《Industrial Crops and Products》：Synergistic rhizosphere microbiome assembly in self-elevating ultra-high temperature compost-derived bioactive seedling substrates: Mechanistic insights and field applications for sustainable peat replacement
编辑推荐：
生物基育苗基质、超高温堆肥、重金属生物有效性、抗生素抗性基因、植物生长促进、微生物群落、土壤酶活性、可持续农业、有机废物资源化、育苗技术优化
在现代农业和园艺领域，育苗基质扮演着至关重要的角色，它不仅为植物根系发育提供了理想环境，还促进了植物健康生长。随着农业生产的发展，传统以泥炭为主要成分的商业基质因其良好的物理化学特性被广泛应用。然而，泥炭的开采和使用带来了诸多环境问题，例如湿地生态系统的退化、生物多样性的丧失、温室气体排放的增加，以及重金属和持久性有机污染物等有害物质的释放。此外，泥炭资源的日益枯竭和成本上升，加上许多国家对泥炭使用日益严格的政策限制，使得寻找可持续且安全的替代基质变得尤为迫切。
面对这一挑战，研究团队开发了一种独立自主的自升式超高温堆肥（sf-HTC）技术，该技术能够在短时间内将牛粪、鸡粪和秸秆高效转化为安全、可持续的生物基育苗基质。实验结果显示，在28天内，sf-HTC技术显著降低了重金属的生物可利用性达65%，同时减少了抗生素耐药基因（ARGs）的丰度达74%，从而大幅提升了基质的生态安全性。温室和田间试验进一步表明，含有40%鸡粪的基质（B40）相比传统泥炭基质，显著提升了幼苗活力，增加了幼苗的生长速度，提高了果实的维生素C、可溶性糖、番茄红素和辣椒素含量。这些改进不仅体现了sf-HTC技术在提升植物生长和果实品质方面的潜力，也展示了其在减少环境风险方面的有效性。
在技术层面，sf-HTC通过维持堆肥温度高于80°C，显著加速了有机物的分解和营养物质的循环，同时缩短了堆肥周期，通常在40天内完成发酵过程，而传统堆肥通常需要超过60天。此外，sf-HTC还有效去除了病原体、杂草种子和昆虫卵，其灭活率常常超过99%，而传统堆肥的灭活率一般在80%左右。更重要的是，该技术显著降低了重金属的生物可利用性（40-60%）和ARGs的丰度（50-65%），这些改善程度远高于传统堆肥。尽管sf-HTC技术在资源回收和环境友好方面展现出诸多优势，但其在减少有害物质风险和提升基质生态安全方面的具体机制尚未完全阐明。
本研究通过系统评估sf-HTC基质在温室和田间试验中的表现，填补了这一研究空白。结果表明，这些基质不仅能够有效转化有机废弃物并降低环境风险，还能通过有益的微生物相互作用提升作物生长和果实品质。这一发现为有机废弃物的高附加值利用和生物基育苗基质的工业应用提供了实践和科学基础，有助于推动绿色农业和生态可持续性的发展。
为了确保基质的适用性，研究团队在实验过程中对材料进行了系统的制备和表征。在吉林省隆源农业服务有限公司，使用12吨材料进行了堆肥实验，制备了两种混合物：牛粪与秸秆（比例为10:2吨）和鸡粪与秸秆（比例为7:5吨）。经过均质化和水分调节后，堆肥堆（高度2.2米，直径3.3米）通过穿孔底部管道进行间歇性通气。通气间隔（2-48小时）根据实时温度数据动态调整，确保了堆肥过程的高效进行。在实验过程中，样品分别在0、3、7、14、21和28天进行物理化学分析，堆肥产品在28天后经风干、研磨和过筛（<0.3毫米）制成基质。此外，研究还使用了100目筛的蛭石作为基质的一部分。
为了评估基质的物理化学特性，研究团队采用了多种分析方法，包括电感耦合等离子体光谱分析（ICPS-7500）和自动元素分析仪。基质的孔隙率和体积密度通过环刀法测量，pH值和电导率（EC）则在基质与水的比例为1:10（体积比）下测定。有机质的含量通过重铬酸钾法测定，总氮含量通过Kjelloff法测定，而可利用氮、磷和钾则通过碱性水解扩散法、钼-锑抗比色法和乙酸铵提取后火焰光度法进行测定。这些分析方法为基质的特性提供了全面的评估，确保了其在实际应用中的可靠性。
在温室试验中，研究团队在人工气候室中进行了植物生长和发育实验。每日光照时间为16小时，平均日间温度为32/25℃。番茄种子（品种“中研988”）和辣椒种子（品种“中椒6号”）由北京市农业科学院提供。种子在黑暗条件下发芽后，被种植在含有不同基质的育苗盘中。每个处理组包含15个孔，种子定期浇水。在田间试验中，基质-幼苗复合体被直接移植到实验农场的田块中，确保根系和附着的基质充分嵌入土壤并被良好覆盖，以促进根系与土壤的紧密接触和后续生长。田块被安排为垄状，每个作物（番茄和辣椒）分配五个垄，每个垄接受不同的基质处理。整个生长季节中，根据需要进行灌溉，并遵循标准的田间管理措施。
为了评估植物生长、果实发育和品质，研究团队对不同处理组的植物进行了多项测量。在实验结束时（30天），植物被收集，测量其高度和茎的直径。部分样品被干燥以测定干重（DW）和鲜重（FW）。幼苗活力指数基于收集的数据计算，详细步骤见补充材料Text S2。在田间移植后，研究团队每15天监测番茄和辣椒的生长情况，包括测量植物高度、茎的直径、叶片数量和根系发育情况。番茄在移植后约60天达到果实成熟，而辣椒则在约65天达到成熟。成熟后，样品被收集以测定植物高度、茎的直径、地上和地下生物量以及根系生长情况。每株植物的果实产量也被记录。所有测量均按照标准的农业研究方法进行，以全面评估不同处理对田间生长和产量性能的影响。
在果实的营养和植物化学分析中，番茄和辣椒果实被清洗、冲洗并风干以去除表面水分，然后在-20℃下储存直至分析。在测量前，冷冻果实被冷冻干燥，研磨成细粉，并通过60目筛进行筛分。粉末被密封并在黑暗中储存以备后续使用。维生素C含量通过DCPIP滴定法测定，总酚含量通过Folin-Ciocalteu法测定，总类胡萝卜素含量通过在450nm处的比色法进行测定。可溶性糖含量通过在620nm处的蒽酮-硫酸法进行测定。有机酸、番茄红素和辣椒素则通过高效液相色谱（HPLC）进行测定。
为了评估酶活性和土壤功能指数，研究团队在实验结束时对新鲜叶片和处理后的果实进行了液氮研磨处理，以测定不同处理组番茄和辣椒的酶活性。过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和谷胱甘肽转移酶（GST）通过苏州康明生物科技有限公司的试剂盒进行测定。植物厌氧呼吸酶的试剂盒，包括丙酮酸脱羧酶（PDC）、酒精脱氢酶（ADH）和乳酸脱氢酶（LDH），以及多酚氧化酶（PPO）、丙二醛（MDA）、叶绿素、过氧化氢（H?O?）、超氧阴离子和土壤脲酶（S-UE）及土壤碱性磷酸酶（S-ALP）由Solarbio提供。脂氧合酶（LOX）活性则通过上海基因医学科学公司购买的商业试剂盒进行测定。土壤功能指数如有机质、可利用营养物质和生物量碳也按照标准协议进行测定。
为了提取微生物样本的DNA并进行高通量测序分析，研究团队使用PowerSoil DNA分离试剂盒从0.25克的基质土壤中提取DNA。DNA的质量和浓度通过NanoDrop分光光度计（Thermo Fisher Scientific, MA, USA）进行评估，并基于260/280nm和260/230nm处的吸光度比进行质量控制。对于细菌群落分析，使用806R和515F引物扩增16S rRNA基因的V4区域。高通量测序在Illumina NovaSeq 6000平台上进行，数据处理和分析在Majorbio平台上完成。关于测序深度和质量控制标准的详细步骤见补充材料Text S3。
为了分析根际微生物群落的组装，研究团队采用了基于系统发育的零模型分析和iCAMP模型。iCAMP分析中，将扩增子序列变异（ASVs）根据其进化相关性分组为系统发育桶，这些桶是通过构建的系统发育树推断得出的。具体而言，每个桶由将ASVs聚类为最大成对系统发育距离为0.02的序列组成，并且只有包含至少12个ASVs的桶才被保留用于后续分析。iCAMP框架区分了五种生态过程，包括确定性过程—异质选择（HeS）和同质选择（HoS）以及随机性过程—同质扩散（HD）、扩散限制（DL）和漂移（DR）。HoS和HeS反映了在不同环境条件下微生物群落所受的选择压力，而HD和DL代表了不同类群之间扩散率变化所驱动的群落周转。DR则反映了微生物相对丰度的随机波动。
实验过程中，每个实验均重复三次。数据在Excel中进行处理，单因素方差分析（ANOVA）和 Duncan 测试（p < 0.05）在 SPSS 27.0 中进行，以比较不同处理对生长、形态和酶活性的影响。图表在Origin 7.5中生成。
实验结果表明，新型sf-HTC系统能够快速提升堆肥温度，在短时间内达到峰值86.3°C和83.2°C。高温阶段（>60°C）持续14天，显示出高效且稳定的运行性能。在堆肥过程中，C/N比显著下降，反映了碳的分解和氮的积累，表明堆肥材料得到了充分的成熟。pH值在初期下降，随后上升并最终稳定，这一趋势与有机酸的生成和酸性中间产物的分解密切相关，表明最终的堆肥产品达到了适合植物生长的平衡pH值。电导率在堆肥的中期阶段逐渐上升，达到峰值后略有下降，表明无机盐如钾、钠和磷酸盐的逐步积累和最终稳定。最终产品的盐度适当，不会对植物生长造成压力。
在堆肥过程中，腐殖质（HS）和有机质（OM）含量发生了显著变化，并在第28天稳定在76.4克/千克和469.2克/千克。这一发现表明有机材料得到了彻底的分解、腐殖化和稳定，大大提高了堆肥产品的营养含量和质量。为了应对重金属积累的安全问题，研究团队分析了原料和堆肥产品中五种代表性重金属的浓度。结果表明，原料中这些重金属的含量范围在0.08到28毫克/千克之间。经过28天的sf-HTC处理后，这些重金属的浓度保持稳定或略有上升，这主要归因于堆肥过程中有机质的损失。值得注意的是，最终堆肥产品中所有重金属的含量均低于有机肥的国家标准，表明该堆肥产品在农业应用中的安全性。此外，该技术显著改变了重金属的形态，有效降低了其环境风险。许多研究表明，堆肥可以有效降低重金属的生物可利用性。传统堆肥通常在55-65°C下运行2-3个月，其去除效率通常低于50%。
近年来，超高温堆肥（>80°C）已被证明能够加速有害成分的稳定化，但大多数报告的系统依赖于外部加热或高能耗设备，处理时间通常在30-60天之间，其去除生物可利用性成分的效率仅为50-60%。在本研究中，我们采用了一种自主研发的自升式超高温堆肥（sf-HTC），该技术不需要外部加热，而是利用定制的嗜热微生物群落在短时间内将堆肥温度提升并维持在80°C以上（
Duan et al., 2025）。我们的结果表明，在28天内，Cu和Cd等重金属的生物可利用性成分（可交换+可还原）的去除率超过65%，这比现有类似技术的去除率显著更高。例如，Cd的可交换成分从初始水平减少了超过60%，而残留成分增加了约40%。这些发现表明，我们的方法在重金属风险控制方面既高效又绿色环保，为有机废弃物的资源利用和环境安全提供了优越的途径。
同时，研究团队分析了ARGs的丰度变化，发现sf-HTC处理过程中，这些ARGs的含量显著减少（p < 0.05）。例如，在牛粪中，tetA的丰度从6.72降至5.80 log10（copies/g），去除率高达88.0%，而blaCTX-M的丰度从6.04降至5.23 log10（copies/g），去除率高达84.5%。在鸡粪中，这些ARGs的去除率范围从85.9%（sul1）到90.2%（blaCTX-M）。这些结果表明，自升式超高温堆肥能够有效去除多种ARGs，从而降低其在环境中的传播风险。这突显了高温和微生物活动对ARGs去除的协同效应。
综上所述，sf-HTC技术显著提高了堆肥产品的物理化学稳定性和营养质量，增强了重金属的稳定化，提高了ARGs的去除效率。这些优势大幅提升了基质的环境安全性和应用价值，为有机废弃物的安全循环利用和可持续农业的发展提供了坚实的科学和实践基础。
在田间应用中，研究团队发现，B40和A40处理组的番茄和辣椒植株表现出显著更高的植物高度、茎的直径和根长，这与基质中较高浓度的必需营养元素和微量元素有关，特别是鸡粪中较高水平的镁和钙，这对根系和叶片的发育以及光合作用效率至关重要。此外，基质的生物量分析进一步支持了这些发现，B40和A40处理组的番茄和辣椒幼苗的鲜重和干重均显著高于对照组（CS）。值得注意的是，B40处理组的番茄幼苗在20天时的生物量与对照组在30天时的生物量相当，表明B40基质能够有效缩短幼苗培养周期。B40的优越性能归因于其优化的营养成分和关键元素的更好可利用性。
研究团队还发现，B40和A40处理组的番茄和辣椒植株在果实品质方面表现出显著提升。维生素C含量（
Fig. 5a）和类胡萝卜素含量（
Fig. 5b）均显著增加。在番茄中，B40显著增强了番茄红素的积累，而在辣椒中，A40则带来了最高的辣椒素含量。这些结果进一步表明，生物活性基质对关键生物活性次级代谢产物的积累具有促进作用。此外，可溶性糖含量（
Fig. 5d）和有机酸含量（
Fig. S8a
在抗氧化酶活性分析中，B40和A40处理组的POD、SOD和CAT活性显著增加，而MDA水平下降，这表明果实的抗氧化能力增强，减少了脂质过氧化并保持了组织完整性。此外，生物活性基质处理组的PPO活性显著增加，而LOX活性减少，这表明增强了果实的防御反应和采后稳定性，同时减少了膜脂质过氧化并延缓果实衰老。值得注意的是，热图分析（Fig. 5c, f）表明，抗氧化酶活性与果实品质特征呈正相关，这表明优化的基质特性和营养释放可能通过调节植物的生理和氧化状态间接提升了果实的营养和功能品质。这些效果可能归因于生物活性基质的优化营养释放效率和有益根际微生物群落的激活，特别是那些参与氮、磷和钾循环的微生物群落。
在田间试验中，研究团队发现，生物活性基质的应用显著提升了土壤酶活性（脲酶和磷酸酶）和根际微生物群落的组成与网络结构。这表明生物活性基质的有益作用不仅局限于育苗阶段，还在田间环境中持续并进一步放大，突显了其在生态应用中的重要潜力。土壤酶活性分析（
Fig. 3a, b）显示，A40和B40处理组的S-ALP活性显著增加，而S-UE活性减少，这表明A40和B40处理组增强了磷循环并改变了氮转化过程，反映了优化的微生物群落对土壤养分动态的深刻重塑。此外，土壤理化性质的测量（
Fig. S6）表明，A40和B40处理组将土壤pH值调整至接近中性，并降低了EC，从而创造了更有利于微生物活动和植物生长的环境。
微生物群落结构分析（
Fig. 3c, e）进一步确认了A40和B40处理组显著增加了有益菌群如Bacillus subtilis、Azospirillum和Nocardia在田间土壤中的比例。这些有益菌群不仅促进了土壤酶活性（脲酶和磷酸酶）的增加，还提高了总碳含量，从而改善了土壤肥力和微生物生态功能。此外，研究团队还测量了不同处理组中关键功能微生物群落的变化（
Fig. 6和
Table 2），发现这些变化与可利用微量元素（Zn、Fe）和有机质含量的增加以及果实品质的改善密切相关，揭示了“微生物-土壤性质-微量元素-作物品质”的协同机制。与以往研究一致，根际微生物群落促进了重金属从移动和生物可利用形式向更稳定和不可生物利用形式的转化。通过微生物介导的生物稳定化，这些过程有效降低了环境和食品安全风险。
此外，研究团队发现，根际微生物群落在加速残留抗生素的降解和减少ARGs的传播方面发挥着关键作用，从而提升了土壤系统的生态安全性。在本研究中，我们还发现，根际微生物群落促进了关键营养元素如氮、磷和钾的高效循环，直接刺激了根系发育、植物活力和营养吸收。这些过程共同提升了作物生长和生物量积累，并改善了果实品质。综上所述，本研究系统地揭示了生物活性基质通过协调调控根际微生物功能、重金属稳定化和高效营养循环，从而促进作物生长、作物品质和环境风险缓解的机制，建立了多维的机制网络，以确保作物安全和高产。
与以往仅关注基质理化性质或个体微生物效应的研究不同，本研究创新性地整合了sf-HTC过程、功能微生物群落调控和作物品质提升，从而揭示了“基质-微生物-土壤性质-作物品质”多机制协同的全面路径。这些机制为有机废弃物的高附加值转化和生态风险管控提供了科学依据，同时为受保护园艺、工业作物和生态恢复中的可持续农业模型发展开辟了新的途径，显示出大规模应用和推广的广阔前景。
