吳偉霞, 席北斗, 黃彩紅, 李艷紅, 李 偉, 馬彩云,4, 郭 威, 唐朱睿

1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 桂林 541006

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 國家環(huán)境保護(hù)化學(xué)品生態(tài)效應(yīng)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

4.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070

有機(jī)固廢主要包括農(nóng)林廢棄物、畜禽糞便、餐廚垃圾和污水剩余污泥等，年產(chǎn)量大，若得不到有效處理，其產(chǎn)生的滲瀝液、惡臭氣體和溫室氣體等會(huì)導(dǎo)致許多環(huán)境和公共衛(wèi)生問題. 全球的城市每年產(chǎn)生約1.3×109t固體廢物，預(yù)計(jì)到2025年將增至每年2.6×109t，而在全球產(chǎn)生的總固體廢物中，有機(jī)固廢占比(46%)最大[1-2]. 2017年我國主要城市固體廢物產(chǎn)生量約3.5×108t，垃圾存放引起的“鄰避效應(yīng)”已經(jīng)成為城市固體廢物處理管理者面臨的難題之一[3-4]. 據(jù)2019年度全國“12369”環(huán)保舉報(bào)情況統(tǒng)計(jì)，各類舉報(bào)中大氣污染舉報(bào)占比(50.8%)居于首位，而大氣污染舉報(bào)中惡臭異味舉報(bào)占比(41.0%)最高[5]. 采用填埋、焚燒等傳統(tǒng)方式對(duì)有機(jī)固廢進(jìn)行處理，由于環(huán)境危害較大，使得其不具有環(huán)境可持續(xù)性. 有機(jī)固廢可持續(xù)管理的最佳選擇是采用資源回收、減量化、再利用和再循環(huán)的概念，如堆肥、厭氧消化等生物處理方法[6]. 堆肥是目前最有前途的生物處理方法之一，成本低廉，能處理不同成分的廢棄物，并生產(chǎn)出更為穩(wěn)定的有機(jī)肥料，近年來在有機(jī)固廢的回收利用方面受到了廣泛關(guān)注[7].

可持續(xù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展是全世界共同努力的目標(biāo)，我國也制定了“有機(jī)肥代替化肥”等行動(dòng)計(jì)劃，倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)與綠色農(nóng)業(yè)并行，這促使了堆肥技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用. 堆肥是在微生物作用下有機(jī)物經(jīng)歷復(fù)雜的代謝反應(yīng)產(chǎn)生腐殖質(zhì)的過程，產(chǎn)品可用于土壤改良、增加農(nóng)作物產(chǎn)量等[8-11]. 盡管堆肥有助于廢棄物的管理和消納，但不可避免地會(huì)釋放惡臭氣體，其中以NH3、H2S等氮硫類氣體為主. 堆肥釋放的惡臭氣體中NH3對(duì)氣味排放的貢獻(xiàn)最大[12]. 雖然H2S等揮發(fā)性硫化物(VSCs)的排放量低于NH3，但由于其嗅閾值低，即使低濃度的VSCs也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣味[13-14].

堆肥中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化涉及多種微生物的共同驅(qū)動(dòng)作用. 堆體中有機(jī)物被微生物降解的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些帶異味的氣態(tài)代謝產(chǎn)物或中間產(chǎn)物[15]. 微生物的多樣性變化和群落演替是堆肥過程的關(guān)鍵特征，其代謝功能取決于微生物群落的組成，而微生物群落的組成主要受溫度、pH、通風(fēng)量等代謝環(huán)境的影響，所以任何改變微環(huán)境的行為都可以改變微生物作用的方向[16-17]. 微生物在減少惡臭氣體排放方面也起著重要作用，許多正在開發(fā)或已經(jīng)運(yùn)用的生物除臭技術(shù)大都依賴于微生物的特性，但堆肥所產(chǎn)生的惡臭氣體組分不一且復(fù)雜，目前關(guān)于惡臭氣體生成轉(zhuǎn)化過程中微生物作用機(jī)制的研究仍不夠透徹，使得微生物治理惡臭氣體難以達(dá)到同步削減或消除. 因此，對(duì)堆肥中產(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行有效控制仍然十分困難. 該文梳理了堆肥中惡臭氣體的主要組成、生物除臭技術(shù)，重點(diǎn)闡述了惡臭氣體的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制，包括相關(guān)核心微生物、關(guān)鍵功能基因及微環(huán)境主控因子等，并提出了基于微生物正向調(diào)控實(shí)現(xiàn)過程控制的展望，以期為高效精準(zhǔn)控制堆肥惡臭氣體提供理論參考和技術(shù)支撐.

1 臭氣的主要組成

有機(jī)固廢在堆肥過程中會(huì)釋放組分多樣的惡臭氣體. 如在牛糞、廚余垃圾及市政污泥中的主要致臭物質(zhì)分別為NH3、H2S和甲硫醚，H2S、甲硫醇、1,3-二甲基苯、鄰二甲苯、二甲基二硫醚和對(duì)二甲苯，NH3、甲硫醚和二甲基二硫醚[18-20]. 盡管不同物料堆肥釋放的臭氣組分不一，但主要可分為含氮和含硫兩大類惡臭氣體.

含氮類惡臭氣體主要包括NH3和含氮有機(jī)物. NH3具有刺激性氣味，嗅閾值(0.027 mg/m3)相對(duì)較高，是有機(jī)固廢堆肥過程中的主要致臭物質(zhì)之一. NH3是大氣氣溶膠的前體，釋放到大氣中會(huì)導(dǎo)致土壤和水體的酸化[21]；長期暴露于過量的NH3環(huán)境中會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成威脅，如中樞神經(jīng)麻痹和心肌損傷等[22]. NH3揮發(fā)是氮素?fù)p失的主要途徑，占總氮損失的47%～77%[23]. 因此，減少NH3排放是控制堆肥中氮素?fù)p失的關(guān)鍵. 堆肥產(chǎn)生的含氮有機(jī)物中以胺類、吲哚類和酰胺類為主，當(dāng)曝氣過量時(shí)會(huì)顯著增加含氮有機(jī)物的釋放[24]. 胺類為腐魚臭味，與NH3相比胺類對(duì)人體危害更大，其毒性隨著取代氫原子個(gè)數(shù)的增加而增加，暴露于較高濃度的三甲胺環(huán)境中，可能會(huì)引發(fā)結(jié)膜炎[25-26]. 吲哚類為糞臭味，具有中等毒性，直接接觸會(huì)危害人體的呼吸系統(tǒng)和皮膚，且對(duì)眼睛有嚴(yán)重傷害[27]. 糞臭素為強(qiáng)烈糞臭味，能引起反芻動(dòng)物的急性肺水腫[28].

揮發(fā)性硫化物(VSCs)等含硫類惡臭氣體可分為H2S、二硫化碳(CS2)等揮發(fā)性無機(jī)硫化物和甲硫醇(MT)、甲硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)等揮發(fā)性有機(jī)硫化物(VOSCs)，具有檢測(cè)閾值低、氣味活性強(qiáng)等特點(diǎn)，已被確定為有機(jī)廢物堆肥過程中釋放的主要?dú)馕禰29]. 堆肥中會(huì)釋放出大量的VSCs，據(jù)報(bào)道，初始總硫中約有55%以VSCs的形式流失[29]. H2S為腐蛋臭味，低濃度的H2S使人有疼痛感，一旦濃度超過2.5×10-4則會(huì)導(dǎo)致昏迷甚至死亡，是堆肥過程中產(chǎn)生量最高的VSCs氣體，占VSCs總釋放量的39%～43%[30-31]. VOSCs在低濃度時(shí)是重要的風(fēng)味成分(如啤酒和奶酪)，但在較高濃度下毒性很大，會(huì)對(duì)人體神經(jīng)造成損害，且大部分VOSCs都具有腐燭性[32]. 其中，MT嗅閾值(0.7×10-3mg/m3)較低，可作為評(píng)估揮發(fā)性有機(jī)物排放情況的指示氣體[33]. 在廚余垃圾堆肥產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物中，MT、DMDS和DMS等的占比為35%～38%[34].

2 臭氣生成轉(zhuǎn)化的途徑及核心微生物

2.1 臭氣生成轉(zhuǎn)化的途徑

堆肥中有機(jī)底物豐富，無論是好氧還是厭氧環(huán)境，伴隨著微生物的代謝會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的物質(zhì)代謝，均會(huì)不同程度地釋放惡臭氣體. 堆體中氮硫類化合物轉(zhuǎn)化所發(fā)生的氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及硫酸鹽還原作用等是惡臭氣體生成轉(zhuǎn)化的主要途徑. 堆肥中惡臭氣體生成轉(zhuǎn)化的主要途徑如圖1所示.

圖1 堆肥中惡臭氣體生成轉(zhuǎn)化的主要途徑

NH4+-N是NH3的前體物，也是硝化和同化作用的底物，在堆肥的氮轉(zhuǎn)化過程中起到關(guān)鍵作用[35]. 堆肥初期含水量高，氨基酸態(tài)氮等有機(jī)氮經(jīng)氨化作用分解生成的氨主要以NH4+-N存在于堆體中[36]. 高溫期由于具有高溫及高pH的特性，NH4+-N會(huì)轉(zhuǎn)化為NH3釋放出堆體外. NH3的產(chǎn)生與NH4+-N密切相關(guān)，NH4+-N產(chǎn)量越多，NH3的釋放量也越多. Jarvis等[37]研究表明，堆體中NH4+-N含量對(duì)NH3的釋放有顯著影響，通過提高氨氧化速率可以降低NH4+-N含量，進(jìn)而減少NH3釋放. 高溫期的溫度不適宜硝化細(xì)菌生長，所以在整個(gè)高溫期N2O的產(chǎn)生量較低. 冷卻期和腐熟期NH3的揮發(fā)量顯著減少，該階段部分NH4+-N的不完全硝化作用或局部厭氧環(huán)境中NO2--N和NO3--N的反硝化作用，均會(huì)產(chǎn)生以N2O、NO2等氮氧化物主的副產(chǎn)物[35]. N2O的釋放量與NOx--N含量相關(guān)，Osada等[38]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堆體中NOx--N的含量增加時(shí)，N2O的產(chǎn)生量也隨之增加. NH4+-N還可經(jīng)同化作用固定為生物有機(jī)氮，生物固氮是提高堆肥中氮含量的有效途徑. Zhong等[39]研究發(fā)現(xiàn)，牛糞堆肥生物固氮主要發(fā)生在高溫和冷卻階段，在堆肥過程中平均總氮含量增加了1.80%. 胺類、吲哚類和糞臭素類等揮發(fā)性含氮有機(jī)物主要通過氨基酸脫羧作用、L-色氨酸降解代謝等過程產(chǎn)生[28].

揮發(fā)性硫化物(VSCs)本質(zhì)上是由含硫氨基酸產(chǎn)生的. 蛋白質(zhì)在蛋白酶、肽酶、裂解酶等酶的作用下水解為氨基酸，進(jìn)一步地，含硫類氨基酸降解為VSCs[40]. 堆肥中半胱氨酸和蛋氨酸等含硫氨基酸的生物降解可形成H2S和甲硫醇(MT)，而H2S和MT的甲基化可分別形成MT和甲硫醚(DMS)，其中MT可氧化形成二甲基二硫醚(DMDS)[41]. 此外，DMDS也可以通過DMS的甲基化或MT的脫水作用而形成[42]. DMS和DMDS是不易被氧化的惰性還原性物質(zhì)，釋放量較大，會(huì)逐漸累積在周圍的空氣中[43]. 其中，硫醇類由于具有較高的反應(yīng)活性，是許多其他VSCs的前體物[44]. H2S是半胱氨酸的主要降解產(chǎn)物. 當(dāng)堆體中氧化還原電位較低時(shí)，硫酸鹽在硫酸鹽還原菌(SRB)的作用下也會(huì)產(chǎn)生H2S[45]. 此外，硫化物甲基化反應(yīng)產(chǎn)生的MT和DMS經(jīng)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷過程中也會(huì)生成H2S[46]. 在堆肥過程中，升溫期和高溫期氧氣供應(yīng)不足，導(dǎo)致有機(jī)物降解不完全，是VSCs的主要釋放時(shí)期. Zhang等[47]研究發(fā)現(xiàn)，相比于兩個(gè)較高的通氣量(0.2和0.3 L/min)，在低通氣量(0.1 L/min)下，VSCs的產(chǎn)生量更加顯著. 氧氣不足普遍被認(rèn)為是VSCs產(chǎn)生的主要原因，但有報(bào)道稱，即使在好氧條件下，VSCs也會(huì)大量釋放[34].

實(shí)際上，堆肥中臭味物質(zhì)的排放會(huì)受到堆肥原料或改良劑等生化成分的影響，不同的生化成分(如淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等)參與不同的微生物代謝途徑，形成各種中間產(chǎn)物，從而影響惡臭氣體的種類[48]. 研究[49]表明，堆肥過程中以蛋白類物質(zhì)為原料產(chǎn)生的主要臭味物質(zhì)為NH3和VSCs，而以纖維類化合物、碳水化合物為原料時(shí)則分別為醛類(醛類惡臭氣體)、萜烯(萜烯類惡臭氣體)和硫化合物，其中產(chǎn)生臭味潛力最高的是蛋白類物質(zhì)，碳水化合物次之，纖維類化合物最低. 不同的改良劑也會(huì)影響微生物的代謝途徑，Chen等[50-51]研究發(fā)現(xiàn)，微生物會(huì)通過控制有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化來影響NH3的產(chǎn)生，當(dāng)堆肥原料為蔬菜廢棄物時(shí)，氨基酸氮和氨基糖氮是NH4+-N的主要來源，而當(dāng)分別使用麥秸、玉米秸稈作為改良劑時(shí)，氨氮、氨基酸氮最容易轉(zhuǎn)化為NH4+-N.

2.2 臭氣生成轉(zhuǎn)化的核心微生物

微生物是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力. 細(xì)菌由于其代謝的多功能性，相較于真菌及放線菌等在堆肥中更具優(yōu)勢(shì)[16]. 微生物分泌出具有特異性功能基因的酶以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化，在該過程中溫度、pH、含水率等多種因素均會(huì)影響微生物的代謝功能和群落變化，進(jìn)而影響惡臭氣體的產(chǎn)生. 因而，了解堆肥中的微生物是減少惡臭氣體產(chǎn)生的關(guān)鍵，也是建立有效控制惡臭氣體技術(shù)的重點(diǎn).

2.2.1核心微生物

微生物是堆肥化進(jìn)程的主體. 臭氣生成轉(zhuǎn)化所發(fā)生的氨化作用、硝化作用、反硝化作用及硫酸鹽還原作用分別是由氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及硫酸鹽還原菌驅(qū)動(dòng)完成. 這些微生物是物質(zhì)代謝的關(guān)鍵微生物，也是惡臭氣體生成轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物. 不同時(shí)期發(fā)揮作用的核心微生物有所不同，但在堆肥進(jìn)程中都是不可或缺的[52].

氨化細(xì)菌是氨化作用的重要驅(qū)動(dòng)力，主要存在于堆肥前期，適宜在中性或堿性條件下生長繁殖，是產(chǎn)生NH4+-N的主要菌種. NH4+-N的變化與氨化細(xì)菌的數(shù)量和活性相關(guān)，但NH4+-N的變化滯后于氨化細(xì)菌的變化，往往表現(xiàn)為氨化細(xì)菌數(shù)量的減少，導(dǎo)致NH4+-N含量下降，從而減少NH3的釋放量[53]. Li等[54]研究表明，膜覆蓋堆肥系統(tǒng)中以假單胞菌屬(Pseudomonas)和芽孢桿菌屬(Bacillus)為主的氨化細(xì)菌的平均相對(duì)豐度和共現(xiàn)率均低于非膜覆蓋堆肥系統(tǒng)，可有效保留堆體中的氮，減少了58.64%的NH3排放量. Asano等[55]等對(duì)牛糞酸化堆肥處理系統(tǒng)中的微生物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Bacillus和乳酸桿菌屬(Lactobacillus)是堆體氨化過程的關(guān)鍵菌種，酸化處理?xiàng)l件下NH3排放量低于可檢測(cè)水平.

硝化細(xì)菌多出現(xiàn)在堆肥早期及后期階段，對(duì)溫度較為敏感，為嗜溫菌，當(dāng)堆體溫度過高時(shí)硝化細(xì)菌數(shù)量有所降低. 這主要是因?yàn)?，堆肥初期有機(jī)質(zhì)豐富，可為硝化細(xì)菌提供良好的生長環(huán)境，而進(jìn)入高溫期，耐受高溫的硝化細(xì)菌得以保留，不耐高溫的硝化細(xì)菌死亡，到后期溫度下降，硝化細(xì)菌表現(xiàn)出新的活性[56]. 堆肥體系中研究較多的硝化細(xì)菌為氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA). 硝化過程中氨氧化是第一個(gè)步驟，也是主導(dǎo)NH3和N2O排放的關(guān)鍵階段，主要由AOB驅(qū)動(dòng)完成. Zhong等[39]對(duì)牛糞堆肥中的氮循環(huán)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)從進(jìn)入腐熟階段開始，AOB的數(shù)量急劇增加，其中亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)是最豐富的AOB，占比超過氨氧化細(xì)菌總數(shù)的98%. Meng等[57]研究表明，Nitrosomonas是奶牛糞堆肥中貢獻(xiàn)最大的AOB，在堆肥后期最為活躍，是腐熟時(shí)期的優(yōu)勢(shì)菌屬.

反硝化細(xì)菌主要存在于堆肥后期，多為厭氧型微生物，在高溫、有氧環(huán)境中其生長繁殖會(huì)受到抑制. 最常見的反硝化細(xì)菌大多為變形菌門(Proteobacteria). 在雞糞、豬糞和牛糞等廢棄物堆肥體系中均發(fā)現(xiàn)了Proteobacteria是最主要的反硝化微生物，其中在雞糞堆肥中以Proteobacteria為主的反硝化細(xì)菌，占總樣本的61.64%～96.68%[58-60]. 在堆肥過程中已經(jīng)分離出了多種反硝化微生物，如芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)及黃桿菌屬(Flavobacterium)等，不同時(shí)期的反硝化優(yōu)勢(shì)菌有所不同. 許本姝等[61]研究發(fā)現(xiàn)，反硝化細(xì)菌的多樣性和豐富度在堆肥中均呈先降低后升高的趨勢(shì)，升溫期、高溫期及腐熟期的優(yōu)勢(shì)菌屬分別為Pseudomonas和陶厄氏菌屬(Thauera)、Pseudomonas和無色桿菌屬(Achromobacte)及鮑特氏菌屬(Bordetella). Zhong等[39]研究表明，牛糞堆肥中高溫期嗜鹽單胞菌屬(Halomonas)是最豐富的反硝化細(xì)菌，而腐熟期Labrenziaalba、Pseudomonasflexibili和Steroidobacterdenitrificans是反硝化優(yōu)勢(shì)菌.

硫酸鹽還原菌(SRB)是一種厭氧菌，對(duì)有氧環(huán)境極為敏感，常見的主要有脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫桿菌屬(Desulfobacter)、脫硫球菌屬(Desulfococcus)、脫硫線菌屬(Desulfonema)、脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaoculum)以及脫硫單胞菌屬(Desulfomomas)等. 甲硫氨酸可被惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)和亞麻短桿菌(Brevibacteriumlinens)等微生物降解轉(zhuǎn)化為MT、DMS、DMDS等VSCs[62]. 硫酸鹽還原菌與堆體中H2S的產(chǎn)生密切相關(guān). 例如，在廚余垃圾堆肥中添加園林廢物可有效改善堆肥原料的理化特性，降低Desulfotomaculum的相對(duì)豐度，從而減少H2S的排放[63]；而在沼氣殘?jiān)じ采w堆肥系統(tǒng)中，相較于非膜覆蓋堆肥系統(tǒng)，減少了38.13%的H2S釋放量，硫酸鹽還原優(yōu)勢(shì)菌為Desulfovibrio[54]. 此外，局部厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌的豐度也與堆肥中H2S的釋放有關(guān)[64].

2.2.2功能基因

微生物作用下惡臭氣體的生成轉(zhuǎn)化由一個(gè)或多個(gè)功能基因參與完成. 常見的功能基因，如氨化作用中的ureC，編碼脲酶，將有機(jī)氮礦化為NH4+-N；硝化作用中的AOA-amoA、AOB-amoA和nxrA，分別編碼古菌氨單加氧酶、細(xì)菌氨單加氧酶和亞硝酸鹽氧化還原酶，將NH4+-N氧化為NO2--N、NO3--N；反硝化作用中的napA/narG、nirS/nirK、cnorB/qnorB和nosZ，分別編碼硝酸還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和一氧化二氮還原酶，促進(jìn)NO3--N、NO2--N、NO和N2O轉(zhuǎn)化為N2；硫酸鹽還原過程中的aprA、dsrA/dsrB，分別編碼腺苷5’-磷酸硫酸酐還原酶、異化型亞硫酸鹽還原酶，將SO42-、SO32-等還原為H2S等硫化物.

不同形態(tài)有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化需要不同的酶來驅(qū)動(dòng)氨化作用，其中脲酶被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)氨化過程的研究，而堆肥原料中有機(jī)肥的前體含有大量尿素，因而脲酶在堆肥過程中對(duì)氨化作用尤為重要[65-66].ureC是脲酶的標(biāo)記基因，可催化尿素氮分解為NH4+-N. Yu等[67]研究了有機(jī)-無機(jī)共堆肥過程中氮素生物轉(zhuǎn)化相關(guān)功能基因的變化，發(fā)現(xiàn)ureC的絕對(duì)豐度與NH4+-N濃度呈中等程度顯著相關(guān).

amoA和nxrA是NH4+-N轉(zhuǎn)化的主要功能基因.amoA通常被認(rèn)為是NH4+-N氧化為NO2--N的標(biāo)記基因，能直接影響NH4+-N和NO3--N的含量；nxrA常被用作NO2--N氧化為NO3--N的標(biāo)記基因.amoA可以對(duì)NO3--N產(chǎn)生正效應(yīng)，且NH4+-N與NO3--N呈負(fù)相關(guān)，可指示NH4+-N與NO3--N之間發(fā)生的轉(zhuǎn)化，amoA是引起NO3--N積累的主要功能基因之一[58,68]. 因此，通過一定的手段來調(diào)控amoA和nxrA，促進(jìn)NH4+-N氧化，可以減少堆體中NH3的釋放. Guo等[59]在豬糞堆肥中添加具有硝化作用的巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)，可以提高高溫階段amoA基因的絕對(duì)豐度，增強(qiáng)amoA將NH4+-N氧化為NO2--N的能力，減少NH3的排放. 此外，反硝化過程中NO3--N可作為N2O的反應(yīng)底物，所以可通過amoA和nxrA實(shí)現(xiàn)其對(duì)NO2--N和NO3--N的調(diào)控，減少NO3--N積累，這對(duì)降低堆肥過程中N2O的釋放具有積極作用.

narG和napA參與了反硝化的第一步，將NO3--N還原為NO2--N；nirK和nirS參與了反硝化過程的第二步，將NO2--N還原為NO；cnorB和qnorB參與了反硝化過程的第三步，將NO還原為N2O；nosZ則參與了反硝化過程的最后一步，將N2O還原為N2. 其中，nirK、nirS和nosZ常用作反硝化過程的標(biāo)記基因，Maeda等[69]研究得出，在N2O活躍釋放的階段，檢測(cè)到許多假單胞桿菌屬(Pseudomonas)的nirK和nosZ片段. 降低堆肥中napA/narG、nirS/nirK和cnorB/qnorB的豐度(或削弱其表達(dá))，或增加nosZ的豐度(或增強(qiáng)其表達(dá))，是減少N2O排放的有效方法. 在堆肥中加入生物炭可降低narG、norB和nirK的絕對(duì)豐度，增加nosZ的絕對(duì)豐度，從而減少N2O排放[70]；而通入交變磁場(chǎng)可削弱narG和nirS的表達(dá)(最大削弱率為83.7%和95.5%)，并使nosZ的表達(dá)增加36.5倍，N2O的釋放量減少39.8%[71].

aprA介導(dǎo)SO42-向SO32-轉(zhuǎn)化，在硫酸鹽還原過程中起主導(dǎo)作用，但SO42-非常穩(wěn)定，不易被還原，不能直接作為電子受體，故需要在硫酸腺苷轉(zhuǎn)移酶(Sat)的作用下先生成氧化性較強(qiáng)的腺嘌呤磷酸硫酸鹽(APS)，再進(jìn)行下一步還原轉(zhuǎn)化[72].dsrA和dsrB廣泛用于研究硫酸鹽還原菌(SRB)的群落多樣性和數(shù)量. 其中，dsrA是SRB的高度保守功能基因，在硫酸鹽還原過程中起著關(guān)鍵的酶促作用，存在于所有的SRB中[73].

2.2.3影響核心微生物的微環(huán)境因素

溫度是堆肥微生物活性的重要影響因素，能夠影響微生物的生長速率、酶活性，從而影響微生物的數(shù)量和多樣性[74]. 微生物的功能會(huì)受到溫度的影響. 氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的適宜生長溫度多為20～35 ℃[75]. 在40 ℃下的酸性環(huán)境中，氨氧化菌和反硝化菌的生長會(huì)受到明顯的抑制作用[76]. 氨氧化細(xì)菌在堆肥的中溫期和高溫早期變化較大，而氨氧化古菌在高溫期晚期、冷卻期和腐熟期變化最為明顯[77]. 硫酸鹽還原菌在堆體溫度為35～37 ℃時(shí)生長代謝最好，硫酸鹽還原為硫化物的速率最大.

含水率對(duì)堆肥物料的物理和生物特性具有重要影響，包括營養(yǎng)物質(zhì)的溶解和傳輸、微生物的代謝和轉(zhuǎn)移等[78]. 堆肥中最適宜的含水率為50%～70%[79]. 陳雅娟等[80]對(duì)雞糞堆肥過程中硝化細(xì)菌的變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)含水率是導(dǎo)致硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的關(guān)鍵因素. Li等[78]研究發(fā)現(xiàn)，在含水率為53%的條件下，亞硝酸鹽細(xì)菌、硝化細(xì)菌和固氮細(xì)菌表現(xiàn)出較好的內(nèi)源氮轉(zhuǎn)化和外源固氮作用，堆體中NO3--N和TN的含量較高，在一定程度上減少了含氮類惡臭氣體的產(chǎn)生.

微生物的正常生長繁殖需要一定量的碳、氮元素，更需要適宜的C/N. 微生物分解有機(jī)物的速率會(huì)隨C/N的變化而發(fā)生變化. C/N在35∶1～25∶1之間有利于微生物的正常生命活動(dòng). 在適宜的C/N范圍內(nèi)，適當(dāng)提高C/N可增加氮轉(zhuǎn)化細(xì)菌的相對(duì)豐度和促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)的碳代謝，產(chǎn)生更多的ATP和α-酮戊二酸，有利于氨的同化，減少堆肥中含氮類惡臭氣體的產(chǎn)生[81-82]. 如在污泥堆肥過程中添加蔗糖(增加碳含量)，可同時(shí)提高氨同化細(xì)菌的數(shù)量和相關(guān)酶的活性，減少NH3的釋放[83].

堆肥中pH為6～9，是影響微生物代謝和繁殖的重要環(huán)境因素之一. 堆肥中微生物間的相互作用使得pH處于不斷變化的狀態(tài). 同時(shí)，pH也會(huì)對(duì)微生物的酶活、酶促反應(yīng)及代謝產(chǎn)生影響[84]. 硝化細(xì)菌適于生長在pH為7.5～8.0的偏堿性環(huán)境. 硫酸鹽還原菌在pH為 6.5～7.5時(shí)可進(jìn)行良好的生長繁殖，但當(dāng)堆體pH>8時(shí)不利于其生長. 王紅等[85]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH<4.5時(shí)，氨化細(xì)菌的生長活性完全被抑制，當(dāng)pH>4.5時(shí)，氨化細(xì)菌的生長活性隨時(shí)間的延長表現(xiàn)為持續(xù)增強(qiáng)，在pH為6.5～8.0時(shí)可維持較高的活性，并在pH=7 時(shí)其活性達(dá)到最高.

通風(fēng)具有供氧、散熱、脫水三大作用，也是影響堆肥微生物的關(guān)鍵因素之一. 當(dāng)堆體內(nèi)O2含量為5%～10%時(shí)，可使堆肥正常進(jìn)行[86]. 通過調(diào)節(jié)通風(fēng)量，可以調(diào)節(jié)堆體的反應(yīng)溫度，為微生物的生長提供合適的環(huán)境. 胖是等[87]研究發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)能顯著影響堆肥中的氨化細(xì)菌和反硝化菌，并建議在升溫期通風(fēng)量采用0.15 L/min、高溫期采用0.05 L/min，可使堆肥產(chǎn)品在達(dá)到無害化的基礎(chǔ)上減少NH3的排放. 硫酸鹽還原菌在溶解氧濃度為4.5 mg/L時(shí)能夠存活，但在接近飽和溶解氧濃度(9.0 mg/L)時(shí)無法存活，故可適量向堆體中通氣以抑制其生長繁殖，減少含硫類惡臭氣體的釋放.

3 生物除臭技術(shù)

為了對(duì)堆肥產(chǎn)生的惡臭氣體進(jìn)行有效控制，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多種處理技術(shù)，包括物理、化學(xué)和生物法等. 相比于物理、化學(xué)法除臭，生物法除臭通常具有效率高、無二次污染、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是去除臭氣的有效方法[88]. 但生物法除臭過于依賴于微生物，微生物的活性將直接影響除臭效果，其正常工作的條件是使反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濕度、營養(yǎng)液濃度及pH等參數(shù)滿足微生物正常生長的需要，在實(shí)際應(yīng)用方面也存在一定的挑戰(zhàn)性[89]. 生物法除臭中微生物可利用惡臭組分進(jìn)行自身代謝并將其轉(zhuǎn)化為無臭組分，如含氮惡臭組分被氧化分解成NH4+、NO2-、NO3-，含硫惡臭組分被氧化分解成S、SO32-、SO42-，是減少惡臭氣體最為直接有效的方法[90-91]. 常用的生物法除臭包括原位添加微生物菌劑和異位生物反應(yīng)器處理(如生物濾池、生物滴濾器和生物洗滌器). 生物除臭技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1[92-94]所示.

表1 生物除臭技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較[92-94]

3.1 接種外源微生物

在堆肥過程中接種外源微生物，可對(duì)臭氣起到直接降解作用，在源頭上直接減少了臭氣的產(chǎn)生，是目前重要的除臭手段. Zhu等[95]研究發(fā)現(xiàn)，接種微生物菌劑可以減少NH4+-N產(chǎn)生，降低堆肥過程N(yùn)H3揮發(fā)量. 可見，接種外源微生物同時(shí)起到了保氮除臭的作用，是控制含氮類惡臭氣體產(chǎn)生的理想方法. 然而，由于臭氣組分的復(fù)雜性，各組分難以同步達(dá)到理想的去除效果，因此有必要研發(fā)除臭性能高的復(fù)合微生物菌劑. 張生偉等[96]將從堆肥中篩選的數(shù)株高效除臭菌和纖維素分解菌群優(yōu)化組合后制備成復(fù)合微生物除臭劑，發(fā)現(xiàn)該菌劑在堆肥前20天可使NH3和H2S的去除率分別在70%和60%以上.

3.2 生物反應(yīng)器

生物濾池可以同時(shí)處理多種污染物，特別是對(duì)于處理大量低濃度的惡臭氣體是一種較為經(jīng)濟(jì)的選擇. 細(xì)菌和真菌是生物濾池中的兩個(gè)主要微生物菌群，但有報(bào)道稱，隨著細(xì)菌種群的增長，也會(huì)出現(xiàn)酵母菌、藻類以及高等原生生物(動(dòng)物、輪蟲、線蟲等)[97]. 于承澤等[98]研究發(fā)現(xiàn)，生物濾池對(duì)NH3、H2S、甲硫醇的平均去除率在95%以上，起主要除臭功能的菌屬為絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella). 生物滴濾器(BTF)是一種處理臭氣的有效方法. BTF不僅能減少污染物的排放，而且能夠輸送營養(yǎng)物質(zhì)，并且還可通過循環(huán)水流控制pH及副產(chǎn)物的積累[99]. BTF中的生物膜上附著有大量細(xì)菌和少量真菌，主要發(fā)揮作用的為細(xì)菌. BTF中最為常見的細(xì)菌菌屬為假單胞桿菌屬(Pseudomonas)、Bacillus、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、紅球菌屬(Rhodococcus)等[100]. 雖然BTF中污染物的降解通常是由細(xì)菌引起的，但有時(shí)真菌也能起到重要作用. 與細(xì)菌相比，在低濕度和高酸度的環(huán)境中真菌可以更好地生存，因此以真菌為主要降解微生物的BTF具有很大的潛力[101]. 生物洗滌器易于操作，添加的生物填料不易引起堵塞，適用于處理亨利系數(shù)不超過0.01的SO2、乙酸、胺、H2S和硫醇類等水溶性氣體，也可處理濃度低于 5 000 mg/m2的化合物[102-103]. 而對(duì)于處理過程產(chǎn)生的剩余污泥和廢液必須進(jìn)行進(jìn)一步的后端處理，否則會(huì)影響其處理性能.

4 結(jié)論與展望

a) 堆肥過程中含氮、硫類惡臭氣體種類多、賦存形態(tài)與污染途徑不一，如何闡明微生物在其中的作用機(jī)制仍然是一個(gè)復(fù)雜的問題. 今后需深入研究堆肥微生物代謝過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑及相關(guān)機(jī)理，解析物質(zhì)全過程轉(zhuǎn)化規(guī)律與代謝歸趨，并闡明惡臭氣體的生物成因與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建惡臭氣體生成轉(zhuǎn)化的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)，為有機(jī)固廢的可持續(xù)安全利用與惡臭氣體的風(fēng)險(xiǎn)控制奠定理論基礎(chǔ).

b) 在現(xiàn)有相關(guān)研究中，基于環(huán)境因子、微生物及惡臭氣體的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，堆肥微環(huán)境對(duì)微生物群落特征影響顯著，進(jìn)而會(huì)影響臭氣物質(zhì)的種類、濃度與轉(zhuǎn)化途徑. 故可在闡明核心微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，篩選出影響微生物的微環(huán)境主控因子，也將為堆肥臭氣過程控制的參數(shù)設(shè)置提供科學(xué)依據(jù).

c) 就末端處理技術(shù)而言，生物法處理惡臭氣體效益高且環(huán)境友好，依然優(yōu)勢(shì)顯著，應(yīng)注重與物理、化學(xué)方法相結(jié)合，側(cè)重制備研發(fā)高效除臭復(fù)合菌劑、新型生物活性表面劑、高濃度惡臭氣體生物反應(yīng)器等，為分散式有機(jī)固廢資源化臭氣污染控制保駕護(hù)航.