水热炭农业安全利用新策略：基于非靶向代谢组学的低分子量有机化合物植物毒性及促生效应解析

本研究针对水热炭（hydrochar）农业应用中存在的植物毒性问题，通过非靶向代谢组学（UHPLC-MS）技术解析了低分子量有机化合物（LMWOCs）的组成特征，揭示了酚类衍生物、PAHs和呋喃类物质的毒性机制，并提出通过共水热碳化（co-HTC）混合原料（花椒枝与猪粪）显著降低毒性成分（63.9–90.7%），同时富集吲哚和氨基酸类促生物质。研究为农业废弃物安全资源化提供了温度-原料配比优化方案（200°C，40–60% ZB），兼具环境与农业价值。

　　

随着现代农业发展，中国每年产生超过7亿吨农作物秸秆和1100万吨畜禽粪便，其处理成为可持续发展的重要挑战。水热碳化（Hydrothermal carbonization, HTC）技术能将这类有机废弃物转化为富含碳的水热炭（hydrochar），在土壤改良和资源循环中展现出巨大潜力。然而，水热炭中存在的植物毒性物质——尤其是低分子量有机化合物（LMWOCs）——严重限制了其农业应用。既往研究表明，酚类、5-羟甲基糠醛（5-HMF）和多环芳烃（PAHs）等物质会抑制种子萌发，但具体毒性机制和调控策略仍不明确。

西南大学的研究团队通过非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）结合随机森林模型，系统解析了花椒枝（ZB）和猪粪（SM）在不同HTC温度（180–220°C）下产生的LMWOCs组成差异及其植物效应。研究发现，单一原料制备的水热炭提取液可使种子萌发指数（GI）降低18.6–96.0%，毒性物质以4-甲基邻苯二酚、酪醇和5-HMF（相关性r = –0.81至–0.88）为主，且随HTC温度和木质纤维素含量增加而富集。而通过共水热碳化（co-HTC）将ZB与SM以1:1混合处理时，毒性LMWOCs减少63.9–90.7%，同时富集了促生长的吲哚类和氨基酸。响应面优化进一步表明，在200°C、ZB占比40–60%条件下制备的水热炭GI>70%，实现了废弃物增值与作物安全的平衡。

研究主要采用以下技术方法：1）UHPLC-MS非靶向代谢组学分析LMWOCs；2）种子萌发实验（油菜品种）评估植物毒性；3）随机森林模型识别关键毒性标志物；4）响应面法优化co-HTC工艺参数。

关键结果

1. 水热炭对种子萌发的抑制作用
   所有水热炭提取液均表现出剂量依赖性GI下降，其中纯ZB-derived hydrochar在220°C时GI降幅最大（96%），而co-HTC样品毒性显著降低。

2. LMWOCs的组成与温度关联性
   高温（220°C）促进酚类衍生物和PAHs生成，如4-methylcatechol在ZB-hydrochar中占比达12.4%；而SM-derived hydrochar富含氮杂环化合物（如吡啶衍生物）。

3. co-HTC的协同减毒机制
   ZB与SM共处理时，木质纤维素分解产物与含氮组分发生Maillard反应，减少毒性呋喃类形成，同时促进植物激素前体（如色氨酸）积累。

4. 工艺优化与验证
   响应面模型确定200°C为临界温度，此时ZB占比40–60%的水热炭GI>70%，且DOM中促生物质（吲哚-3-乙酸）浓度提升2.3倍。

结论与意义
该研究首次从代谢组学层面阐明了水热炭植物毒性的化学基础，证实co-HTC可通过原料相互作用重构LMWOCs组成，实现“减毒增效”。提出的温度-原料配比优化方案为农业废弃物安全利用提供了可量化标准，推动水热炭从实验室研究走向规模化农业应用。论文发表于《Environmental Research》，对循环农业和土壤修复领域具有重要指导价值。