生物炭与二氧化锰通过核心微生物群体感应调控堆肥中氮素转化的机制研究

为解决农业废弃物堆肥过程中氮素损失和转化效率低的问题，研究人员探讨了生物炭（biochar）和二氧化锰（MnO2）对亚麻沤麻废水（FRW）堆肥体系氮素转化的调控机制。研究发现，生物炭通过促进核心菌属（如Ornithinicoccus）的群体感应（QS）通路luxQ-luxN和rpfC-rpfG，减少NH4+-N损失32.26%；MnO2则通过激活Enterococcus的厌氧氨氧化（anammox）基因nxrAB和hzo，降低NO3--N损失2.10%。该研究为农业废弃物资源化提供了微生物-功能基因协同调控的新视角。

　　

每年中国产生超过10亿吨秸秆和38亿吨畜禽粪便，这些富含氮素的农业废弃物若处理不当，不仅造成资源浪费，还会引发水体富营养化等环境问题。传统好氧堆肥技术虽能促进氮循环，但存在氮素损失大、温室气体排放等瓶颈。更棘手的是亚麻沤麻废水（FRW）——这种纤维作物加工副产物含有高达993.45 mg/L的总氮（TN），直接排放将严重威胁生态系统。如何通过微生物调控实现废弃物高效转化，成为环境微生物学领域亟待解决的难题。

黑龙江省科学院大庆分院的科研团队在《Earth Critical Zone》发表研究，创新性地将生物炭和MnO₂作为调理剂引入FRW-鸡粪-玉米秸秆堆肥体系。通过16S rRNA高通量测序结合PICRUSt功能预测，揭示了群体感应-双组分系统（QSM-TCS）调控氮素转化的分子机制。研究采集哈尔滨市永胜村的玉米秸秆和春潮孵化场鸡粪，设置SCF（基础堆肥）、BC（添加5%生物炭）和MD（添加5% MnO₂）三组处理，在40×36 cm反应器中进行35天堆肥实验。关键方法包括：每日温度/pH监测、氮组分（TN/NH₄⁺-N/NO₃^--N）含量测定、气相色谱分析NH₃排放、V3-V4区16S扩增子测序，以及通过Canoco和Cytoscape进行微生物网络与功能基因关联分析。

研究结果呈现四大发现：在氮素转化方面，生物炭使NH₄⁺-N损失率降至38.85%，显著优于对照组（57.35%），而MnO₂组NO₃^--N损失率（37.23%）最低。微生物群落分析显示，生物炭显著提升放线菌门（33.0% vs 26.6%）相对丰度，其中Ornithinicoccus和Thermobifida通过luxQ-luxN通路感知温度变化；MnO₂则使厚壁菌门占比提升至43.0%，Enterococcus和Bacillus通过comDE通路适应pH波动。功能基因层面，生物炭组在降温期上调固氮基因nif（如nifQ、nifZ）和异化硝酸盐还原基因nirABD；MnO₂组则激活narB/narG等硝酸盐互转基因，同时抑制nirK/nirS等反硝化基因。结构方程模型证实，生物炭通过温度-菌群-TCS基因三级调控（总效应系数0.142）促进NH₄⁺-N留存，而MnO₂依赖pH-菌群-功能基因路径（效应系数0.098）稳定NO₃^--N。

这项研究首次阐明QSM-TCS在FRW堆肥体系中的枢纽作用：生物炭像"温度放大器"般激活放线菌的QS信号网络，而MnO₂则如同"pH缓冲器"优化厚壁菌的氮代谢通路。实际应用中，每吨堆肥添加5%生物炭可减少32.26%的氮损失，相当于为每亩玉米地节约尿素12.5公斤。从机制上看，rpfC-rpfG通路调控的胞外聚合物（EPS）分泌，以及qseC-qseF介导的乙酰辅酶A合成，共同构成微生物氮固定的"双保险"。该成果不仅为农业废弃物资源化提供了低成本解决方案，其揭示的微生物-环境-基因互作模型，对土壤修复、温室气体减排等领域均有重要启示。未来研究可进一步解析锰氧化还原循环与anammox的耦合机制，推动"碳-氮-锰"共代谢理论的发展。