食品廃棄物の堆肥化による気候変動緩和の可能性を評価する

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7608 (2023) この記事を引用 2984 アクセス数 54 Altmetric Metrics の詳細食品廃棄物は埋め立て地の主要な有機成分であり、地球規模で大規模な廃棄物です。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7608 (2023) この記事を引用

2984 アクセス

54 オルトメトリック

メトリクスの詳細

食品廃棄物は埋め立て地の主要な有機成分であり、世界的な温室効果ガスの大きな発生源です。食品廃棄物の堆肥化は排出量削減の潜在的な機会をもたらしますが、山全体、商業規模の排出量、および関連する生物地球化学的要因に関するデータが不足しています。私たちは、三次元の商業規模のウインドロー堆肥堆積に最適化された非侵襲的な微気象学的物質収支アプローチを使用して、食品廃棄物の堆肥化中のメタン (CH4)、亜酸化窒素 (N2O)、および二酸化炭素 (CO2) 排出量を継続的に測定しました。温室効果ガスのフラックス測定は、継続的な酸素 (O2) センサーと温度センサー、および生物地球化学プロセスのための集中的なサンプリングによって補完されました。排出係数 (EF) は 6.6 ～ 8.8 kg CH4-C/Mg の湿った食品廃棄物の範囲であり、主に低酸化還元と散水イベントによって引き起こされました。堆肥化により、N2O 排出量が少なくなりました (N2O-N/Mg 湿った食品廃棄物が 0.01 kg)。食品廃棄物の堆肥化の全体的な EF 値 (CH4 + N2O) は、乾燥食品廃棄物 1g あたり 926 kgCO2e でした。堆肥化による排出量は同等の埋め立てフラックスよりも 38 ～ 84% 低く、カリフォルニア州では 2025 年までに正味最小で 1.4 MMT CO2e の削減が見込まれます。私たちの結果は、食品廃棄物の堆肥化が排出量の削減に役立つことを示唆しています。好熱期の回転の増加と全体的な散水の減少により、排出量がさらに削減される可能性があります。

世界の食料生産の 3 分の 1 以上が廃棄物の流れに入り、温室効果ガス (GHG) 排出の一因となっていると推定されています 1,2。食品ロスと廃棄物 (FLW) からの平均ライフサイクル GHG 排出量は、世界では 1 人当たり 124 g CO2e、高所得国では 1 人当たり 315 g CO2e と推定されています3。米国では、FLW は 73 ～ 152 MMT/年、つまり 1 人当たり年間 223 ～ 468 kg の範囲にあります4 (MMT = 100 万トン)。この国で最も重要な FLW 管理経路は、埋め立て (56%)、制御燃焼 (12%)、共消化/嫌気性消化 (8%)、および下水/水処理 (6%) であり、堆肥化は約 4.1 にすぎません。 %5。食品廃棄物は、他の有機廃棄物（木材、紙、庭の端材）と比較した場合、分解可能な有機炭素（C）の割合が最も多く、埋め立て地での GHG 生成速度定数が最も高くなります（2,708 kg CO2e/乾トン）6。埋め立て地は、主に C に富む有機廃棄物の嫌気性分解によるもので、米国の GHG インベントリの中で 3 番目に大きな CH4 排出源です7、8、9、10。ライフサイクル評価 (LCA) 研究では、従来の管理戦略ではなく、好気性堆肥化または嫌気性消化によって有機廃棄物を管理すれば、かなりの GHG 削減が達成できることが示唆されています 11。

堆肥化は、管理された有機物分解の一形態です。典型的な商業規模の好気性堆肥化の実践には、容器内、ウィンドロウ内、および強制曝気静的パイル内での堆肥化が含まれます12。米国では、堆肥化は一般に屋外施設の窓列や静置杭で行われます13。窓条や静置杭における有機物の分解は、堆肥化中に温度的に定義された 4 つの個別の段階を通過します。初期段階の分解は中温性 (25 ～ 40 °C) で特徴づけられ、最も容易に分解可能な物質が二酸化炭素 (CO2) と微生物生成物に変換されます。微生物の活動とそれに伴う温度の上昇により、好熱性相 (40 ～ 65 °C) が生じます。この段階での微生物の活動率が高いと、酸素 (O2) が枯渇し、メタン生成などの嫌気性微生物プロセスが蔓延する可能性があります 14,15。嫌気性の進行を制限するために、堆肥化プロセス中に杭が定期的に機械的に回転されます。易分解性物質の量が減少し、より難分解性の有機物質の生成が増加すると、分解が遅くなり、第 2 中温性相中に温度が下がり始めます。堆肥化の最終段階は成熟と呼ばれ、温度が周囲レベルに戻るにつれて細菌バイオマスが減少し、菌類が増加することが特徴です14。

5 to > 13 m long, see methods section and supplementary material)./p> 40 °C)51. The latter is more likely to be the prevalent microbial process potentially responsible for N2O production in the compost pile55 given the temperature range recorded (> 40 °C) (Fig. 3a). The overall nitrification reaction releases hydrogen ion (H+), which likely contributed, along with the fermentation process, to the low pH values found in the beginning of the experiment20. This is supported by the overall inverse relationship between N2O and CO2 fluxes and pile temperature (Table 2a) and the highest measured fluxes found at a temperature range of 40 to 50 °C (Fig. 4e,f). As the thermophilic phase established, N2O fluxes decreased to levels below the detection limit of the analytical instrumentation. This was consistent with unsuitable conditions for ammonia- and nitrite-oxidizing bacterial growth (low O2 concentration and high temperature) or enhanced N2O consumption via denitrification (Fig. 4e)52. The consistently high \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) concentrations during the thermophilic phase suggests that \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) was not consumed until later in the experiment when temperatures started to decrease, and nitrifying/denitrifying processes were more likely to occur (Fig. 3g)./p> 70 °C), cellulose and lignin can be decomposed to monosaccharides, which react with \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) to form long-chain amino sugars, sugar acids, and imidazoles63. It is also possible that \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) was incorporated into humic-like substances64,65 which can be more prevalent at the end of the composting process66. This last process might be responsible for the immobilization of large amounts of \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) from day 50 to the end of composting, when \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) concentrations dropped by half and the mean C:N ratio significantly decreased to values < 16 (Fig. 3i). The fact that N mineralization rates were progressively less negative from day 50 to the end of the composting process suggests that \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) assimilation occurred via the above-mentioned processes, consumption via nitrification, and/or NH3 volatilization given the increase in pH. Further compost chemical characterization by 15N- and 13C- NMR spectrometry and measurements of NH3 emitted during compost process would facilitate the quantification of N dynamics during compost-related decomposition. A key result here is that the food waste composting process did not appear to produce large amounts of NO3- (values at least an order of magnitude smaller than those found for \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\), Figs. 3g,h) that could both drive higher N2O emissions and pollute local water resources./p> 13 m, see supplementary material). This CH4 EF is similar to the value reported for food waste composted in static aerated piles of municipal waste treatment plants in Germany using a gradient concentration method (up to 8.6 kg CH4–C/Mg wet FW, Table S2 supplementary material)69, but larger than other results where static and dynamic chambers were used (see Table S2). Estimates of EF values are likely affected by the experimental approach, particularly pile size, measurement frequency, type of bulking material, food waste/bulking material ratio and composting time length. We found generally larger EF values in studies performed at a facility scale29,69. A recent study compared a similar MMB approach and the dynamic chamber method in a green waste turned windrow compost pile and found that the dynamic chamber method EF estimates were always smaller, with a discrepancy of 40, 54 and 244% for CO2, CH4 and N2O, respectively37. Most of the previous studies of GHG EF estimates from food waste composting have used smaller size piles, laboratory incubations, static chambers or large open dynamic tunnel with total enclosure (see Table 2S for reference). All of these methodological approaches have limitations for capturing both the composting process under facility-scale pile conditions and inherited interference related to each applied method. To our knowledge, no previous study of food waste composting has been done at a facility scale measuring high frequency GHG fluxes as reported here. Thus, it is possible that the current approach was able to better capture total fluxes during the composting process./p>

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