余震,周順桂,2*

(1.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510650;2.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/福建省土壤環(huán)境健康與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350002)

有機(jī)固體廢物既是環(huán)境中的主要污染源,也是巨大的生物質(zhì)資源庫(kù)。高溫堆肥(又稱好氧發(fā)酵)是實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物無(wú)害化處理與資源化利用的重要生物技術(shù)手段,其實(shí)質(zhì)是利用自然界廣泛存在的或經(jīng)過(guò)人工改造的微生物(包括細(xì)菌、真菌、放線菌等),在一定控制條件下使可被生物降解的有機(jī)質(zhì)向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化并生產(chǎn)出可供土地利用的有機(jī)肥或調(diào)理劑的過(guò)程[1-2]。當(dāng)前,涉及高溫堆肥技術(shù)的研究很多,堆肥工藝和配套裝備發(fā)展較為完善,能被應(yīng)用于城市污泥、畜禽糞便、生活垃圾、餐廚垃圾、農(nóng)林廢物及食品和制藥等工業(yè)廢渣的工程處理[2-6]。然而,普通高溫堆肥工藝固有缺點(diǎn),如占地面積大、發(fā)酵周期長(zhǎng)、堆肥過(guò)程二次污染嚴(yán)重、低品位堆肥產(chǎn)品出路受限等始終難以克服,這也極大限制該工藝進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用[7-9]。

近幾年,超高溫堆肥(又稱超高溫好氧發(fā)酵)作為一種新穎的好氧發(fā)酵技術(shù),被成功應(yīng)用于城市污泥等有機(jī)廢物處理與資源化利用工程實(shí)踐中[8]。該工藝基于富含極端嗜熱微生物的超高溫好氧發(fā)酵菌劑,使堆肥溫度在不依賴于外加熱源前提下快速提高至80 ℃以上(最高溫度可達(dá)到100 ℃),這也是傳統(tǒng)高溫堆肥所不能達(dá)到的溫度[8-10]。相比于普通高溫堆肥,超高溫堆肥在促進(jìn)有機(jī)物降解、加速堆肥腐熟進(jìn)程、高效殺滅病蟲(chóng)卵等有害物質(zhì)以及在堆肥過(guò)程二次污染控制等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[9]。為此,本文主要基于超高溫堆肥相關(guān)研究成果,對(duì)該技術(shù)發(fā)展歷程和核心技術(shù)特征進(jìn)行梳理,重點(diǎn)對(duì)超高溫堆肥快速腐殖化機(jī)制以及溫室氣體減排、抗生素抗性基因消減、微塑料降解、重金屬鈍化等堆肥共性污染控制機(jī)制進(jìn)行綜述,以期為該工藝大規(guī)模應(yīng)用于有機(jī)廢物處理與資源化利用工程實(shí)踐提供理論支撐。

1 超高溫堆肥發(fā)展歷程及其核心技術(shù)特征

超高溫堆肥是在傳統(tǒng)高溫堆肥工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的好氧發(fā)酵技術(shù),其基礎(chǔ)理論的研究工作才剛剛起步。2008年,Oshima等[11]率先發(fā)現(xiàn)在奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖廢棄物堆肥過(guò)程中堆體最高溫度可超過(guò)90 ℃;同年,Kanazawa等[12]提出利用超高溫好氧堆肥菌(hyperthermophilic aerobic composting bacteria)發(fā)展太空循環(huán)農(nóng)業(yè)的構(gòu)想。2016年,Tashiro等[10]發(fā)現(xiàn)超高溫堆肥條件(80～90 ℃)會(huì)導(dǎo)致城市污泥堆肥產(chǎn)物中形成獨(dú)特的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),但是該研究并沒(méi)有提及超高溫堆肥的技術(shù)原理和工藝特征,也未對(duì)超高溫堆肥過(guò)程中獨(dú)特嗜熱微生物群落結(jié)構(gòu)的形成原因及其關(guān)鍵功能進(jìn)行深入分析。

2017年,我們正式提出“超高溫堆肥(或稱超高溫好氧發(fā)酵)”的概念[8],即在不依賴外部加熱條件下,通過(guò)接種含有極端嗜熱微生物的堆肥菌劑使堆體溫度上升至80 ℃以上并持續(xù)5～7 d的好氧發(fā)酵過(guò)程;并對(duì)超高溫堆肥的技術(shù)原理、工藝特點(diǎn)及典型工程案例進(jìn)行詳細(xì)介紹,率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)啟超高溫堆肥理論與應(yīng)用研究新方向[8]。通過(guò)與工程規(guī)模的普通高溫堆肥過(guò)程進(jìn)行對(duì)比研究,明確超高溫堆肥在加速有機(jī)物降解、促進(jìn)堆肥快速腐熟、縮短發(fā)酵周期、有效殺滅病蟲(chóng)卵和雜草籽等方面具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,提出將超高溫堆肥過(guò)程中堆體溫度≥80 ℃的階段定義為超高溫期(hyperthermophilic phase),以區(qū)別于傳統(tǒng)堆肥過(guò)程的高溫期(thermophilic phase,50～70 ℃)[9]。圖1呈現(xiàn)的是以城市污泥為主要原料的典型超高溫堆肥工藝,反映整個(gè)超高溫堆肥過(guò)程的溫度變化和微生物群落演替規(guī)律。

傳統(tǒng)堆肥理論認(rèn)為:為了維持堆肥過(guò)程微生物活性,堆體最高溫度不應(yīng)超過(guò)70 ℃,否則就應(yīng)當(dāng)通過(guò)翻堆或鼓風(fēng)曝氣實(shí)現(xiàn)降溫[13-14]。然而,大量研究表明通過(guò)輔助加熱或者接種微生物菌劑提高堆肥溫度可以克服傳統(tǒng)好氧發(fā)酵的固有缺點(diǎn)。例如,Xiao等[7]提出了一種利用外源加熱方式維持堆肥全過(guò)程高溫(50 ℃)的工藝,可顯著加速有機(jī)物降解和促進(jìn)堆肥腐熟;Zeng等[15]在農(nóng)業(yè)固體廢物堆肥不同階段接種白腐真菌,均能有效促進(jìn)堆體升溫,從而加速堆肥腐殖化進(jìn)程。超高溫堆肥工程實(shí)踐證明,極端嗜熱菌(65～80 ℃)在堆肥溫度超過(guò)80 ℃時(shí)仍具有較高活性,并通過(guò)群落演替“接棒”堆肥體系中的普通嗜熱菌從而完成堆肥化進(jìn)程[9,16]。正是由于極端嗜熱菌的有效參與,超高溫堆肥工藝才能以高于普通堆肥20～30 ℃穩(wěn)定運(yùn)行,并展現(xiàn)出明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn),堆體溫度能夠達(dá)到80 ℃以上是超高溫堆肥的核心技術(shù)特征,也正是由于存在如此顯著的溫度變化,其腐殖化和二次污染控制過(guò)程才呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)高溫堆肥的復(fù)雜性。

2 超高溫堆肥促進(jìn)有機(jī)廢物快速腐殖化機(jī)制

2.1 超高溫堆肥的獨(dú)特微生物群落組成

堆肥過(guò)程中微生物分解有機(jī)物釋放熱量促進(jìn)堆體溫度上升,溫度變化則又促使微生物群落組成發(fā)生劇烈演替[4]。在傳統(tǒng)堆肥高溫階段,占優(yōu)勢(shì)地位的微生物大多屬于厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)等,而在屬水平上,以Bacillus、Actinomyces等中等嗜熱細(xì)菌(45～55 ℃)為主[17-18]。與之相比,超高溫堆肥過(guò)程中微生物群落組成演替更為劇烈,特別在超高溫階段,微生物群落組成趨于單一,α-多樣性顯著降低[9-10]。Tashiro等[10]采用16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)調(diào)查城市污泥超高溫堆肥樣品中細(xì)菌群落組成,發(fā)現(xiàn)Firmicutes(74%)和Actinobacteria(25%)為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群,實(shí)際上普通高溫堆肥中的嗜熱微生物菌群也大多歸屬于這兩個(gè)門。薛兆駿等[19]針對(duì)超高溫堆肥嗜熱菌劑的微生物群落組成進(jìn)行測(cè)序分析,也發(fā)現(xiàn)Firmicutes和Actinobacteria豐度極高,分別為70%和28%;而兩者在超高溫堆肥產(chǎn)物中的豐度分別為44%和56%。在屬水平上,超高溫堆肥中占優(yōu)勢(shì)地位的細(xì)菌主要有Saccharomonospora(28%)、Oceanobacillus(13%)、Thermobifida(13%)、Actinomadura(12%)、Bacillus(11%)和Geobacillus(6%)等。然而,這些優(yōu)勢(shì)細(xì)菌大部分并不屬于極端嗜熱菌,這可能也是上述研究中超高溫階段持續(xù)時(shí)間較短的原因。

基于高通量測(cè)序技術(shù),本課題組詳細(xì)研究了城市污泥超高溫堆肥不同發(fā)酵階段微生物群落組成演替規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在超高溫階段占優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌除了Firmicutes(38%～47%)外,Thermi(36%～53%)細(xì)菌豐度最高,其中的棲熱菌屬(Thermus)為屬水平上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群[9]。目前,已報(bào)道的Thermus細(xì)菌最適生長(zhǎng)溫度超過(guò)70 ℃,并且能夠大量產(chǎn)生具有極高熱穩(wěn)定性的水解酶和過(guò)氧化氫酶,催化堆肥中多種有機(jī)物降解[20-21]。進(jìn)一步對(duì)超高溫堆肥過(guò)程中豐度占優(yōu)勢(shì)的微生物群落與堆肥理化性質(zhì)進(jìn)行典型相關(guān)分析(CCA),發(fā)現(xiàn)超高溫階段的溫度與Thermus等細(xì)菌豐度呈顯著正相關(guān),這就證實(shí)Thermus等極端嗜熱菌是導(dǎo)致堆體產(chǎn)生超高溫和促使堆肥快速腐熟的關(guān)鍵功能微生物[9]。此外,本課題組還利用富集培養(yǎng)技術(shù)從各種極端嗜熱環(huán)境中分離出大量(極端)嗜熱菌,包括Calditerricola、Anoxybacillus、Planifilum、Geobacillus、Compostibacillus和Bacillus等,并通過(guò)菌株復(fù)配、產(chǎn)酶能力測(cè)試、發(fā)酵條件優(yōu)化等系列程序開(kāi)發(fā)出多種超高溫堆肥復(fù)合微生物菌劑[8]。盡管如此,對(duì)于超高溫堆肥復(fù)雜體系下多種(極端)嗜熱菌如何高效促進(jìn)堆體升溫和加速堆肥腐殖化的協(xié)同機(jī)制仍不清楚,因此,需要利用各種不依賴于培養(yǎng)的基因組學(xué)、酶學(xué)等先進(jìn)生物學(xué)技術(shù)開(kāi)展深入研究。

2.2 超高溫好氧發(fā)酵促進(jìn)堆肥快速腐殖化機(jī)制

腐殖化是指堆肥原料中各種有機(jī)物被降解轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過(guò)程,大體可分為2個(gè)階段:1)堆肥體系中易降解有機(jī)質(zhì)被微生物分解產(chǎn)生各種腐殖質(zhì)前體,如氨基酸、還原糖、多酚、多糖以及其他小分子有機(jī)酸等;2)不同腐殖質(zhì)前體通過(guò)聚合、氧化等一系列生化反應(yīng)形成腐殖質(zhì),其中木質(zhì)素-蛋白、多酚途徑以及Maillard反應(yīng)等腐殖質(zhì)合成途徑被研究者廣泛接受[22-25]。Wu等[22-23]研究指出腐殖質(zhì)前體的產(chǎn)生通常發(fā)生在堆肥過(guò)程的升溫和高溫階段,而腐殖質(zhì)形成主要發(fā)生在降溫和腐熟階段,而堆體中優(yōu)勢(shì)嗜熱微生物對(duì)腐殖質(zhì)前體的產(chǎn)生起決定性作用。正是因?yàn)楦迟|(zhì)前體的多樣性、腐殖質(zhì)合成途徑的不確定性以及堆肥高溫條件下微生物群落的劇烈演替,堆肥腐殖化機(jī)制一直存在爭(zhēng)議,但研究者普遍認(rèn)可水溶性有機(jī)物(DOM)的分子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化規(guī)律可以真實(shí)反映堆肥腐殖化過(guò)程[26-27]。例如,He等[3]采用熒光光譜結(jié)合平行因子分析方法(EEM-PARAFAC)表征生活垃圾高溫堆肥過(guò)程中DOM結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)腐殖化程度增強(qiáng)與堆肥過(guò)程中蛋白類物質(zhì)逐漸減少、富里酸和腐殖酸類物質(zhì)明顯增多有關(guān)。

由于超高溫堆肥條件下嗜熱微生物酶活性顯著增強(qiáng),各種有機(jī)物被快速降解,DOM轉(zhuǎn)化速率和堆肥腐殖化進(jìn)程加快。劉曉明等[26]采用熒光光譜(EEM)等方法觀察到城市污泥超高溫堆肥過(guò)程中DOM組分發(fā)生顯著變化,蛋白類物質(zhì)在超高溫階段(0～5 d)幾乎完全被降解,而富里酸和腐殖酸類物質(zhì)開(kāi)始逐漸產(chǎn)生,到23 d時(shí)堆肥達(dá)到腐熟。Yu等[28]利用傅里葉變換紅外光譜結(jié)合二維相關(guān)光譜分析(FTIR-2DCOS)對(duì)比研究超高溫堆肥和普通高溫堆肥過(guò)程中DOM的轉(zhuǎn)化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)超高溫堆肥快速腐殖化過(guò)程與腐殖化前體多糖、羧酸以及酚類物質(zhì)的快速聚合有關(guān)。因此,進(jìn)一步采用傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)在分子水平上對(duì)超高溫堆肥快速腐殖化機(jī)制進(jìn)行分析,結(jié)果顯示:堆肥原料中低O/C(<0.3)和高H/C(>1.5)組分在超高溫條件下被(極端)嗜熱微生物優(yōu)先降解,從而產(chǎn)生大量的微生物代謝產(chǎn)物(如木素酚、氨基糖、羧酸等),這些代謝產(chǎn)物大多作為腐殖質(zhì)前體被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為難降解的腐殖質(zhì)物質(zhì)[29-30]。由此可見(jiàn),(極端)嗜熱菌驅(qū)動(dòng)有機(jī)質(zhì)快速降解和轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致腐殖質(zhì)前體大量產(chǎn)生和累積,這是實(shí)現(xiàn)超高溫堆肥快速腐殖化的重要前提(圖2)。因此,在后續(xù)研究中進(jìn)一步明確微生物群落組成與DOM分子結(jié)構(gòu)間的內(nèi)在關(guān)系將有助于深入解析超高溫堆肥快速腐殖化機(jī)制。

3 超高溫堆肥促進(jìn)污染物高效去除與控制機(jī)制

3.1 氧化亞氮(N2O)減排機(jī)制

有機(jī)廢物堆肥過(guò)程是全球溫室氣體排放的重要來(lái)源[31]。由于N2O單分子增溫潛勢(shì)為CO2的298倍,堆肥體系中因N2O排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)已明顯超過(guò)CO2排放[32]。N2O產(chǎn)生和排放與堆肥氮循環(huán)過(guò)程密切相關(guān):一方面微生物降解含氮有機(jī)物產(chǎn)生銨態(tài)氮,在氨氧化細(xì)菌或古菌作用下部分轉(zhuǎn)化為N2O;另一方面,N2O是反硝化過(guò)程中微生物氧化亞氮還原酶催化反應(yīng)的終產(chǎn)物[33-35];因此,硝化和反硝化過(guò)程共同決定N2O產(chǎn)生量。堆肥溫度是影響微生物氮循環(huán)過(guò)程(包括硝化、反硝化和氨化作用)的關(guān)鍵因子,也顯著影響N2O的產(chǎn)生和排放。例如,Xu等[36]報(bào)道40 ℃以上的溫度就能對(duì)氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌活性產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制作用。本課題組以雞糞和谷殼等為原料開(kāi)展超高溫堆肥試驗(yàn),結(jié)果表明超高溫堆肥相較于普通堆肥可減少N2O排放量達(dá)90%以上,其關(guān)鍵減排機(jī)制是由于超高溫條件顯著抑制氨單加氧酶(amoA)和氧化亞氮還原酶(norB)基因表達(dá),而amoA和norB分別代表硝化和反硝化過(guò)程的關(guān)鍵功能基因(圖3)[33]?；谄钚《寺窂侥Ｐ?PL-SPM)分析,發(fā)現(xiàn)2種堆肥工藝中N2O排放機(jī)制存在顯著差異。溫度是超高溫堆肥過(guò)程中決定N2O排放量的關(guān)鍵因素,而理化參數(shù)和微生物量則共同影響普通堆肥過(guò)程中N2O的排放量[33]。

超高溫堆肥極端嗜熱條件除了對(duì)硝化和反硝化作用產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制外,也能明顯減少堆肥過(guò)程中的氮素?fù)p失。例如,Huang等[37]采用基于外源加熱的超高溫預(yù)處理技術(shù)對(duì)豬糞和秸稈等堆肥原料進(jìn)行處理(90 ℃水熱處理4 h),堆體溫度相比于對(duì)照(未經(jīng)水熱處理)顯著提高,微生物群落組成發(fā)生改變,并且脲酶、蛋白酶的活性以及氨化作用速率明顯降低,從而使堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失明顯減少。Cui等[38]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)超高溫堆肥可以促進(jìn)含氮有機(jī)物縮合形成腐殖酸,減少堆肥過(guò)程的氮素?fù)p失?？傊?超高溫堆肥不僅通過(guò)抑制硝化和反硝化反應(yīng)速率減排N2O,也能促使更多含氮有機(jī)組分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)組分,提高堆肥產(chǎn)品氮含量。相比于普通高溫堆肥,超高溫堆肥工藝在減排N2O、減少氮素?fù)p失、提高堆肥品質(zhì)等方面更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 抗生素抗性基因消減機(jī)制

抗生素濫用引起的抗生素殘留和抗性基因(ARG)污染問(wèn)題已成為限制堆肥產(chǎn)品土地利用的重要因素[16]。有機(jī)廢物高溫堆肥被證明是去除堆肥產(chǎn)品抗生素殘留的有效手段[39-42]。Yu等[39]發(fā)現(xiàn)雞糞中殘留的四環(huán)素能在堆肥高溫條件下有效降解,提高溫度至70 ℃則可以在短時(shí)間內(nèi)徹底去除四環(huán)素。然而,普通高溫堆肥對(duì)ARG去除效果并不顯著。Liu等[40]調(diào)查指出藥品發(fā)酵殘?jiān)?3種ARG和8種可動(dòng)遺傳因子(MEG)的豐度在經(jīng)過(guò)高溫堆肥后并沒(méi)有明顯降低;Liao等[41]研究食品殘?jiān)逊蔬^(guò)程中ARG和MEG變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)兩者豐度隨堆肥微生物群落組成的變化均明顯升高。ARG在堆肥過(guò)程中難以被去除的原因通常為:1)由于MEG可以使ARG在不同細(xì)菌和潛在宿主之間發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移,ARG的豐度和多樣性隨細(xì)菌群落演替發(fā)生改變[42];2)普通高溫堆肥的溫度不足以有效殺滅ARG宿主細(xì)胞,如Bacillus,即便潛在宿主被殺死也可能難以使含ARG的DNA結(jié)構(gòu)完全降解[43]。

各種改進(jìn)的堆肥工藝常被應(yīng)用于抗生素抗性基因的去除。Awasthi等[44]通過(guò)在畜禽糞便堆肥體系中添加高劑量(10%)石灰實(shí)現(xiàn)多種ARG的有效去除,其去除機(jī)制是高劑量石灰可以顯著降低ARG潛在宿主細(xì)菌相對(duì)豐度。我們還發(fā)現(xiàn)利用超高溫堆肥工藝可以顯著減少城市污泥中ARG和MEG豐度,其去除率相比于普通高溫堆肥分別提高89%和49%[16]。由于ARG潛在宿主細(xì)菌多屬于Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes,超高溫堆肥的極端嗜熱條件能夠顯著減少這些ARG宿主的豐度和多樣性。進(jìn)一步的PL-SPM分析結(jié)果表明,超高溫堆肥過(guò)程中MEG減少也是導(dǎo)致ARG高效消減的關(guān)鍵因子[16]。Liao等[45]研究也證實(shí)超高溫堆肥條件持續(xù)6 d,即可去除生物制藥廢渣中的泰樂(lè)菌素抗生素、ARG和MEG,去除率分別為95%、76%和99%,其中,ARG消減的關(guān)鍵機(jī)制是其主要載體抗性質(zhì)粒的豐度被超高溫條件所抑制。與先前大多研究結(jié)果類似,高溫堆肥過(guò)程可以使ARG宿主細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,但由于MEG的水平基因轉(zhuǎn)移效應(yīng),ARG豐度并不能顯著降低(圖4)。超高溫堆肥則以 80 ℃以上極端嗜熱條件“重塑”堆肥優(yōu)勢(shì)細(xì)菌(如Thermus、Planifilum等),顯著降低包括細(xì)菌(Bacillus、Bacteroides、Clostridium、Enterococcus)以及古菌(Methanobrevibacter)在內(nèi)的各種ARG潛在宿主以及抗性質(zhì)粒的豐度,同時(shí)通過(guò)減少M(fèi)EG從而抑制ARG的水平基因轉(zhuǎn)移效應(yīng),最終實(shí)現(xiàn)ARG的高效消減。

3.3 微塑料降解機(jī)制

微塑料(MP)是全球生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在的一類新型污染物,一般是指顆粒尺寸小于5 mm的塑料碎片和顆粒[46-47]。最新研究表明,一個(gè)普通塑料茶包在95 ℃開(kāi)水沖泡過(guò)程中可以釋放高達(dá)116億個(gè)微塑料顆粒。由于這些顆粒具有尺寸小、內(nèi)含毒性添加物以及能夠吸附污染物等特性,其造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)人類健康的威脅已經(jīng)引起社會(huì)廣泛關(guān)注[48]。城市污泥等有機(jī)固體廢物是環(huán)境中微塑料重要的“匯”,其中每千克干污泥能被檢測(cè)到的微塑料顆粒達(dá)7.4×104[49]。微生物降解是實(shí)現(xiàn)土壤、底泥、堆肥等環(huán)境中微塑料去除的主要途徑,尤其在高溫條件下,其生物降解速率得到顯著提高[50]。Chen等[49]通過(guò)對(duì)比分析城市污泥高溫堆肥和超高溫堆肥兩種工藝條件下微塑料的降解情況發(fā)現(xiàn),45 d高溫堆肥導(dǎo)致微塑料的降解率小于5%,而經(jīng)過(guò)相同周期的超高溫堆肥后,微塑料的降解率達(dá)44%。

3.4 重金屬鈍化機(jī)制

隨著堆肥有機(jī)質(zhì)大量礦化,相對(duì)濃縮效應(yīng)導(dǎo)致堆肥中重金屬含量普遍升高,從而限制堆肥產(chǎn)品的后續(xù)土地利用[53]。實(shí)際上,重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)取決于重金屬總量和有效態(tài)組分的分配系數(shù),而高溫堆肥腐殖化過(guò)程被證實(shí)可以減少有效態(tài)重金屬分配系數(shù),顯著降低重金屬遷移性和生物可利用性,從而實(shí)現(xiàn)重金屬鈍化[54]。目前,促進(jìn)堆肥過(guò)程中重金屬鈍化機(jī)制較多,如腐殖酸絡(luò)合、生物炭等各種外源添加物吸附、微生物吸附和氧化、提高pH值促進(jìn)重金屬穩(wěn)定等[55-58]。Zhou等[56]在豬糞堆肥中按一定比例添加生物炭和腐殖酸,使Cu、Pb和Cd的鈍化效率分別達(dá)到95%、66%和69%;Chen等[53]在農(nóng)業(yè)廢物和河道底泥共堆肥體系中添加Phanerochaetechrysosporium,60 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)Pb、Cd和Cu 3種重金屬的有效鈍化,其關(guān)鍵原因是由于接種微生物強(qiáng)化了堆肥有機(jī)物對(duì)重金屬生物可利用性的影響。

目前,高溫堆肥過(guò)程重金屬二次污染控制及相關(guān)機(jī)制的研究較多,而超高溫堆肥過(guò)程中關(guān)于重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本課題組基于污泥超高溫堆肥產(chǎn)品,采用熒光滴定法研究腐殖酸(HA)對(duì)重金屬Cu的吸附絡(luò)合性能及鈍化機(jī)制,結(jié)果表明由于超高溫堆肥產(chǎn)品中HA的碳含量高,且在腐殖化過(guò)程中產(chǎn)生大量富含羧基和酚羥基等結(jié)構(gòu)組分,能夠與Cu(Ⅱ)發(fā)生強(qiáng)烈絡(luò)合作用[59]。進(jìn)一步采用FTIR-2DCOS對(duì)超高溫堆肥HA與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)時(shí)官能團(tuán)的響應(yīng)順序進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)HA中的羧基是實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬Cu(Ⅱ)高效鈍化的主要官能團(tuán)[26,59]。Huang等[60]研究農(nóng)業(yè)廢物堆肥產(chǎn)品中的DOM組分與Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的絡(luò)合效應(yīng),也獲得類似結(jié)果。由此可見(jiàn),羧基等官能團(tuán)的大量產(chǎn)生是導(dǎo)致超高溫堆肥產(chǎn)品HA具有更高效重金屬鈍化能力的原因(圖5),也是超高溫堆肥產(chǎn)品較普通堆肥產(chǎn)品和未經(jīng)堆肥腐熟的污泥更適合于重金屬污染土壤修復(fù)的原因。因此,我們也推測(cè)超高溫堆肥快速腐殖化過(guò)程將導(dǎo)致羧基等不飽和基團(tuán)含量顯著增加,從而實(shí)現(xiàn)Cu和Cd等重金屬在堆肥過(guò)程中的原位鈍化,這一假設(shè)將在我們后續(xù)研究中得以驗(yàn)證。

4 結(jié)論與展望

超高溫堆肥作為一種新發(fā)展的有機(jī)廢物資源化利用技術(shù),由于其具有獨(dú)特嗜熱菌群,在加速堆肥腐殖化和提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量上,都呈現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)高溫堆肥的技術(shù)特征?，F(xiàn)階段已明確的超高溫堆肥技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括:1)促進(jìn)腐殖質(zhì)前體大量產(chǎn)生,加快堆肥腐殖化進(jìn)程;2)抑制硝化和反硝化反應(yīng)速率,減少N2O排放和堆肥氮素?fù)p失;3)顯著影響堆肥細(xì)菌群落組成和多樣性,消減抗生素殘留及ARG和MEG等污染;4)增強(qiáng)生物氧化酶活性,加速微塑料等高分子有機(jī)污染物的降解;5)促進(jìn)富含羧基等不飽和基團(tuán)的富里酸和腐殖酸組分產(chǎn)生,提高堆肥產(chǎn)品的土地利用附加值。這些優(yōu)勢(shì)也充分表明提高堆肥溫度才是克服傳統(tǒng)高溫堆肥工藝固有缺點(diǎn)最為有效的手段。

盡管如此,針對(duì)超高溫堆肥理論的研究才剛剛起步,尤其在80 ℃以上的極端嗜熱條件下,微生物如何高效驅(qū)動(dòng)有機(jī)物礦化、腐殖化以及介導(dǎo)污染物遷移轉(zhuǎn)化將面臨諸多挑戰(zhàn):1)由于培養(yǎng)條件和研究方法限制,超高溫堆肥體系中極端嗜熱微生物優(yōu)勢(shì)菌群和關(guān)鍵功能的研究有待突破;2)分析(極端)嗜熱微生物群落演替規(guī)律與DOM分子結(jié)構(gòu)變化間的關(guān)系,是揭示超高溫堆肥快速腐殖化“黑箱模型”的重要前提;3)堆肥不同組分有機(jī)碳對(duì)溫度變化的響應(yīng)存在顯著差異,研究超高溫堆肥過(guò)程中各種有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)規(guī)律將有助于深入解析甲烷和CO2產(chǎn)生及腐殖質(zhì)形成關(guān)鍵機(jī)制;4)溫度作為影響超高溫堆肥氮素循環(huán)最為顯著的環(huán)境因子,基于堆肥溫度調(diào)控發(fā)展高效的N2O和NH3減排技術(shù)以及氮素?fù)p失控制技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。