噬菌体在堆肥过程中影响有机物的转化

《Microbial Biotechnology》：Phages Shape the Transformation of Organic Matter During Composting

噬菌体通过调控微生物Y-A-S策略影响有机质转化：温和噬菌体丰度升高促进微生物生长策略（Y），导致微生物来源DOM富集，而烈性噬菌体优势阶段（初期/末期）则促进资源获取策略（A），增加植物来源DOM。研究表明温度与噬菌体类型比例共同驱动DOM组成动态，为优化堆肥工艺提供新视角。

　　
该研究系统探讨了有机废弃物堆肥过程中病毒群落动态及其对微生物生命策略和溶解有机物（DOM）组成的影响机制。通过整合宏基因组测序、质谱分析及机器学习模型，研究发现病毒群落的生态分异对有机质转化具有关键调控作用。

在研究方法上，采用双端测序技术（Illumina NovaSeq 6000平台）结合ESI傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）构建多维分析体系。通过解析12组重复堆肥试验的60个样本数据，建立了病毒生态位与微生物代谢策略的关联模型。研究特别创新性地将温和噬菌体与烈性噬菌体的相对丰度作为核心变量，结合Y（生长策略）、A（资源获取策略）、S（胁迫耐受策略）三维生命策略框架，揭示了病毒生态与有机质转化的耦合机制。

研究发现，堆肥中期（第25天）病毒群落呈现显著生态转型：温和噬菌体相对丰度从初期的70%激增至峰值85%，而烈性噬菌体则从13.1%骤降至4.8%。这种动态变化与微生物代谢策略产生协同效应，Y策略微生物比例从初期的18.9%跃升至49.1%，推动微生物源性DOM占比提升至91.6%。质谱分析显示，微生物源性CHO（碳水化合物）比例在堆肥中期达到峰值71.6%，其分子特征（H/C=1.35，O/C=0.42）与典型微生物残留特征高度吻合。

值得注意的是，植物源性DOM的转化呈现与病毒群落相反的动力学特征。质谱检测显示木质素类物质（O/C=2.8）在堆肥初期占比达43.2%，随着堆肥进程推进，该比例下降至28.7%。这种转变与烈性噬菌体主导期（第1-6天及37-45天）的生态效应密切相关：病毒裂解作用促使胞内储存的植物源性碳源释放，经二次代谢形成短链有机酸（如柠檬酸、苹果酸），其H/C=1.15的分子特征被系统归类为植物源性DOM。

机器学习模型（随机森林）揭示多重关键驱动因子：病毒生态位（Uroviricota占比83.3%）和温和/烈性噬菌体比值（R2=0.497）对微生物Y-A-S策略的变异解释度达10%-13%。特别值得注意的是，微生物Y策略与木质素降解酶（如C5氧化酶、C6水解酶）的丰度呈显著正相关（r=0.472，p<0.01），而A策略则与磷酸酶（r=0.393）和纤维素酶（r=0.421）活性存在统计学关联。

该研究首次揭示了病毒生态位在堆肥热力学过程（升温期/降温期）中的动态响应机制。在升温期（第25天，温度达78℃），温和噬菌体通过溶原周期整合的辅助代谢基因（AMGs）显著增强宿主分解木质素的能力，促进微生物源性DOM的合成。这种作用在鸡粪堆肥体系中尤为显著，木质素降解酶活性提升3.2倍，对应微生物源性CHO比例增加19.8个百分点。

相反，在低温期（第1天及第45天，温度<40℃），烈性噬菌体通过裂解作用释放胞内储存的植物源性碳骨架。质谱分析显示，该阶段植物源性DOM的分子特征（如木质素衍生物O/C=3.1）与微生物源性物质（O/C=0.42）形成鲜明对比。酶活性检测进一步证实，低温期磷酸酶活性达0.78 mg/g·h，显著高于高温期的0.32 mg/g·h，表明植物源碳的矿化效率在低温阶段更为活跃。

研究构建的“病毒-微生物-DOM”三级调控模型显示：当温和噬菌体占比超过65%时，Y策略微生物通过同化作用将60-70%的可利用碳（TN=0.42%，TP=0.18%）转化为胞内碳咜存；而烈性噬菌体占比超过30%时，A策略微生物通过分泌胞外酶（如纤维素酶、木质素过氧化物酶）将35-45%的可利用碳转化为可溶性有机酸（如柠檬酸、苹果酸）。这种动态平衡直接影响堆肥产品的腐熟度与肥效。

该研究在多个层面具有突破性意义：首先，建立了病毒生态位与微生物代谢策略的定量关联模型，发现温和噬菌体每增加1%丰度，Y策略微生物丰度相应提升0.82%（95%CI:0.76-0.88）；其次，揭示了DOM分子组分的病毒调控机制，发现木质素降解酶活性与病毒裂解效率呈负相关（r=-0.43）；再者，创新性地提出“病毒热力学假说”，认为40-60℃是温和噬菌体基因沉默（gs）调控的关键温度区间，该效应可使宿主木质素降解效率提升2.3倍。

研究进一步验证了“双路径协同模型”：在升温期（第25天），微生物Y策略主导的胞内合成途径贡献率达68.4%，对应DOM中微生物残留碳占比提升至89.2%；而降温期（第45天），A策略主导的胞外分解途径贡献率升至73.6%，推动植物源性DOM占比回升至12.7%。这种动态平衡确保了堆肥过程既保持高效有机质转化，又维持产物稳定性。

该成果为有机废弃物处理提供了新的理论框架：通过调控堆肥环境参数（如温度维持55-65℃、湿度60-70%），可定向调控病毒群落结构，从而优化微生物代谢策略。实验数据显示，在维持高温期的条件下，堆肥样品中微生物残留碳比例可提升至91.7%，而植物源碳残留比例降低至8.3%。这为精准堆肥调控提供了重要依据，特别是在秸秆-畜禽粪便复合基质处理中，通过抑制烈性噬菌体（<30%）和促进温和噬菌体（>65%）可显著提升堆肥腐熟度与碳稳定性。

未来研究可进一步探索：1）病毒辅助代谢基因（AMGs）的时空分布特征；2）不同病毒属种对DOM转化的特异性调控机制；3）复合菌群中病毒-宿主互作网络的结构解析。这些研究方向将为构建基于病毒生态的智能堆肥系统提供理论支撑，对实现农业废弃物资源化利用和土壤碳汇功能提升具有重要实践价值。