固定在生物炭上的蜡样芽孢杆菌对堆肥过程中雌激素降解的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of Bacillus cereus Immobilized on Biochar on Estrogen Degradation during Composting

本研究通过ARTP诱变获得高效纤维素降解菌株Bacillus cereus JN-1，并与玉米秸秆生物炭复合形成BBC添加剂。在鸡粪好氧堆肥中，BBC显著提升温度（15℃/d）、缩短高温阶段（>55℃持续8天），至第17天雌激素E2和E3去除率达97.7%和98.7%，E1去除率92.4%。微生物分析显示Firmicutes等耐应激菌丰度增加，降解菌属Bacillus等富集。相关性分析表明温度、pH和电导率与降解菌丰度正相关，与雌激素残留负相关。该策略协同生物炭载体效应和诱变菌剂功能，为农业废弃物中新兴污染物治理提供新范式。

　　

成昭燕|杨德|焦阳吉|金鹏张|杨柳|勇宇

吉林农业大学资源与环境学院，长春130118，中国

摘要

畜禽粪便是环境雌激素污染的主要来源。传统的有氧堆肥方法往往无法充分去除这些污染物，因此需要更有效的治理策略。本研究旨在提高鸡粪有氧堆肥过程中雌激素的去除效率，并阐明其背后的机制。通过将玉米秸秆生物炭与ARTP突变后的Bacillus cereus混合，制备了一种复合添加剂。实验结果表明，BBC处理显著提高了堆肥效率，表现出最高的升温速率（15°C/天）和最长的嗜热阶段（>55°C，持续8天）。在第17天时，该添加剂对E2（97.7%）和E3（98.7%）的去除率最高，而对E1（92.4%）的去除效果最好。微生物分析显示，耐逆性菌门（如Firmicutes和Verrucomicrobiota）显著增加，同时关键降解雌激素的属（Bacillus、Sphingobacterium和Pseudomonas）也得到富集。相关性分析表明，温度、pH值和电导率的升高与降解菌的丰度呈正相关，而与残留雌激素的含量呈负相关。ARTP诱变增强了接种剂的催化性能，生物炭作为一种保护性载体，调节了微生物生态位并促进了微生物定殖，从而协同加速了雌激素的去除。本研究提出了一种“细菌-生物炭”新策略，用于减轻畜禽粪便中的新兴污染物，支持安全的农业循环利用和可持续的废物管理。

引言

中国畜禽产业的迅速发展显著提升了经济产出，但也加剧了动物废物安全处置和资源化利用的挑战。为了提高生产力，雌激素常被用作饲料添加剂以促进生长和调节发情。然而，未完全代谢的过量雌激素会通过不当的废物管理进入环境，使畜禽粪便成为环境雌激素污染的主要来源。研究表明，中国不同类型动物粪便中的雌激素浓度存在显著差异。鸡粪（40.08μg/kg）和奶牛粪（39.27μg/kg）中的雌激素含量最高，远高于肉牛粪（2.7μg/kg）和猪粪（1.8μg/kg）[23]。尽管有氧堆肥可以去除大量雌激素，但其效率高度依赖于工艺条件，很少能实现完全降解或矿化。因此，残留的雌激素可能在施用于土地后继续对环境造成风险[26]。在污染控制、碳排放减少和新兴污染物管理框架下，开发更高效、更安全的有氧堆肥技术对于促进可持续的粪便循环利用和防止环境雌激素释放至关重要。

微生物接种已成为提高堆肥过程中雌激素降解的有效方法。例如，将纤维素降解菌和雌激素降解菌接种到猪粪堆肥中后，第16天时雌二醇（E2）被完全去除，雌酮（E1）的含量降至100.1 ng/kg [38]。此外，外源微生物制剂不仅有助于分解雌激素和其他有害物质，还能增加堆肥微生物群落的多样性（Yang等人，2023年）。然而，直接施用的接种剂的活性和效果往往受到堆肥参数（如pH值、温度、湿度和氧气供应）的限制[11]。因此，迫切需要提高微生物制剂在复杂堆肥条件下的功能稳定性。

大气和室温等离子体（ARTP）诱变技术作为一种新兴的微生物改良方法，能够针对性地改善特定细菌的功能。例如，ARTP诱导的Xanthomonas campestris突变显著提高了黄原胶的产量[9]；同样，ARTP诱变的Pleurotus sp.成功增强了菌丝蛋白的合成能力[31]。这些发现凸显了ARTP在定制微生物特性以用于生物技术应用方面的潜力。生物炭是一种由热解生物质制成的环保材料，具有高度多孔的结构，有利于微生物定殖，改善通气性，并吸附抑制性化合物（如酚类和可溶性碳），从而促进微生物活性并增强雌激素降解[26][37]。作为微生物载体，生物炭在恶劣的堆肥条件下提高了接种细菌的稳定性、定殖能力和功能持久性[4]。

在本研究中，我们通过ARTP诱变技术开发了一种高效的秸秆降解菌株（Bacillus cereus JN-1），并利用玉米秸秆制备了生物炭。将JN-1-生物炭复合剂应用于鸡粪堆肥，系统评估了物理化学性质、微生物群落结构和雌激素动态的变化。我们旨在阐明这种综合方法增强雌激素去除和堆肥质量的机制。本研究将为生物炭-微生物协同作用在管理畜禽废物和控制新兴环境污染物方面提供理论和实践见解。

部分内容摘要

ARTP诱变与筛选

使用来自中国科学院东北地理与农业生态研究所的纤维素降解菌Bacillus cereus ZL-187作为亲本菌株。将其对数期菌悬液稀释至约10? CFU/mL，然后取10μL涂布在无菌载玻片上，使用ARTP系统进行诱变处理，参数如下：射频功率120 W；样品间距2 mm；氦气流速10 SLM。诱变处理时间为0、15秒……

ARTP诱变与生物炭筛选

为了提高Bacillus cereus的纤维素降解活性，对其进行了ARTP诱变处理。随着处理时间的延长，致死率逐渐增加，在45秒时达到90%，60秒时达到100%（图S1）。根据先前研究，选择存活率为10%-20%的菌株进行筛选[30]，最终确定45秒（存活率约10%）为最佳条件。在CMC-Congo Red培养基上，突变菌株JN-1、JN-2和JN-3的水解区直径分别为2.2 cm、2.0 cm和1.9 cm，均明显大于对照组

结论

通过ARTP诱变获得了一种新型Bacillus cereus菌株JN-1，其纤维素降解活性提高了35.73%，遗传稳定性也较高。从玉米秸秆中制备的生物炭（500BC）因其合适的孔结构和表面特性而被选为最佳载体，有助于提高微生物的固定化、定殖能力和功能持久性。在鸡粪有氧堆肥过程中，JN-1-生物炭复合剂（BBC）显著改善了……

CRediT作者贡献声明

杨柳：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。金鹏张：监督、方法学研究。焦阳吉：方法学研究、实验设计。杨德：方法学研究、实验设计。成昭燕：撰写初稿、方法学研究、实验设计。勇宇：监督、资金筹集、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。