《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Revolutionizing Waste Management: Exploring Cutting-Edge Innovations by CRISPR technologies in Composting and Vermicomposting
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蚯蚓堆肥（VCg）通过 earthworms 与微生物协同降解有机废物，转化为高效生物肥料，但存在处理周期长、病原体控制不足等问题。本文提出利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术优化微生物代谢通路，增强 lignocellulosic 分解能力，并构建工程化微生物-蚯蚓共生体系，有望提升 40-50% 的废物转化效率，同时需建立国际法规框架评估生物安全风险。
Niranjan Kumar Raviselvan Kavitha、Rajan Suyambu、Parthiban Pandian、Balasubramani Govindasamy、Arjun Pandian
印度泰米尔纳德邦Thiruvarur市Mannargudi 614001，M.R. Government Arts College（隶属于Bharathidasan大学）微生物学系及研究部门
摘要
蚯蚓堆肥（VCg）是一种环境可持续且经济可行的方法，通过利用蚯蚓（尤其是Eisenia fetida）以及多种微生物群落来处理固体有机废物。这一过程能够有效分解复杂的有机分子，稳定废物，并将其转化为富含营养的生物肥料。现代堆肥技术结合了离散或混合微生物菌群、化学物质和膨松剂，大大提高了效率和产品质量。然而，由于生物安全问题、监管复杂性以及经济考虑，直接在运营中的VCg系统中应用CRISPR-Cas基因编辑技术仍具有高度理论性，需要一个全面的评估框架。利用Cas9蛋白进行基因编辑可以有针对性地改变遗传序列，从而改善木质纤维素的分解、养分循环和病原体控制。经过工程改造的微生物菌群和高效的蚯蚓可能将废物消化率提高40-50%，提升蛭石的质量，并减少副产品。本文描述了现有的传统VCg技术，解释了蚯蚓和微生物如何分解废物，并批判性地评估了基因编辑技术（CRISPR-Cas9）在提高VCg效率、产品质量和环境影响方面的潜力。未来研究应重点在于开发耐受性强的转基因微生物菌群用于大规模堆肥，建立全面的国际监管机制来控制工程微生物和蚯蚓的释放，以及进行大规模、长期的环境影响评估。这种方法结合了古老的蛭石基堆肥技术与当前的基因工程技术，为改善废物管理和农业性能提供了巨大潜力。
引言
蚯蚓堆肥（VCg）是一种生态合理且经济可行的方法，可用于处理多种非危险性有机废物。近年来，研究人员在堆肥/VCg领域进行了多项探索，采用了改进的技术，并开发出许多成熟的有机肥料[1]。传统的蚯蚓堆肥（VC）生产和商业化周期通常为40至60天[2]。在有机肥料生产过程中应用技术优势包括养分循环利用，减少对化学肥料的需求，而化学肥料成本高昂且来源多为不可再生或清洁资源[3]。然而，不当处理有机废物可能导致氮（N）通过挥发流失，从而引发富营养化和环境破坏，这与病原体、抗生素和重金属的影响有关[4]。在这个生物氧化过程中，微生物与蚯蚓之间的共生关系促进了废物的矿化和降解[5]。高质量的堆肥材料含有丰富的养分和微量元素，这些成分通常在法规范围内[6]。堆肥过程需要氮（N）、磷（P）、钾（K）以及可生物降解的有机碳（OC）等必需营养素，以将各种固体有机物转化为稳定的产品[7]。良好的堆肥效果主要取决于废物的化学性质、微生物群落和环境因素[8]。
近年来，由于堆肥技术能够为市政和工业产生的各种有机固体废物提供更好的处理方案，因此受到了越来越多的关注[9][10]。该技术的优势包括控制不良气味、通过实施缓解策略减少温室气体（GHG）排放、保持卫生、回收养分作为肥料，以及降低废物处理的危险性[11][12][13]。蚯蚓在堆肥过程中主要消耗有机物质并产生营养丰富的蚯蚓粪，同时促进微生物的生长，加快分解速度。某些蚯蚓物种具有特定的生物和生态特性，有利于其生长和高产[15]。Eisenia fetida（红蚯蚓）以其快速繁殖能力和分解大量有机物的能力而著称[16]。Eudrilus eugeniae（非洲夜爬蚯蚓）因其体型较大和较高的有机物消耗率而受到重视[17]。蚯蚓作为有机肥料能够改善土壤结构，减少废物量，并提高堆肥中的养分含量[18]。因此，VCg是一种可持续且有助于环境保护和农业发展的有机废物处理方法[19]。
尽管效果显著，但传统VCg存在明显的问题，如成熟周期较长（60-90天）、病原体控制不稳定，以及分解初期会同时释放温室气体[20]。最近的改进措施主要集中在通过添加膨松剂和经验性微生物接种剂来优化工艺，但这些措施仅对分解效率和养分回收略有提升[21]。因此，有必要从实验驱动的废物管理转向精准生物技术解决方案[22]。合成生物学，特别是利用常见微生物（CRISPR-Cas9）进行的基因编辑，为重新设计VC微生物组的基本代谢途径提供了前所未有的可能性，例如针对木质纤维素的分解、氨化作用和重金属的生物修复，以克服目前限制VCg系统产量和质量的生物学瓶颈[23]。
许多研究致力于通过优化原料选择、膨松剂和微生物接种剂以及工艺工程来改进VCg；然而，大多数研究仍将堆肥和VCg视为一种基于经验的生物过程，很少将现代基因编辑概念纳入研究设计[24]。现有综述通常仅强调VC的农学和环境优势，或使用CRISPR-Cas系统单独改善作物和微生物，而没有全面探讨这些发展与VCg微生物组组织和性能的关系，以及蚯蚓与本土微生物群落的相互作用[25]。此外，关于合成微生物菌群和CRISPR驱动的代谢工程的研究表明，可以合理设计微生物菌群以加速木质纤维素的分解、重构群落代谢，并提高废物转化为有价值产品的效率。然而，这些技术尚未在基于VCg的废物管理背景下直接讨论[20]。因此，本综述旨在综合现有关于堆肥和VCg的生物学、化学和物理原理的知识，明确CRISPR-Cas及相关微生物组工程技术在其中的合理应用位置，并勾勒出利用基因编辑微生物、植物残余物和宿主相关微生物群创建下一代高性能VCg环境的未来路径，以实现废物管理和气候适应性农业[26]。本研究阐明了蛭石堆肥和大规模堆肥技术的最新趋势。因此，VC制造商需要密切监控堆肥过程，以减少其负面影响。通过推广VC在农业中的使用，种植者可以生产高质量的有机肥料，促进可持续农业方法的发展，并提高环境管理效率。报告还简要概述了堆肥过程及蚯蚓在VCg中的作用，并预测了堆肥和VCg技术的发展方向。
不同来源的蚯蚓堆肥（VCg）
蚯蚓堆肥对于固化无毒有机废物并将其转化为可用于农业的肥料至关重要。多项研究表明，家庭、农业和工业有机废物可通过蚯蚓堆肥成功处理（见图1）。以下段落对这些研究进行了简要描述。
蚯蚓堆肥在植物生长中的作用
蚯蚓堆肥中含有大量微生物，包括真菌、细菌和放线菌。这种混合微生物群不仅增加了土壤的微生物多样性，还通过积极影响促进了植物生长。蚯蚓堆肥中的酶和激素有助于保持水分、提高土壤肥力并促进植物生长。
蚯蚓
蚯蚓种类繁多，已鉴定出超过4000种，大致可分为三类：地表栖息型（表层蚯蚓）、地下栖息型（深层钻洞蚯蚓）和内栖型（浅层钻洞蚯蚓）[100]。许多研究者研究了内栖型和地表栖息型蚯蚓的堆肥能力（补充表1）。尽管蚯蚓种类多样，但地表栖息型蚯蚓具有最强的堆肥潜力。
蚯蚓堆肥的化学性质
从化学角度来看，蚯蚓堆肥富含营养元素，如氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）和锌（Zn）。在生产过程中，蚯蚓堆肥中的Ca、Mg、硫（S）、Zn和锰（Mn）含量显著增加[55]。蚯蚓堆肥作为一种生物接种剂，通过提供更多的氮和磷来提高作物产量，促进根系生长，使植物更容易吸收养分[107]。它通常含有丰富的有机物质（OM）。
CRISPR技术及其在蚯蚓堆肥中的潜在应用
CRISPR技术在农业领域展现出巨大潜力，特别是在培育抗病作物、提高作物收获后品质和储存方面。该技术可用于调控植物基因，使其具备抗病能力，并在双子叶植物中形成分生组织[122]。此外，CRISPR技术允许插入大段DNA，从而增强基因靶向的效果（图3）。尽管其直接应用尚有限
挑战与未来前景
近年来，关于蚯蚓堆肥的研究取得了显著进展，推动了堆肥技术的进步，相较于传统方法取得了显著优势[152]。这些新技术利用了各种添加剂和膨松剂来改变堆肥过程中的细菌种群，从而提高了堆肥的质量[153]。本综述旨在详细探讨蚯蚓在堆肥过程中的特殊功能和机制
局限性
尽管蚯蚓堆肥具有广泛应用的潜力，但仍面临诸多限制和挑战。其中一个问题是分解过程中产生的异味令人不适，可能导致人们不愿使用这种方法。了解不同地区的具体条件至关重要，因为适用的技术并不通用。需要进行可行性分析，以确定某种技术是否适用于特定环境。
作者贡献声明
Rajan Suyambu：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、方法论、调查、数据分析、概念化。Niranjan Kumar Raviselvan Kavitha：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、资源协调、方法论、概念化。Balasubramani Govindasamy：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源协调、方法论、数据分析、概念化。利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系/个人关系：Balasubramani Govindasamy获得了Saveetha医学与技术学院的行政支持、统计分析和写作协助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
研究工作得到了M.R. Government Arts College（隶属于Bharathidasan大学）、Ponnaiyah Ramajayam科学技术学院（PRIST，视为大学）以及Saveetha医学与技术学院（SIMATS，Chennai-602105，泰米尔纳德邦）提供的必要支持。
作者贡献
NKRK和PP撰写了初稿，RS进行了审稿和修订，AP和BG负责可视化处理、语法检查、数据分析及文章润色。
作者声明没有其他利益冲突
