微生物在有机固废堆肥中的作用与应用（四） 抗生素的使用量大幅增加

3.3.4 减少臭味气体和温室气体排放

传统好氧堆肥过程中会产生大量的微生物恶臭气体(含氮化合物、含硫化合物以及其他挥发性有机物)和温室气体(CO₂、机固CH₄、废堆肥中N₂O)，用应用加重大气污染和温室效应。微生物研究证实，机固在堆肥中添加微生物可以减少恶臭气体和温室气体的废堆肥中排放研究了在堆肥中添加排硫硫杆菌(Thiobacillus thioparus) 1904 和硫磺对含氮和含硫气体排放的影响，结果表明，用应用较单独添加排硫硫杆菌 1904 或硫磺，微生物二者共同添加可以更有效地减少堆肥NH₃、机固N₂O 的废堆肥中累积排放量；而单独添加排硫硫杆菌 1904 在减少 H₂S、甲基硫化物、用应用甲硫醇、微生物二甲基二硫的机固累计排放量以及增加堆肥产品中有效硫含量方面的效果更加显著，排硫硫杆菌有助于硫的废堆肥中氧化，促进有机硫和元素硫向硫酸盐转化，有效提高堆肥中有效硫的比例]。卢彬等在牛粪与稻壳混合堆肥中接种 0.3%的自制复合微生物菌剂，研究菌剂对温室气体排放的影响，结果表明，接种微生物菌剂可减少温室气体的放，与空白对照组相比，接种组 CH₄ 和 N₂O 排放量分别减少 33%和 45%。堆肥中臭味气体和温室气体的产生是不同类型微生物代谢活动的结果，通过组学方法研究添加微生物对堆肥土著微生物群落组成和结构的影响，找出堆肥中对这些气体的产生起到主要作用的微生物类群，能够更有针对性地实现减少臭气和温室气体排放的目的。

3.3.5 去除抗生素和抗生素抗性基因

随着畜禽养殖业的迅猛发展，抗生素的使用量大幅增加，但畜禽对抗生素难以完全吸收和代谢，大量抗生素及其代谢产物随粪便或尿液排出。排出的抗生素如果不加处理，不但污染了环境，还会导致环境中抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes，ARGs)的产生和富集，增加病原微生物耐药菌株产生的风险。畜禽粪便中的抗生素残留严重制约了其资源化利用，已经成为亟待解决的问题。

好氧堆肥可以在一定程度上去除抗生素，但好氧堆肥过程中抗生素的降解效果受到堆体温度、微生物活性、抗生素种类和初始浓度、通风方式等因素的影响，使得好氧堆肥并不能完全去除抗生素，堆肥产品中依然存在抗生素残留。一些从特定环境中分离的微生物能够降解抗生素，可以通过添加来提高堆肥过程中抗生素的降解速率。研究发现，在堆肥的起始阶段和腐熟阶段分两次接种由伯克霍尔德(Burkholderia)、苍白杆菌(Ochrobactrum)和念珠菌(Candida)组成的复合菌剂，对于强力霉素的去除率增加了约 7.13%， 而且能够降低四环素抗性基因传播的风险。肖礼等研究了在猪粪堆肥中添加白腐真菌以及白腐真菌、氨化和硝化菌剂的混合菌剂对猪粪中四环素类抗生素的降解影响，实验结果表明，添加菌剂可以加速堆肥过程中四环素的降解。目前，对于好氧堆肥过程中抗生素降解的机理以及这个过程中微生物群落的变化尚未完全清楚，仍需深入研究。此外，通过添加微生物提高好氧堆肥过程中抗生素的降解效率具有良好的发展潜力，应继续研究微生物降解抗生素的机理，筛选培育高效抗生素降解菌株，探索适宜抗生素降解菌株发挥功能的堆肥参数，为相关应用奠定基础。

除了去除抗生素，好氧堆肥也能够在一定程度上去除堆体中的 ARGs，但同样存在无法完全消除的问题，使得堆肥产品中依然存在 ARGs。ARGs 主要以水平基因转移(Horizontal Gene Transfer，HGT)方式传播，它们可以整合到质粒、整合子和转座子等可移动基因元件(Mobile Gene Elements，MGEs)中，进而在菌株之间传播，增加耐药菌产生的风险。如何高效消除堆肥中的 ARGs 成为大家关注的重点。许多研究揭示在堆肥中添加微生物可以降低 ARGs 的丰度。Hu 等研究发现，在堆肥中添加纤维素降解菌能够抑制堆肥中潜在的病原菌，从而减少 ARGs 潜在宿主的数量，降低可移动遗传元件(MGEs)的相对丰度，从而抑制了水平基因转移的发生，这两方面因素共同导致堆肥中 ARGs 相对丰度的降低。研究不同接种量的枯草芽孢杆菌(B. subtilis)对堆肥中 ARGs 和 MGEs 丰度的影响，结果表明，接种 0.5%的枯草芽孢杆菌不会影响 ARGs 的绝对丰度，但可以显著降低 ARGs的相对丰度以及堆肥产品中病原菌的数量。总体来说，添加微生物去除堆肥中 ARGs 的研究还处在初期阶段，关于添加微生物去除 ARGs 的机制仍待深入研究。

3.3.6 钝化或去除重金属

由于部分重金属具有促进畜禽生长和提高免疫力等作用，因此畜禽养殖饲料中添加了过量的 Cu、Zn、As 等重金属，而大部分重金属不能被机体吸收而随粪便排出，使得畜禽粪便中普遍存在重金属超标的现象。此外，市政污泥、生活垃圾等材料也含有一定量的重金属。这些原料如果未被妥善处理就施入土壤，必然造成土壤重金属污染，危害植物生长以及人类健康。

目前，对于重金属污染的治理主要有两个思路，即钝化重金属和去除重金属。研究表明，好氧堆肥可以实现重金属的钝化，降低重金属的生物活性和毒性。堆肥钝化重金属的原理主要是堆肥过程中发生腐殖化作用形成胡敏酸等复杂的大分子腐殖类物质，可以与堆体中的重金属发生络合，降低重金属的生物有效性。此外，堆体中部分微生物类群也可以对重金属进行吸附和转化，降低重金属的毒性。尽管如此，堆肥结束后堆体内依然存在较高含量的生物有效态重金属，严重制约了有机肥的推广和应用。在堆肥过程中添加钝化剂可以提高重金属钝化效率，降低重金属的生物有效性，从而降低环境污染风险。目前，常用的钝化剂包括物理钝化剂、化学钝化剂和生物钝化剂等。其中，物理钝化剂存在与堆肥产品难分离、钝化效率不高等问题，仍需进一步研发高效钝化剂。化学钝化剂对重金属钝化效果较好，但易对环境造成二次污染。与上述两类材料相比，生物钝化剂具有易获得、投资少、无二次污染、产物大多稳定无害等优势，因此拥有巨大的发展潜力。白腐菌等真菌是研究较多的应用于堆肥的生物钝化剂。研究发现，在堆肥中添加黄孢原毛平革菌(P. chrysosporium)可以提升对 Zn、Pb、Cu、Ni 的钝化效果，效果的提升可能与黄孢原毛平革菌促进腐殖质形成有关的研究则表明，添加黄孢原毛平革菌可以提高Cu、Pb、Cd 的钝化效果，但对 Zn 的钝化效果不明显。也有研究将生物钝化剂与其他钝化材料复合使用，提高重金属的钝化效率。李冉等研究发现，猪粪堆肥中添加 24%花生壳生物炭和 1%由乳酸菌群、酵母菌群、芽孢杆菌群、光合细菌群及放线菌群等组成的复合菌剂对 Pb 表现出相对较强的钝化能力，钝化效率为 74.60%；添加 24%木屑炭和 1.5%菌剂对Cd 表现出相对较强的钝化作用，钝化效率为 58.13%。Wei 等分离堆肥中的胡敏素和重金抗性细菌，通过摇瓶吸附实验评价两者对重金属的去除能力，实验结果表明，胡敏素与重金属抗性细菌结合使用可以更有效地去除重金属并提高细菌群落的多样性和生物量，使用从堆肥腐熟期分离的胡敏素后这种协同效果更为明显；结构方程模型表明，微生物生物量和胡敏素腐殖化程度是影响重金属生物吸附的关键因素，该结果证明将堆肥腐熟期来源的胡敏素与重金属抗性细菌结合使用可以促进重金属的去除，为减少堆肥中重金属污染提供了一种环保型的可能手段。目前对于生物钝化剂的研究依然不足，生物钝化剂对堆肥中重金属的钝化效果已在相关研究中得到验证，但其钝化重金属的机理尚无深入的研究，进一步探索生
物钝化剂发挥作用的机理，可以为生物钝化剂的应用提供理论基础。此外，还应加强对于生物钝化剂与其他钝化材料复合使用的研究，研发新型高效复合钝化剂，提高堆肥重金属钝化效率。

重金属的钝化可以降低堆体中重金属的毒性，减少堆肥产品的环境污染风险，但并不能移除堆肥产品中的重金属，在特定条件下，非活性态重金属可能再次转变成生物活性态重金属，威胁人类健康。提出一种利用微生物和吸附材料去除堆肥中重金属的方法，即先在堆肥中添加功能微生物来吸附其中的重金属，随后将携带重金属的微生物通过吸附材料吸附，从而去除重金属。随后的实验结果证实，在堆肥中添加具有良好吸附能力的微生物类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.) WP-1 和开目芽孢杆菌(B. gaemokensis) EB-28，以海绵或棉花作为吸附材料，可以有效去除堆肥中的 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd，但对 Ni 没有去除效果。该研究为消除堆肥中的重金属提供了新的思路，下一步应继续挖掘能够在堆肥中存活并高效吸附重金属的微生物，评价不同添加微生物与吸附材料搭配对重金属的去除效率，为此方法的实际应用奠定基础。

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