为什么蠕虫（和微生物）正成为粪便污染解决方案的热门选择

# 为什么蚯蚓（和微生物）正成为一种粪便污染解决方案 来源：https://www.technologyreview.com/2026/07/07/1140142/why-worms-and-microbes-are-catching-on-as-a-manure-pollution-solution 第三代加州奶农安东尼·阿格达（Anthony Agueda）用耙子扒拉着他家位于希克曼（Hickman）土地上的一层深色湿木屑——希克曼是该州农业中心地带的一个小镇。 他双手向下探，抓起一坨泥巴，翻过来，露出半打蠕动的红色蚯蚓。在我们面前这堆三英尺高、由木头和碎河石组成的土丘下，可能还藏着数十万条蚯蚓在扭动。这堆材料横跨相当于六个足球场的面积。这些天然材料构成了一种生物过滤器，可能大幅减少数百头荷斯坦奶牛每天产生的大量粪便所释放的甲烷、一氧化二氮和水污染。 阿格达家族企业阿尔贝托乳业（Alberto Dairy）是加州首批采用这种粪便处理方法的奶牛场之一，该方法由智利公司BioFiltro开发并申请专利。据该公司称，美国奶牛场已有另外八套所谓的蚯蚓过滤系统在运行，另有16套正在建设或计划明年建设，几乎全部位于加州。 蚯蚓过滤只是农民、企业和科学家用来减少粪便污染的方法之一，因为畜牧业面临着日益增大的压力，需要解决这一行业最臭气熏天的部分带来的环境危害。加州作为全美最大的牛奶生产州，已设立了多个项目来推广这些方法，其中一项倡议已向农场投入了超过10亿美元。 研究人员强调，还需要做更多工作来确定最有效的方法、它们之间的权衡以及在实际农场条件下长期的成功率。 阿格达表示，随着环境法规收紧，他和家人认识到需要采用新做法。他们被蚯蚓过滤吸引，因为与其他技术含量更高的方案相比，它简单且相对便宜。 “加州奶农不断面临越来越多的监管，”阿格达站在农场的一个散栏牛舍旁说，“这让我感到兴奋，因为它表明我们是如何成为解决方案的一部分的。” ### 日益严重的粪便问题 粪便造成了畜牧业气候污染中相当大的一部分。世界资源研究所估计（https://files.wri.org/d8/s3fs-public/2025-08/analysis-and-recommendations-to-mitigate-greenhouse-gas-emissions-from-u.s-manure-management.pdf?VersionId=Pnibe1aHhImLtRl0WdkdrFz.N3Ci.gYa），美国奶牛和养猪场的粪便管理占美国温室气体排放量的1.6%。在全球范围内，粪便储存和处理占畜牧业对气候变化贡献的大约10%（https://openknowledge.fao.org/server/api/core/bitstreams/492bb0b2-8b73-4e49-b188-8176b1d8c711/content）。 “在过去二十年左右，农场规模变得更大，因此粪便量大大增加——而且这些粪便必须存放在某个地方，”该组织的农业甲烷全球经理斯瓦蒂·赫格德（Swati Hegde）说。 通常，养牛场和养猪场会将粪便喷入泻湖或储罐中，形成一种恶臭、低氧的泥浆，在这种环境中被称为产甲烷菌的微生物会大量繁殖。它们吞噬氢、二氧化碳和其他化合物，并产生甲烷作为副产品。混合物中的其他微生物会产生少量的一氧化二氮。 在阿尔贝托乳业，两头荷斯坦奶牛从散栏牛舍的栏杆间探出头来。JOE PROUDMAN/UC DAVIS 这两种都是特别强效的温室气体，在一个世纪内，它们的增温能力分别高达二氧化碳的30倍和近275倍（https://www.epa.gov/ghgemissions/understanding-global-warming-potentials#:~:text=Nitrous%20Oxide%20(N2O,Sinks%20uses%20a%20different%20value.)）。 这些泥浆通常被撒到田地里以增加土壤养分。当这种做法过度或不当时，会污染土壤或地下水，带来药物残留（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1470160X07000647）、病原体如沙门氏菌和大肠杆菌（https://njaes.rutgers.edu/fs1193/），以及硝酸盐。渗入饮用水的硝酸盐与多种人类健康风险相关（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001393511930218X）。而那些流入河流、湖泊和沿海水域的硝酸盐则会引发藻类大量繁殖，毒害鱼类、阻挡阳光、消耗氧气，或形成缺乏海洋生物的大型沿海死亡区。 ### 政策驱动因素 多个地区、国家和州已通过法规或提供补贴，旨在限制牲畜粪便造成的污染，但迄今为止，大多数主要举措都侧重于水污染，而非温室气体排放。 例如，欧盟限制（https://environment.ec.europa.eu/topics/water/nitrates_en）农民可以施用到田地的粪便量，并要求成员国监测地下水和地表水中的硝酸盐水平。美国的《清洁水法》要求大型牲畜经营单位获得许可证并制定限制污染的粪便管理计划。 但加州在利用政府政策专门减少牲畜甲烷排放方面可以说是做得最多的。据政府估计，乳制品行业约占该州强效温室气体污染的45%（https://senv.senate.ca.gov/system/files/2026-03/25-mccabe-et-al-cab.pdf），其中超过一半来自粪便（https://clear.ucdavis.edu/sites/g/files/dgvnsk7876/files/inline-files/CLEAR-Center-Methane-Cows-Climate-Change-Sep-2-20_7.pdf）。 2016年，该州颁布了一项法律（https://leginfo.legislature.ca.gov/faces/billNavClient.xhtml?bill_id=201520160SB1383），要求奶牛场、垃圾填埋场和其他企业到2030年将甲烷排放量在2013年水平上削减40%，作为减少强效但短寿命温室气体污染的更广泛努力的一部分。该措施指示加州空气资源委员会（该州主要的气候监管机构）设立各种激励计划，以鼓励这些行业转向更清洁的做法。 “从投入产出比和短期效益来看，甲烷可以在实现气候目标方面发挥很大作用，”加州农业韧性及可持续发展办公室主任托尼·马塔（Tawny Mata）说。 通过这些不同的计划——以及该州牲畜数量下降（https://www.npr.org/2026/05/29/nx-s1-5719511/beef-cattle-herd-food-prices）——乳制品行业有望在2030年前将年甲烷排放量减少相当于500万公吨二氧化碳。该州估计（https://ww2.arb.ca.gov/sites/default/files/2026-03/sb1383_informationsolicitation_3_4_2026.pdf），这仍将比2016年法律规定的目标少约400万吨。 ### 乳制品消化器的缺点 排除畜群数量下降（这是由日益激烈的国际竞争和成本上升驱动的）的因素，加州估计的甲烷减排绝大部分来自所谓的厌氧消化器。这项技术包括覆盖泥浆泻湖以防止甲烷泄漏到空气中，然后将沼气通过管道送入单独的容器，在那里进行净化并转化为天然气。 根据加州的低碳燃料标准计划，使用消化器生产并注入管道的天然气的奶牛场可以赚取信用额度，并出售给炼油厂和其他主要污染者，以帮助这些公司实现自己的减排要求。 然后，这种天然气可以为发电厂提供燃料、生产氢气或为天然气车辆提供动力。这些用途仍会释放二氧化碳，但该州认为这是一项气候胜利，因为它避免了释放更易吸热的甲烷。 加州计划带来的丰厚收入流在过去十年中刺激了数百个美国农场安装厌氧消化器。加州州立理工大学的研究人员去年在一篇论文（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421525002459）中指出，自2020年以来，该计划已为农场带来了超过10亿美元的收入。 但这种方法存在各种担忧。 首先，加州大学戴维斯分校动物科学系教授兼系主任弗兰克·米特洛纳（Frank Mitloehner）说，这种方法只对拥有约2000头或更多奶牛的农场可行，因为设备安装成本非常高。 “对于绝大多数奶牛场来说，消化器不会是一个解决方案，”他说。 由于粪便仍然经常被撒到田间，消化器也几乎无法解决水污染问题——甚至可能因为过程中发生的某些化学反应而加剧水污染。 然而，宾夕法尼亚大学克莱曼能源政策中心的高级研究员丹尼·卡伦沃德（Danny Cullenward）表示，流向消化器的大量补贴将资金、精力和注意力从其他可能提供更好整体环境效果的解决方案上转移开了。他仔细研究过加州的项目（https://kleinmanenergy.upenn.edu/research/publications/californias-low-carbon-fuel-standard/）。 “这真的不是一个大规模的解决方案，而且它正在将大量宝贵资源分流到我看来大多并非正确答案的地方，”他说。 ### 替代方案 消化器的高昂前期成本和局限性引发了人们对替代解决方案日益增长的兴趣——其中许多方案通过首先减少甲烷的形成来起作用，而不是将甲烷转化为可销售的燃料。 其中最便宜、最简单和最流行的方法之一，称为固液分离，使用像螺旋压榨机这样的简单机械将粪便泥浆中的大部分水挤出来。剩余的固体是干燥的并暴露在空气中（https://www.wri.org/technical-perspectives/us-manure-methane-mitigation-solutions），从而摆脱了容易产生甲烷的无氧条件。 其他方法包括增加泻湖的酸度、向其中鼓入空气，或向泥浆中添加食甲烷微生物（https://www.windfall.bio/），所有这些都改变了化学性质，有望减少释放的甲烷量。华盛顿州塞德罗-伍利的一家公司Sedron Technologies还开发了一种高科技固液分离方法，从动物粪便中提取几种可销售的产品，包括液体有机肥料（https://sedron.com/our-technology/）。 加州设立了另外两个项目，帮助较小的农民采用这些其他方法，分别称为替代粪便管理计划和乳制品增强计划。 大部分资金流向了固液分离系统。但该州已提供超过1800万美元支持15个蚯蚓过滤项目。阿尔贝托乳业从这两个项目中获得了近200万美元。 ### 奥利奥奶牛 当我沿着奶牛场边尘土飞扬的道路驱车行驶时，黑白相间的牛（被亲切地称为奥利奥奶牛）从开放式牛棚的栏杆间伸出头，啃食着散落在建筑周围的金色青贮饲料。阿格达的祖父安东尼奥·阿尔贝托（Antonio Alberto）（https://www.dairyherd.com/news/education/man-behind-lens-why-alberto-dairys-biggest-influencer-77-year-old-tractor?utm_campaign=snd&fbclid=IwY2xjawSP46lleHRuA2FlbQIxMQBzcnRjBmFwcF9pZBAyMjIwMzkxNzg4MjAwODkyAAEesCB5BY5vUbGA-I0WA4L8yRu436ChbATxo-CoRf_934Ecr0ESleX2IjbRGuQ_aem_AOXOZ1f_6OVz2miBKHur2Q）45年前在附近的加州阿特沃特创办了这家奶牛场，但最终于1989年在希克曼（人口604）定居。 一系列大型金属装置将大部分固体从粪便废水中分离出来。JOE PROUDMAN/UC DAVIS 当时是三月中旬，中央山谷的气温已经超过80华氏度（约27°C），沿海山脉将凉爽的太平洋空气阻隔在外。齐膝高的燕麦秆在田野中摇曳，一直延伸到远处的一排杏仁树。 阿格达去年刚从弗雷斯诺州立大学毕业，现在帮助领导农场的运营。他在牛棚边与我和加州大学戴维斯分校的米特洛纳会面，米特洛纳研究过蚯蚓过滤的效果。（加州大学戴维斯分校与农场没有关联，但该大学促成了这次会面。） 他带着我们沿着土路走，一边解释蚯蚓过滤系统的工作原理，该系统于2024年10月开始使用。 和以前一样，冲洗系统将牛棚地板上的粪便冲入一个大型收集坑。但现在一组泵将其通过一系列立在附近混凝土垫上的大型V形金属装置，在那里机械筛网将大部分固体从水中分离出来。 传送带将固体运走，农场将其堆肥用作牛床垫料或肥料。剩余的液体通过管道系统，首先进入沉淀池，然后进入悬挂在蚯蚓过滤床之上的灌溉系统。这个长管状结构在砾石轨道上的轮子上运行，在移动过程中湿润木屑。根据BioFiltro的说法，生活在生物过滤器中的蚯蚓和各种微生物随后开始消耗大部分剩余的固体物质。 灌溉系统将废水洒到蚯蚓过滤床上。JOE PROUDMAN/UC DAVIS “一旦水洒在上面，从开始到渗滤并通过末端排出大约需要四个小时，”阿格达说。 然后他请米特洛纳解释其中发生的科学原理，并补充道：“我只是个奶农。” ### 科学原理 米特洛纳说，他第一次听到BioFiltro的说法时持怀疑态度，尤其是该系统几乎可以消除氮以及由此产生的各种污染（包括氨和硝酸盐）的说法。 于是他决定研究位于加州希尔马（Hilmar）以南约20英里的法内利奶牛场（Fanelli Dairy）的类似装置。他和同事监测了从系统中取出的废水样本的排放，这些样本在液体通过过滤器之前和之后采集。在一篇2018年发表的论文（https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6110276/）中，研究人员得出结论，蚯蚓过滤将由此产生的水中的氨排放减少了约90%。 BioFiltro的口号是“蚯蚓驱动的解决方案”，该公司声称其技术“催化蚯蚓和微生物的消化能力，去除高达99%的废水污染物”。 但米特洛纳质疑无脊椎动物在这个过程中发挥的作用有多大，称其为“一种引人入胜的叙述”。 他的看法更简单：岩石和木屑形成了一种多孔过滤器，将粪便泻湖的厌氧环境替换为好氧环境。而在这种富氧环境中，不同类型的微生物会大量繁殖。 他的研究表明，这些微生物在将粪便中的氮化合物转化为氮气（一种无害气体，占地球大气的78%）而不是氨方面非常有效。这很值得注意，因为粪便中的氨在施用到田地时虽然是一种肥料，但它也会转化为可以渗入地下水的硝酸盐。 几项更近期的研究（部分或全部由BioFiltro及其区域分销合作伙伴之一Organix资助）得出了类似的有希望的结果（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35507691/）。例如，2022年的一项研究（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2