆肥中指出，鹽分抑制有機(jī)物的降解和蚯蚓的生命活動，高鹽導(dǎo)致蚯蚓細(xì)胞滲透壓失衡而脫水，不利于銨態(tài)氮（NH4+-N）向硝態(tài)氮（NO3--N）轉(zhuǎn)化，影響堆肥過程。此外，餐廚垃圾鹽分中的鈉離子（Na+）和氯離子（Cl-）對種子胚胎生存力產(chǎn)生毒性，影響種子萌發(fā)。于兆友等[11]研究發(fā)現(xiàn)高鹽脅迫對皂莢種子萌發(fā)有明顯地抑制作用，導(dǎo)致植物體內(nèi)代謝紊亂。然而，鹽分對餐廚垃圾堆肥有機(jī)質(zhì)腐殖化過程的影響研究較少，高鹽脅迫下微生物的變化規(guī)律至今鮮有報(bào)道。

本研究以餐廚垃圾為堆肥主料，研究不同含鹽量對堆肥基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)組成及腐殖質(zhì)（Humus，HS）的影響，結(jié)合微生物群落結(jié)構(gòu)演替和相關(guān)性分析，揭示鹽分對堆肥有機(jī)質(zhì)腐殖化過程的作用規(guī)律，以期為餐廚垃圾鹽分調(diào)控和資源循環(huán)利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

本研究采用的餐廚垃圾取自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院食堂，人工剔除無機(jī)組分，其中蔬菜45.8%、主食18.2%、水果13.6%、肉類9.4%，其他組分13.0%（濕質(zhì)量）。經(jīng)測定，餐廚垃圾的鹽分含量為0.21%。玉米秸稈取自江蘇省連云港市某公司，粉碎至長度1～2 cm。食用鹽購于中國鹽業(yè)股份有限公司，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%?；纠砘再|(zhì)如表1所示。

表1 堆肥原料的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)置4個(gè)處理，餐廚垃圾與玉米秸稈按4∶1（濕重比）混合均勻，調(diào)節(jié)初始含水率至63%左右進(jìn)行好氧堆肥。以不添加鹽分的處理（T1）為對照，添加濕基質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%（T2）、1.0%（T3）、1.5%（T4）的食用鹽作為試驗(yàn)組（見表2）。整個(gè)堆肥過程在60L的密閉式好氧發(fā)酵罐中進(jìn)行（圖1），發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如周海賓等[12]所示。堆肥周期為45 d，通風(fēng)方式采用間歇通風(fēng)，每隔10 min通1 min，通風(fēng)量為1.0 L/(kg·min)。在第0、3、7、14、21、28、35和45 天進(jìn)行翻堆和取樣，固體樣品每次取500 g混合均勻，一部分立即用于含水率的測定。其余樣品分為3份，一份儲存在4 ℃冰箱，用于測定基本腐熟度指標(biāo)，一份自然風(fēng)干，經(jīng)粉碎后進(jìn)行有機(jī)質(zhì)及HS組分的測定，剩余部分冷凍于超低溫冰箱（?80 ℃）用于微生物群落結(jié)構(gòu)分析。其中，基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)和HS組分在測定時(shí)均設(shè)置了3個(gè)重復(fù)。

表2 試驗(yàn)設(shè)置

注：a為基于濕基質(zhì)量。

Note:ais based on wet weight.

1.通風(fēng)控制系統(tǒng) 2.氣泵 3.流量計(jì) 4.溫度傳感器 5.出氣口 6.密封蓋 7.堆肥物料 8.固體采樣口 9.滲濾液排出口 10.篩網(wǎng) 11.保溫層

1.3 樣品測定

溫度采用溫度傳感器（SBWZ-2460，上海虹天，中國）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。新鮮樣品與去離子水按固液比1∶10充分混合后靜置過濾，所得濾液由pH計(jì)（SX-610，上海三信）和電導(dǎo)率儀（DDS-307A，上海精科雷磁，中國）分別測定pH和電導(dǎo)率（Electrical Conductivity，EC）。鹽分含量采用電導(dǎo)法測定[13]。種子發(fā)芽指數(shù)（seed Germination Index，GI）的測定方法是取上述濾液5 mL于盛有10粒小白菜種子的培養(yǎng)皿中，置于25±1 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，測定根長和種子發(fā)芽率。采用烘干法（105 ℃，8 h）測定含水率?？偺迹═otal Carbon，TC）、總氮（Total Nitrogen，TN）含量使用元素分析儀（PE2400，PerkinElmer，美國）測定。

采用灼燒法（550 ℃，4 h）測定揮發(fā)性固體（Volatile Solid，VS）。溶解性有機(jī)物（Dissolve Organic Matter，DOM）用總有機(jī)碳分析儀（TOC-L SSM-5000A，島津，日本）測定。蛋白質(zhì)和脂肪分別采用GB 5009.5-2016和GB 5009.6-2016測定。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的測定采用Van Soest法[14]?？偺遣捎?,5-二硝基水楊酸比色法測定。HS組分的測定參考蔣志偉[15]的方法。DOM提取液在465和665 nm處的吸光度比值E4/E6和DOM提取液在254 nm處的吸光度乘以100與溶液TOC值之比SUVA254采用佟影影[16]的方法測定。三維熒光光譜采用熒光分光光度計(jì)（F-7000，Hitachi，日本）進(jìn)行測定，具體設(shè)置如下：E：250～600 nm，掃描間隔2 nm，E：200～400 nm，掃描間隔10 nm，掃描速率：1 200 nm/min。

利用高通量測序測定微生物群落組成。采用土壤基因組（DNA）提取試劑盒（FastDNA? Spin Kit for Soil, MP Biomedicals, Solon, USA）對獲得的沉淀物進(jìn)行DNA提取。提取的DNA濃度和質(zhì)量通過NanoDrop2000和1%瓊脂糖凝膠電泳確定。利用引物338F（5?- ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3?）和806R（5?- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3?）通過聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA的V3～V4高可變區(qū)。選擇引物ITS1F（5?-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3?）和ITS2R（5?-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3?）通過PCR擴(kuò)增真菌ITS的ITS1區(qū)，并在Illumina MiSeq PE300平臺（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）完成測序。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，利用SPSS 22.0中的單因素方差（ANOVA）分析進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)。利用Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析，確定堆肥過程中優(yōu)勢菌群（細(xì)菌、真菌）與基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)、HS組分之間的相關(guān)性，其余圖像均使用OriginPro 2021繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本腐熟度指標(biāo)

4個(gè)處理堆體溫度均表現(xiàn)出相同的趨勢，經(jīng)歷了升溫、高溫、降溫和腐熟4個(gè)階段（圖2a）。堆肥初期有機(jī)物的生物降解導(dǎo)致各處理溫度在前7 d內(nèi)進(jìn)入高溫階段（>55 ℃）。隨著易降解有機(jī)物的消耗，溫度逐漸下降。翻堆后堆體溫度升高，可能是由于翻堆改善了堆體孔隙結(jié)構(gòu)，并對堆體各層物料進(jìn)行混合后，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)降解[3]。堆肥42 d后趨于環(huán)境溫度，說明充分腐熟。與其他處理相比，T4處理堆肥高溫期最短（13 d），這可能是由于添加1.5%的鹽分抑制了微生物的生長繁殖，不利于有機(jī)物的快速降解[17]。

由圖2b可以看出，堆肥初期pH值較低，主要是由于餐廚垃圾貯存過程快速水解，產(chǎn)生乙酸、丁酸等有機(jī)酸[18]。所有處理的pH值在21 d內(nèi)顯著上升，之后穩(wěn)定在8左右直至堆肥結(jié)束。pH值上升的主要原因是含氮有機(jī)物礦化產(chǎn)生大量NH4+-N[19]。另外，觀察到前3 d內(nèi)T1處理pH值出現(xiàn)小幅下降，而其他3個(gè)處理pH值持續(xù)升高，說明鹽分可能會影響堆肥初期有機(jī)物的降解，從而減少有機(jī)酸的產(chǎn)生。

堆肥過程中各處理的含水率基本呈現(xiàn)波動下降趨勢（圖2c），這是由于一方面高溫、曝氣使堆體水分損失，而另一方面有機(jī)質(zhì)降解也不斷產(chǎn)生水分[20]。堆肥結(jié)束，T4處理的含水率下降幅度較大，明顯高于T1～T3處理（<0.01），說明鹽分添加量達(dá)1.5%時(shí)可以加快含水率的下降，原因可能是高鹽導(dǎo)致微生物代謝活動受阻嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)降解緩慢，產(chǎn)水較少[9]。

各處理的EC值均呈現(xiàn)上升的趨勢（圖2d），主要是由于有機(jī)物分解產(chǎn)生NH4+-N等鹽離子，且水分蒸發(fā)和氣體釋放致使堆體總重量減少，形成“濃縮效應(yīng)”。Li等[21]在餐廚垃圾和花園廢物堆肥中也發(fā)現(xiàn)了類似的變化。一般認(rèn)為，EC>4 mS/cm的堆肥產(chǎn)品會對植物生長產(chǎn)生不利影響[22]。經(jīng)過45 d的堆肥后，T2～T4處理最終的EC值分別為6.7、8.6和8.5 mS/cm，遠(yuǎn)高于EC的閾值，不利于堆肥腐熟，可能是因?yàn)辂}分的添加引入了大量的Na+和Cl-，造成無機(jī)鹽離子累積。

碳氮比（C/N）被看作是評價(jià)堆肥腐熟的重要指標(biāo)。整個(gè)堆肥過程所有處理的C/N呈下降趨勢（圖2e），可歸因于堆肥過程有機(jī)物的礦化速率高于氨氣（NH3）的排放速率[23]。一般認(rèn)為，C/N < 20時(shí)堆肥達(dá)到腐熟，但這并不適用于初始C/N較低的餐廚垃圾堆肥。因此，進(jìn)一步測定了GI值來衡量堆肥腐熟。各處理的GI值整體呈現(xiàn)增加趨勢（圖2f），可能是由于有機(jī)酸、NH4+-N、酚類等有毒物質(zhì)的釋放和HS的形成[24]。堆肥結(jié)束，T4處理的GI值最低，僅為65.5%，總有機(jī)物降解率降低6.5%，未達(dá)《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）的腐熟標(biāo)準(zhǔn)（GI≥70%），說明添加1.5%鹽分會抑制種子發(fā)芽，不利于堆肥腐熟。

圖2 餐廚垃圾與玉米秸稈聯(lián)合堆肥過程中基本腐熟度指標(biāo)的變化

2.2 有機(jī)質(zhì)組成變化

隨著堆肥過程中微生物的自身利用與礦化損失，4個(gè)處理VS含量逐漸下降（圖3a）。堆肥結(jié)束，T1處理VS降解率達(dá)到19.9%，而T2、T3和T4處理VS降解率為16.5%、16.1%和13.3%，說明鹽分的加入會抑制有機(jī)物降解，特別是鹽分添加量達(dá)1.5%時(shí)抑制作用最強(qiáng)。這一現(xiàn)象與溫度變化一致（圖2a），可能是由于高鹽導(dǎo)致微生物活性受阻，減緩新陳代謝過程，從而限制有機(jī)質(zhì)降解[25]。

整個(gè)堆肥過程，4個(gè)處理DOM含量逐漸下降（圖3b）。其原因是DOM一部分被微生物生長代謝所消耗，一部分被合成穩(wěn)定的HS。高溫階段（第14 天），T1、T2、T3和T4處理DOM下降明顯，分別從48.2 mg/g左右下降至28.1、36.9、40.5和31.7 mg/g，說明DOM被微生物快速降解利用。

圖3c為堆肥過程中木質(zhì)纖維素組分的變化，可以觀察到纖維素、半纖維素和木質(zhì)素表現(xiàn)出不同的變化趨勢?？傮w來說，半纖維素降解率>纖維素降解率>木質(zhì)素降解率，這是由于微生物會首先利用結(jié)構(gòu)簡單的半纖維素和纖維素，隨后利用具有高度復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的難降解木質(zhì)素[26]。堆肥結(jié)束，T3和T4處理的木質(zhì)纖維素分別從原來的41.6%、39.9%增加到44.1%、44.2%，可能是因?yàn)橐捉到庥袡C(jī)物先被微生物利用轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致木質(zhì)纖維素的相對含量有所上升。對比分析發(fā)現(xiàn)，T1與T2處理的木質(zhì)纖維素含量從42.3%、40.0%降低到27.6%、38.4%，且T2處理降解率僅為4.1%，低于T1處理（34.6%）。這些結(jié)果說明添加鹽分會抑制木質(zhì)纖維降解菌的代謝和增殖，降低木質(zhì)纖維素的分解。

如圖3d所示，所有處理的蛋白質(zhì)含量均升高，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分解的同時(shí)其他有機(jī)物也在分解，產(chǎn)生濃縮效應(yīng)。堆肥前期，T2～T4處理的蛋白質(zhì)含量有所下降，可能是由于初期有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3進(jìn)一步揮發(fā)[27]。堆肥結(jié)束，T1～T4處理的蛋白質(zhì)含量分別為24.7%、19.3%、23.5%和17.0%，T4處理的蛋白質(zhì)含量顯著低于其他處理（<0.01），說明高鹽條件（1.5%）不利于蛋白質(zhì)降解。

堆肥過程中4個(gè)處理的脂肪和總糖含量均呈現(xiàn)下降趨勢（圖3e，圖3f）?？偺呛椭灸軌虮晃⑸锝到庾鳛槟芰縼碓椿?yàn)镠S形成提供前體物質(zhì)[28]。堆肥前期，易降解的有機(jī)物較多，微生物代謝旺盛，脂肪和總糖含量迅速下降。堆肥后期，主要降解木質(zhì)纖維素等難降解的物質(zhì)，可溶性有機(jī)物和干物質(zhì)減少，微生物活性降低，造成脂肪和總糖降解緩慢。整個(gè)堆肥過程，T4處理的脂肪和總糖降解率分別為31.3%和36.5%，顯著低于T1處理（<0.05），說明鹽分添加比例達(dá)1.5%時(shí)，微生物的耐受能力較弱，生長代謝受抑制，從而減少脂肪和總糖降解。

注：揮發(fā)性固體、木質(zhì)纖維素、蛋白質(zhì)及脂肪以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

2.3 腐殖化過程

堆肥過程中各處理的HS、胡敏酸（Humic Acid，HA）和富里酸（Fulvic acid，F(xiàn)A）含量變化如圖4所示。堆肥初期（0～3 d），所有處理的HS含量呈現(xiàn)下降的趨勢（圖4a），這一結(jié)果與玉米秸稈堆肥中HS的變化趨勢一致，反映了HS的不穩(wěn)定化合物減少[29]。堆肥的14～45 d，HS含量逐漸增加，可能是由于有機(jī)物降解產(chǎn)生的酚類、醌類、羧酸、氨基酸等前體物質(zhì)不斷合成HS[30]。堆肥結(jié)束，T2～T4處理的HS含量顯著低于T1（<0.05），說明了鹽分的加入不利于HS的合成。這可能是由于鹽分的加入抑制了有機(jī)物的降解（圖3a），減少了HS前體物質(zhì)的產(chǎn)生。HA作為HS的主要成分，其變化趨勢與HS一致，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢（圖4b）。因此，有研究指出HS的增加也有可能是HA的產(chǎn)生引起的[31]。T1～T4處理最終HA含量分別為83.7、67.3、59.5和54.6 mg/g，相比于第0天，HA含量分別增加了142.2%、117.4%、76.4%和97.3%，表明添加鹽分抑制HA的產(chǎn)生。這可能是由于鹽分的加入抑制了FA向HA的轉(zhuǎn)化以及微生物對HA的合成。與HA和HS的變化不同，F(xiàn)A含量在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)下降的趨勢（圖4c）。堆肥過程微生物可以利用FA為碳源，形成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的HA[32]。與堆肥初期相比，T1處理最終FA質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了28.2 mg/g，略高于T2（25.3 mg/g）、T3（17.6 mg/g）和T4處理（20.3 mg/g），表明鹽分的加入抑制FA的轉(zhuǎn)化，從而降低了HA的含量。

注：E4/E6為 DOM提取液在465 nm 和 665 nm 的吸光度比值。

所有處理的HA/FA在0～14 d緩慢上升，然后在35～45 d顯著增加（圖4d），反映了堆肥過程中腐殖化程度增強(qiáng)且主要發(fā)生在堆肥后期。堆肥結(jié)束，T1～T4處理的HA/FA分別為6.5、4.2、3.3和3.2，均超過1.9，表明最終產(chǎn)品的腐熟[33]。堆肥結(jié)束，4個(gè)處理的腐殖化程度順序?yàn)門1>T2>T3>T4，說明鹽分的加入抑制了腐殖化過程，鹽分添加量達(dá)到1.5%（濕質(zhì)量）時(shí)，抑制作用最強(qiáng)。

為了進(jìn)一步了解腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，采用紫外光譜和三維熒光光譜對其進(jìn)行表征。由圖4e可以看出，所有處理的E4/E6在堆肥前3 d有所降低，可能是由于芳香族化合物初步縮聚或有機(jī)物礦化[34]，隨后呈現(xiàn)上升趨勢，與崔東宇等[35]在牛糞堆肥中的研究結(jié)果一致。堆肥前后T4處理的E4/E6增加了20.7%，低于T1處理（22.5%），說明鹽分添加量達(dá)1.5%會減弱生物化學(xué)過程，抑制大分子腐殖酸的形成以及芳香族化合物的聚合。隨著堆肥的進(jìn)行，4個(gè)處理的SUVA254都有所增加（圖4f）。這可能是由于氨基酸與木質(zhì)素類降解物不斷縮合，非腐殖質(zhì)向HS轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)堆肥腐殖化[34]。堆肥結(jié)束，T4處理的SUVA254為1.2，低于T1～T3處理（1.3～1.8），說明添加1.5%鹽分導(dǎo)致芳香碳含量較低，極性官能團(tuán)的芳香環(huán)較少，腐殖化程度受抑制。

圖5a顯示了堆肥過程中DOM 的三維熒光光譜圖。根據(jù)Chen等[36]的研究結(jié)果，三維熒光圖可分為Ⅰ（類酪氨酸）、Ⅱ（類色氨酸）、Ⅲ（FA類）、Ⅳ（可溶性微生物代謝產(chǎn)物）、Ⅴ（HA類）5個(gè)區(qū)域。隨著堆肥的進(jìn)行，熒光峰強(qiáng)度逐漸向V區(qū)移動，說明產(chǎn)生了穩(wěn)定的HA類物質(zhì)。為避免視覺干擾，采用熒光區(qū)域積分對各區(qū)域熒光強(qiáng)度占比進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)（圖5b）。隨著堆肥的進(jìn)行，所有處理的P、P及P值均呈下降趨勢，反映了堆肥過程可以促進(jìn)蛋白質(zhì)類物質(zhì)和可溶性微生物代謝產(chǎn)物分解，從而形成穩(wěn)定的HS[37]。值得注意的是，T1～T4處理HS類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度占比（P+P）分別從原來的82.1%、83.8%、82.6%、83.5%增加到96.3%、95.3%、95.7%、94.6%，增加幅度T1>T3>T2>T4，進(jìn)一步說明高鹽條件（1.5%）會抑制蛋白質(zhì)類物質(zhì)的分解，影響前體物質(zhì)向HS轉(zhuǎn)化，從而減少HS的產(chǎn)生，降低腐殖化程度。

注：0、3、14、35、45為堆肥時(shí)間，d。Em為發(fā)射波長Emission wavelength 的縮寫。Ex為激發(fā)波長Excitation wavelength的縮寫。Ⅰ ～ Ⅴ分別為類酪氨酸、類色氨酸、類富里酸、可溶性微生物代謝產(chǎn)物和類胡敏酸物質(zhì)。Pi,n為i區(qū)體積積分占整個(gè)區(qū)域積分（n）的百分比。

2.4 微生物群落演替

2.4.1 微生物群落多樣性

如圖6所示，所有處理細(xì)菌群落的Chao1和Shannon指數(shù)在堆肥前后有不同程度的下降，而Simpson指數(shù)增加，表明細(xì)菌群落的豐富度和多樣性降低。該結(jié)果與Zhang等[38]在豬糞堆肥中的研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)槎逊食跗谝捉到馕镔|(zhì)足以維持大量微生物的生長，但是隨著大量有機(jī)物和水分的消耗，微生物之間的競爭加劇，導(dǎo)致豐富度和多樣性降低。其中，各處理的Chao1指數(shù)在堆肥后期（即腐熟階段）有所升高，可能是因?yàn)槲⑸镞m應(yīng)了環(huán)境條件的改變。堆肥結(jié)束，相比于其他3個(gè)處理，T4處理的物種豐富度和多樣性較低，說明高鹽添加量（1.5%）降低了細(xì)菌豐富度和多樣性?；诟魈幚淼腛TU水平進(jìn)行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），可以進(jìn)一步解釋細(xì)菌群落的變化。由圖6d可知，PC1和PC2分別解釋了25.7%和14.3%的細(xì)菌群落差異。沿PC1軸有3個(gè)聚集體，從右向左腐熟程度越來越高。PCA分析結(jié)果顯示，T1與T2～T4處理在第35天和45天距離較遠(yuǎn)，說明細(xì)菌群落差異較大，鹽分的添加顯著改變了細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)，尤其是在降溫和腐熟期更為明顯。

圖6 堆肥過程中細(xì)菌多樣性的變化

與細(xì)菌群落相比，真菌多樣性相對較低（圖7）。所有處理真菌群落的Chao1和Shannon指數(shù)在堆肥第3天和第14天出現(xiàn)了下降的趨勢，而Simpson指數(shù)則相反，表明真菌群落多樣性在堆肥升溫和高溫階段受到限制。經(jīng)過45 d的堆肥后，T4處理的Chao1、Shannon指數(shù)較低，而Simpson指數(shù)較高，表明其真菌多樣性較差?；谡婢郝銸TU水平進(jìn)行PCA分析，兩個(gè)軸共解釋了52.2%的真菌群落差異（圖7d）。其中，T4處理在第35天和第45天與其他處理距離較遠(yuǎn)，差異較大，證實(shí)了鹽添加量達(dá)到1.5%時(shí)，影響降溫和腐熟時(shí)期的真菌群落。

圖7 堆肥過程中真菌多樣性的變化

2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)

堆肥過程中不同處理在屬水平上的細(xì)菌群落變化如圖8所示。整個(gè)堆肥過程，主要優(yōu)勢屬包括芽孢桿菌屬（）、乳酸桿菌屬（）、糖單孢菌屬（）、海洋桿菌屬（）及其他屬水平上的微生物。

圖8 堆肥過程中細(xì)菌群落在屬水平（前30）上的相對豐度

堆肥初期，各處理的優(yōu)勢屬為厚壁菌門（）中的，可以降解淀粉、蛋白質(zhì)、油脂和纖維素等有機(jī)物，產(chǎn)生有機(jī)酸[39]，導(dǎo)致堆肥初期pH值較低（圖2b）。相比于T1～T3處理，T4處理的相對豐度較高，說明了其具有耐鹽性。隨著堆肥的進(jìn)行，的豐度逐漸降低，可能是因?yàn)闇囟鹊慕档秃脱鯕獾脑黾右种屏似浠钚浴?/p>

堆肥升溫期，隸屬于的和解脲芽孢桿菌屬（）占據(jù)優(yōu)勢。值得注意的是，T4處理的相對豐度僅為0.6%，明顯低于T1～T3處理（7.8%～13.0%），說明高鹽抑制了升溫階段的活性。堆肥高溫階段，的相對豐度較高，能抵御高溫環(huán)境，參與有機(jī)生物降解[40]。此外，放線菌門（）中的高溫雙岐菌屬（）在高溫期也有所增加，證明了其嗜熱性。能夠分泌木質(zhì)纖維素降解酶，加快難降解有機(jī)物分解[41]。堆肥結(jié)束，4個(gè)處理的相對豐度分別為3.4%、2.6%、2.5%和0.5%，說明隨著鹽分增加，的代謝活動會受到抑制，從而減少木質(zhì)纖維素的降解（圖3c）。相比之下，一些中溫菌屬，如魏斯氏菌屬（）、明串珠菌屬（）、鏈霉菌屬（）、擬諾卡菌屬（）、賴氨酸芽孢桿菌（）對溫度變化的適應(yīng)性差導(dǎo)致相對豐度較低。

堆肥后期，除之外，的相對豐度也較高，能夠產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素和木質(zhì)素分解酶，將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為HS[42-43]。與T1 ～ T3處理相比，具有較低豐度的T4處理木質(zhì)纖維素的降解速度慢，抑制了HS形成（圖3c&圖4a）。隨著堆肥的進(jìn)行，的相對豐度越來越高，說明該物種能適應(yīng)堆肥環(huán)境的改變。

圖9為堆肥過程中真菌群落在屬水平上的相對豐度，可以觀察到所有處理的優(yōu)勢屬為念珠菌（）、嗜熱真菌（）、曲霉（）和。

堆肥初期，所有處理子囊菌門（）中的豐度較高，可以有效降解內(nèi)分泌干擾物、烷基苯、壬基酚和多環(huán)芳烴[44]，但是隨著堆肥的進(jìn)行其相對豐度逐漸下降，這與王秀紅等[45]在雞糞堆肥中的結(jié)果類似，說明堆肥過程能去除一部分病原菌，減輕對人體和動物的危害。高溫階段（第14天），所有處理的豐度增加。據(jù)報(bào)道，能夠產(chǎn)生耐熱纖維素酶，在木聚糖（半纖維素成分）降解過程中發(fā)揮重要作用[46]。在堆肥腐熟階段（第45天）豐度較高，可以產(chǎn)生胞外酶，負(fù)責(zé)纖維素和木質(zhì)素的降解[47]。相較于T1處理（50.9%），T2～T4處理的豐度（1.3%～42.3%）較低，尤其是T4處理，說明鹽分含量的增加會抑制的生長代謝。隸屬于擔(dān)子菌門（）中的毛孢子菌屬（）具有廣泛的底物利用能力，可以將木質(zhì)纖維素和外源物質(zhì)轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)[47]。值得注意的是，在T4處理的相對豐度較低，說明了鹽添加量為1.5%時(shí)，較敏感，活性較低，不利于木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化。此外，伊薩酵母屬（）、枝頂孢霉屬（）、金孢子菌屬（）、絲殼屬（）等微生物分布在堆肥的各個(gè)時(shí)期，對有機(jī)物分解和腐殖化過程發(fā)揮著重要作用[48]。

圖9 堆肥過程中真菌群落在屬水平（前30）上的相對豐度

2.4.3 微生物群落與基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)、HS組分之間的相關(guān)性

冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）可進(jìn)一步確定堆肥過程中微生物群落與基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)、HS組分之間的相關(guān)性。如圖10所示，RDA的兩個(gè)軸共解釋了79.4%的細(xì)菌群落變化。其中，溫度、總糖、HS、pH、EC與細(xì)菌群落顯著相關(guān)（<0.01）。總糖解釋了56.4%的細(xì)菌群落變化，占比最大。、地芽孢桿菌屬（）、桿菌屬（）等細(xì)菌與總糖負(fù)相關(guān)，與HS正相關(guān)，說明在缺乏多酚的情況下，這些微生物可以通過降解總糖產(chǎn)生還原糖，并與氨基酸合成HS。Rastogi等[49]指出在城市固體廢棄物堆肥中接種能夠避免酸化，獲得更高HA含量的優(yōu)質(zhì)堆肥。溫度解釋了14.7%的細(xì)菌群落變化，嗜熱新芽孢桿菌屬（）、、等細(xì)菌與溫度存在正相關(guān)，說明這些菌屬能夠抵御高溫，在堆肥過程發(fā)揮著重要作用[50]。片球菌屬（）和與pH值存在負(fù)相關(guān)，說明了和可在酸性條件下生存，即在堆肥初期活性較高（圖8）。Tran等[51]在餐廚垃圾堆肥中也發(fā)現(xiàn)，這兩種微生物可以加速堆肥過程，產(chǎn)生乳酸，促進(jìn)土著微生物的生長繁殖。研究表明，細(xì)菌活性會受理化性質(zhì)的影響，進(jìn)而影響HS前驅(qū)物的產(chǎn)生和HS形成[32]。在本研究中，、與EC存在負(fù)相關(guān)，且與總糖、木質(zhì)纖維素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與HS、GI呈正相關(guān)關(guān)系，再次說明了鹽含量越高，和的豐度越低，抑制了總糖、木質(zhì)纖維素的降解，減少了HS前驅(qū)物的產(chǎn)生，不利于HS形成，降低堆肥腐殖化效果。

優(yōu)勢真菌屬與基本腐熟度指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)和HS組分之間的相關(guān)性分析表明（圖11），RDA1和RDA2分別解釋了38.5%和31.0%的真菌群落變化。其中，GI解釋了34.3%的真菌群落差異（<0.01），根毛霉屬（）、嗜熱鏈球菌屬（）、、等微生物與GI存在正相關(guān)。

注：數(shù)字1～30分別代表Ornithinibacillus、Paenibacillus、Brevibacillus、Ureibacillus、Bacillaceae、Bacillus、Geobacillus、Planifilum、Saccharomonospora、Limnochordaceae、Bacilli、Thermobifida、unclassified Bacillaceae、Oceanobacillus、Novibacillus、Bacillales、Gracilibacillus、Fodinicurvataceae、Truepera、Georgenia、JG30-KF-CM45、Glycomyces、Nocardiopsis、Leuconostoc、Pediococcus、Lactobacillus、Weissella、Streptomyces、Lysinibacillus和Saccharopolyspora。

注：數(shù)字1 ～ 30分別代表Candida、Issatchenkia、Papiliotrema、Hannaella、Fusarium、Sarocladium、Cladosporium、Pichia、Gibberella、Dipodascaceae、Hypocreales、Chrysosporium、Acremonium、Talaromyces、Trichoderma、Penicillium、Stachylidium、Acrostalagmus、Wallemia、Pleosporales、Chaetomium、Kernia、Aspergillus、Trichosporon、unclassifiedFungi、Sodiomyces、Melanocarpus、Mycothermus、Rhizomucor和Thermomyces。

由此可以推斷，在堆肥過程中接種這些微生物可提高GI值，獲得較高的腐熟度。溫度解釋了25.9%的真菌群落差異（< 0.01）。唐聰[52]也指出溫度顯著影響真菌群落組成。、與溫度存在正相關(guān)，說明了這兩種微生物能夠在高溫環(huán)境下存活，與其豐度相對應(yīng)（圖9）。木霉屬（）與溫度存在負(fù)相關(guān)，反映了在堆肥高溫階段其活性可能會受到抑制，這與Jiang等[53]在污水污泥堆肥中的研究結(jié)果一致。木質(zhì)纖維素解釋了7.0%的真菌群落差異（<0.01），節(jié)擔(dān)菌屬（）、筍頂孢霉屬（）、指輪枝孢屬（）等微生物與木質(zhì)纖維素存在負(fù)相關(guān)，與HS存在正相關(guān)，說明了這些微生物能夠參與木質(zhì)纖維素的降解，以各種形式聚合形成HS。值得注意的是，本研究中的、與EC、總糖、木質(zhì)纖維素均呈負(fù)相關(guān)，與GI呈正相關(guān)，同樣證實(shí)了高鹽環(huán)境會抑制和的生長繁殖，減少總糖、木質(zhì)纖維素等有機(jī)物腐殖化過程，影響HS產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

1）餐廚垃圾與玉米秸稈聯(lián)合堆肥過程，添加鹽分由0.5%增加至1.5%時(shí)，高溫期縮短至13 d，增加堆體電導(dǎo)率值，從而抑制種子發(fā)芽，種子發(fā)芽指數(shù)值降低至65.5%，不利于堆肥腐熟。

2）鹽分增加會抑制蛋白質(zhì)、總糖、木質(zhì)纖維素和脂肪降解，限制有機(jī)質(zhì)腐殖化過程，不利于腐殖質(zhì)、胡敏酸的合成。光譜學(xué)分析表明，鹽分含量增加會降低腐殖質(zhì)的芳香化結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。

3）高鹽含量（添加1.5%）降低細(xì)菌屬、和真菌屬、的相對豐度，抑制總糖、木質(zhì)纖維素等有機(jī)物腐殖化過程，影響后續(xù)腐殖質(zhì)形成。

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Effects of salt content on the humification and microbial community succession of food waste aerobic composting

Liu Juan1,2,4, Shen Yujun1,2,4, Luo Wenhai2, Ding Jingtao1,2,4, Meng Haibo1,4, Zhou Haibin1,2,3,4※, Zhang Xi1,2,4, Cheng Hongsheng1,4, Wang Jian1,4, Xu Pengxiang1,4

(1100125,; 2,100193,; 3.,,832000,;4.,,100125

Food waste is ever increasing in rural areas in recent years, particularly with the rapid economic development and population growth. If disposed of improperly, severe pollution can pose a great threat to the rural living environment. Fortunately, aerobic composting has been widely applied for food waste treatment, due to the high harmlessness and resource utilization rate. It is worth noting that food waste with high salinity can limit the application of aerobic composting. Among them, humification is one of the most important processes in the application of compost. However, only a few studies focused on the effect of salt content on aerobic compost humification. It is still lacking in the influencing mechanisms from the perspective of microbial community structure evolution. Taking food waste as the main raw material, and the maize stover as an auxiliary material, this study aims to explore the influences of salt content on the basic maturity index, organic matter composition, and dynamic change of humus substances during the composting process. The succession of microbial community was combined with the correlation statistical analysis, in order to reveal the microbial action about the effect of salt content on the mature process of food waste aerobic composting. Specifically, the food waste and maize stover were mixed well at the ratio of 4:1, where the initial moisture content was adjusted to about 63%. A composting experiment was carried out in the 60 L composting reactors for 45 days. A total of four experimental treatments were set with the addition of 0%, 0.5%, 1.0%, and 1.5% salt. Among them, the treatment without salt was the control group. The results showed that the temperature, C/N, and organic matter composition of four treatments fully met the requirements of maturity during aerobic composting. However, the salt addition greatly increased the electrical conductivity of the reactor. Particularly, the thermophilic period was shortened to 13 days at the proportion of salt addition of 1.5%. But, the seed growth was inhibited with the seed germination index reducing to 65.5%. Compared with the control treatment without salt, the degradation rate of organic matter was reduced by 6.5%, indicating the restricted humification process. The high throughput sequencing showed that the addition of 1.5% salt inhibited the activities of Thermobifida, Saccharomonospora, Aspergillus, and Trichosporon. In addition, a correlation analysis showed that the high salinity reduced the biodegradation of organic matter, such as total sugar and lignocellulose, thereby limiting the subsequent formation of humus substances. Thus, restricted improvement was found in the humification effect during food waste and maize stover composting. These findings can provide theoretical support for salt regulation in the application of aerobic composting in food wastes.

microorganism; aerobic composting; humification; food waste; salt

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.021

S141.4

A

1002-6819(2022)-19-0190-12

劉娟，沈玉君，羅文海，等. 鹽含量對餐廚垃圾好氧堆肥腐殖化過程及微生物演變的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(19)：190-201.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.021 http://www.tcsae.org

Liu Juan, Shen Yujun, Luo Wenhai, et al. Effects of salt content on the humification and microbial community succession of food waste aerobic composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 190-201. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.021 http://www.tcsae.org

2021-10-01

2022-05-13

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（BAIC08-2022-FQ03）；北京市科技新星計(jì)劃項(xiàng)目（Z191100001119063）

劉娟，研究方向?yàn)閺U棄物處理與資源化。Email：2528506831@qq.com。

周海賓，高級工程師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物資源化利用。Email：nxzhb66@163.com