一本正经地说，如何靠牛粪发论文

温馨提示：这是一篇可能有点味道的推送，建议阅读时避开饭点……

人生最重要的四件事是什么？吃喝拉撒。前两个讨论的很多，而后两个总是难登大雅之堂。不过，有很多科学家并不嫌弃后者，比如，越来越多的公共卫生组织、传染病专家、考古学家以及材料学家开始重视厕所和粪便的研究，2013年，第67届联合国大会通过决议，将每年的11月19日设立为“世界厕所日（World Toilet Day）”。

世界厕所日logo。图片来源：UN World Toilet Day 2022 ^[1]

更多的人口，需要消耗更多的食物，必然带来更多的五谷轮回。2018年，美国科学家在Nature Sustainability 杂志上发表论文，估算了全球人类和动物粪便对全球公共卫生构成的威胁 ^[2]。据他们计算，到2030年，全球每年产生的粪便总量约为3.9 × 10¹² kg（39亿吨），其中，动物粪便大约是人类粪便的四倍，牛粪更是主力军，约占畜禽粪便总量的32.8%左右 ^[3]。所以，好消息是……“牛粪有的是”……

图片来源：相声《我这一辈子》

将牲畜和人类的粪便制成粪肥，一直是东方文明农耕技术中重要的组成部分。早在战国时代，我国就有使用粪肥的记录。明清时，更是出现了商品化的粪肥——粪丹。中国科学家于2021年也在Nature Sustainability 杂志上发表论文，他们调查了20000多个农户，覆盖31个省的300多个村庄 ^[4]。研究发现，种植业和养殖业呈现规模化和独立化，种养结合比例从1986年的71.24%下降到2017年的12.15%。他们提出了一个“猪地比”概念，其逐年上升趋势反映了种养分离的过程，这也导致粪肥的使用率下降，造成了化肥过度使用、粪污排放的双重污染。

种植业和养殖业的独立化。图片来源：Nat. Sustain. ^[4]

事实上，随着现代测试技术的进步，科学家们也开展了一些“屎无前例”的研究，利用各种光谱、质谱、核磁共振来检测牲畜粪便的化学成分，并据此提出综合开发利用的意义和经济价值。从粪便中提取有机质、有机磷和有机氮，既成本低廉、来源丰富，又有助于环境无害化养殖业的发展。

随着养殖业规模化、集约化的迅速发展，粪便处理竟然也呈现出不同的细分领域。比如近日，苏格兰农学院的科学家与布里斯托大学、爱丁堡大学的研究者合作，统计了自2017年以来发表的与牛粪处理相关的论文，竟然有高达10万多篇 ^[5]。当然，其中约98.5%的论文主要研究了牛粪作为粪肥的应用，剩下的则是能源应用、环境污染修复，甚至还有24篇以牛粪为前驱体，合成制备了功能材料。

反刍动物粪便应用的论文调研。图片来源：Int. J. Biol. Macromol. ^[5]

研究者还提出了粪便经济的想法，并定义了“反刍动物废弃物生物量”（RWB），以及“反刍动物废物生物质衍生材料”（RWBDM）两个概念，简单地说就是反刍动物粪便，以及粪便提取物或者以粪便为原料制备的功能材料。以我国为例，2020年，我国产生的畜禽粪便就高达40亿吨，其中40%以上排放在自然环境中，未得到资源化利用或无害化处理 ^[6]。苏格兰农学院Vijai Gupta说：“我们描述了一些潜在的路线图，以考虑合成生物学路线，从牛粪中制造生物基材料，转向可持续、可循环的供应链供应。”^[7]

反刍动物粪便的综合利用。图片来源：Int. J. Biol. Macromol. ^[5]

另一个“振粪人心”的好消息是，牛粪除了是一种廉价、来源丰富且可持续的原料外，还有另外两个优点：未经处理的牛粪通常含有大量木质纤维素成分，包括14.2~32.3%的纤维素、12.2~24.4%的半纤维素以及6.1~14.4%的木质素；而且这些有机质仅需要相对较少的预处理，如干燥、洗涤、漂白和分离，即可提取。其化学分离过程通常也非常简单，碱洗可以得到半纤维素，而酸洗可以去除木质素。

木质纤维素的来源和结构。图片来源：Int. J. Biol. Macromol. ^[5]

实际上，牛粪作为能源应用，自古有之，牛粪在藏语中称为“久瓦”，干牛粪作为烧茶做饭的燃料已有千年的历史。近现代，牛粪也被用来作为发酵沼气的原料。不过，科学家们给牛粪赋予了更多新颖的应用，其中不乏一些有趣的想法。比如，有研究者优化了热解处理牛粪的方案，将其中的化学成分有效分离 ^[8]。

牛粪热解及产物分离。图片来源：J. Clean. Prod. ^[8]

有研究者将牛粪添加到甲烷制备的化工反应床中，作为二次燃料和磷资源，可以增加甲烷产量，减少磷矿开采不足对化工过程的限制 ^[9]。还有研究者以奶牛场产出的牛粪为原料，应用于微生物燃料电池，实现稳定发电110天以上 ^[10]。

添加牛粪提升甲烷产量。图片来源：Chem. Eng. J. ^[9]

不过，另外一些研究就仁者见仁智者见智了。比如，有研究者将牛粪用KOH水溶液预处理后，碳化得到了多孔碳，制备的超级电容器具有202 F g^-1的良好比电容 ^[11]，算是“蹭”上了超电的热点。我们也曾经聊过，来自伊朗的研究者发扬了“粪不顾身”的精神，煅烧牛粪制备了石墨烯（点击阅读详细）^[12]，据说与Hummers 法合成的石墨烯质量相当。2020年，为了嘲讽石墨烯领域论文灌水的乱象，Martin Pumera等人在ACS Nano 发表论文，认真地将鸟屎和石墨烯掺在一起，竟然提高了石墨烯的电化学催化性能 ^[13]。“我们相信鸟粪有潜力成为高附加值产品，希望不要因为鸟粪而打起贸易战，甚至发动战争”，作者如是调侃道，也算是科研圈里的行为艺术吧。

当然，也有科学家从环保角度出发，讨论了养殖业如何在2050年实现碳中和。比如，畜牧业是爱尔兰的核心产业，也因此贡献了全国34%的温室气体排放，其中，92%来自牛的排放，以及牛肉和牛奶的生产。利默里克大学的研究者在Nature Sustainability 杂志发表文章，以爱尔兰的农场为模型，在尽量不减少牛肉和牛奶产量的前提下，研究了如何依据气候行动法案规定，在2030年全国排放量需减少51%，2050年实现碳中和 ^[14]。

同期封面。图片来源：Nat. Sustain. ^[14]

能坚持读到这的，算是有“缘粪”吧。正所谓，大千世界，无奇不有，只有想不到，没有做不到。在科研圈日益内卷的今天，没有篇NS及子刊在科研圈仿佛难以立足。另辟蹊径或许是创新，但一味追求标新立异却可能只会“青屎留名”。

最后，笔者以这篇“奋笔疾书”的推送，祝大家愚人节快乐，在科研道路上“奋飞横绝”、“奋发有为”。

参考文献：

[1] WORLD TOILET DAY 2022

https://www.worldtoiletday.info/    

[2] D. M. Berendes, et al., Estimation of global recoverable human and animal faecal biomass. Nat. Sustain. 2018, 1, 679-685. DOI: 10.1038/s41893-018-0167-0

[3] 傅明阳, 畜禽粪便和秸秆资源化利用途径. 中国动物保健 2022, 2, 72-73.

[4] S. Jin, et al., Decoupling livestock and crop production at the household level in China. Nat. Sustain. 2021, 4, 48-55. DOI: 10.1038/s41893-020-00596-0

[5] T. R. Harrison, et al., From trash to treasure: Sourcing high-value, sustainable cellulosic materials from living bioreactor waste streams. Int. J. Biol. Macromol. 2023, 233, 123511. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.123511

[6] 李子富等, 水热碳化技术处理畜禽粪便的研究进展. 农业工程学报，2022, 38, 220-229.

[7] Cow dung possible sustainable material of the future, study finds

http://www.bristol.ac.uk/news/2023/march/cow-dung-research.html 

[8] J. Guo, et al., Effects of various pyrolysis conditions and feedstock compositions on the physicochemical characteristics of cow manure-derived biochar. J. Clean. Prod. 2021, 311, 127458. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127458

[9] C. Schott, et al., Innovation in valorization of cow manure: Higher hydrolysis, methane production and increased phosphorus retention using UASB technology. Chem. Eng. J. 2023, 454, 140294. DOI: 10.1016/j.cej.2022.140294

[10] G. Zhang, et al., Long-term operation of manure-microbial fuel cell. Bioresource Technol. 2015, 180, 365-369. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.01.002

[11] F. Shen, et al., Comprehensive utilization of dairy manure to produce glucose and hierarchical porous carbon for supercapacitors. Cellulose 2017, 24, 2571-2579. DOI: 10.1007/s10570-017-1267-0

[12] O. Akhavan, et al., Synthesis of graphene from natural and industrial carbonaceous wastes. RSC Adv. 2014, 4, 20441. DOI: 10.1039/c4ra01550a

[13] L. Wang, et al., Will Any Crap We Put into Graphene Increase Its Electrocatalytic Effect? ACS Nano 2020, 14, 21-25. DOI: 10.1021/acsnano.9b00184

[14] C. Duffy, et al., Randomized national land management strategies for net-zero emissions. Nat. Sustain. 2022, 5, 973-980. DOI: 10.1038/s41893-022-00946-0

（本文由小希供稿）