酸化增强猪粪液态组分抗真菌活性并降低植物毒性：以COD-VFAs L?1评价小麦萌发与生长

《Environmental Technology & Innovation》：Effect of acidification on the biological functionality of swine manure: Antifungal activity, plant germination and plant growth responses

　　

酸化液态猪粪组分（LF-ASM，acidified liquid fraction of raw swine manure）在1000–2000 mg COD-VFAs L^?1时完全抑制三种植物病原真菌生长。酸化增强猪粪（SM，swine manure）组分的抗真菌活性。酸化降低SM的植物毒性，并在1000–1500 mg COD-VFAs L^?1促进种子萌发。LF-ASM使地上部干重提高最多19.4%，根干重提高最多468.8%。

论文作者为 Paula Calvo-de Diego、Laura Buzón-Durán、María Cruz García-González、Mercedes Sánchez-Bascones、Elisa Herrero-de San Luis 和 Beatriz Molinuevo-Salces。研究背景方面，全球猪肉产量预计达到每年约115–116百万吨，中国、欧盟、美国和巴西是主要贡献者。集约化养猪使猪粪（swine manure，SM）在特定区域集中过剩，带来管理和环境挑战。主要环境问题包括 NH₃ 排放造成空气污染、生态系统酸化、富营养化和间接温室气体形成；不当储存和土地利用还可导致硝酸盐淋失、磷径流和污染物进入水体。SM 因养分含量高可作有机肥，部分替代矿质肥，促进养分循环。SM 还含多种有机化合物，其中挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）是厌氧发酵主导成分，可在储存中积累，受温度、储存时间和分层影响。VFAs 不仅提供养分，还具有抗菌、抗真菌和植物生长调节作用。其生物活性取决于化学状态：酸性条件下非解离（质子化）形式比例增加，更易扩散通过微生物膜并发挥抗菌作用；中性或碱性条件下多呈解离形式，生物有效性降低。酸化已用于降低 NH₃ 排放，通过降低 pH 改变铵/氨平衡，减少 NH₃ 挥发。酸化还可能改变 VFAs 等有机化合物形态，从而改变粪便生物功能。然而既往研究多关注养分供应和氮损失、氨排放，缺乏在同一实验框架同时评价抗真菌活性、种子萌发植物毒性和植物生长响应，且酸化和非酸化粪便直接比较较少。因此研究人员比较 LF-ASM、非酸化液态猪粪组分（LF-SM，liquid fraction of raw swine manure）和热和紫外处理液态猪粪组分（TUV-LF-SM，thermally and ultraviolet-treated liquid fraction of raw swine manure），评估抗真菌活性、植物毒性和植物生长性能。

关键技术方法：猪粪来自西班牙 Segovia Narros de Cuéllar 商业育肥猪场坑储存，当日运回实验室并4°C保存。LF-SM 经5000 rpm 离心30 min取上清；TUV-LF-SM 先50°C水浴60 min，再UV-C照射60 min（254 nm，15 W）；LF-ASM 用 H₂SO₄ 酸化至 pH 5.0 后离心。VFAs 用气相色谱-FID/ECD 定量，以化学需氧量当量（chemical oxygen demand，COD）表示。抗真菌于马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）用毒食物法（poisoned food technique），测径向菌丝生长并计算菌丝生长抑制率（MGI）、EC₅₀/EC₉₀。小麦萌发用滤纸皿，记录萌发率、相对根生长和萌发指数（GI）。温室微盆试验持续5周，惰性基质:珍珠岩70:30，氮标准化为40 kg N ha^?1，N:P:K=1:0.4:0.75，每周施5 mL。非靶 GC-MS 分析化合物，统计用方差分析（ANOVA）和 Tukey 检验。

研究结果方面，抗真菌活性：LF-ASM 随浓度增加显著抑制三种真菌，B. cinerea 和 F. equiseti 在 ≥2000 μg mL^?1 完全抑制，R. solani 在 ≥1000 μg mL^?1 完全抑制；LF-SM 和 TUV-LF-SM 效果有限，仅 R. solani 在 ≥4000 μg mL^?1 完全抑制，F. equiseti 无效应。LF-ASM 对 B. cinerea 的 EC₅₀/EC₉₀ 为126.4/541.1 μg mL^?1，对 R. solani 为93.3/213.2 μg mL^?1，对 F. equiseti 为619.3/1005.1 μg mL^?1；LF-SM 和 TUV-LF-SM 对 R. solani 的 EC₅₀/EC₉₀ 分别约1271.5/3082.2 μg mL^?1和1238.6/2072.6 μg mL^?1。R. solani 最敏感，选为后续 EC₁₀₀ 参考；LF-SM 和 LF-ASM 用于后续试验。小麦种子萌发与植物毒性响应：以 R. solani 的 EC₁₀₀ 定义相对剂量。LF-SM 在4000、6000、7500 mg COD-VFAs L^?1 下萌发率从31.0%降至10.3%，根伸长完全抑制，GI 全为0。LF-ASM 在1000 mg COD-VFAs L^?1 时萌发率100%、相对根生长121.6%、GI 121.6%；1500 mg COD-VFAs L^?1 时分别为96.6%、103.4%、99.9%；3000 mg COD-VFAs L^?1 时降至89.7%、34.6%、31.0%。表明酸化降低植物毒性，在较低浓度促进萌发，高浓度抑制。植物生长动态与生物量响应：所有 VFAs 处理优于未处理，接近或超过矿质施肥。未处理较矿质施肥地上部鲜重?54.4%、干重?42.5%、根干重?48.5%、叶绿素?51.7%。第5周 LF-ASM-150 和 LF-ASM-300 地上部长度较矿质施肥增加+12.4%、+15.7%；LF-SM-187.5 增加+19.7%但变异较大。叶绿素多数与矿质施肥相当（±10%），LF-SM-150 为+1.9%，LF-SM-100 为?16.5%。地上部生物量 LF-ASM 最高，鲜重+13.7%、干重+19.4%；LF-SM 鲜重+6–7%、干重+8–10%。根响应最强：LF-ASM-150和300根鲜重+36.6%、+23.2%，根干重+430.5%、+468.8%；LF-SM 高浓度根干重降低达?37.2%、?18.5%。未处理根生物量最低。LF-ASM和LF-SM中潜在生物活性化合物：GC-MS 显示两基质以 VFAs 为主。丁酸在 LF-ASM 和 LF-SM 分别约47.2%和44.4%，己酸约13.4%和12.1%，3-甲基丁酸约11.3%和10.1%，2-甲基丁酸/异丁酸衍生物约9.0–13.0%，戊酸约8.4–8.6%。LF-ASM 额外检测苯乙酸/苯醋酸约9.2%、苯甲酸约1.5%；LF-SM 检测 o-cymene 约2.7%。这些化合物关联微生物代谢/间接生物刺激、抗菌/抗真菌和生长素样植物生长促进活性。

讨论总结：抗真菌活性方面，处理显著决定粪便生物活性。LF-ASM 在更低浓度完全抑制并具有更低 EC₅₀/EC₉₀；LF-SM 和 TUV-LF-SM 效果有限或可忽略。热/UV 未增强抗真菌效力。其机制与 pH 依赖 VFAs 形态有关，低 pH 增加非解离形式，易跨膜并破坏胞内过程；近中性下解离形式多，抗菌效力低。真菌敏感性存在种间差异，R. solani 最敏感，其次 B. cinerea，F. equiseti 耐受较高，表现为选择性生物效应。与合成杀菌剂相比，VFAs 组分在竞争性浓度下抑制真菌，且来自农业副产物，有利于资源价值化和循环经济。种子萌发植物毒性方面，LF-SM 在所有测试水平强植物毒性，GI=0；LF-ASM 呈剂量依赖，100–150%促进，300%抑制。由于 LF-SM 需4000–7500 mg COD-VFAs L^?1，LF-ASM 仅需1000–3000 mg COD-VFAs L^?1，LF-SM 植物毒性至少部分源于更高浓度而非仅组成。抑制限于萌发阶段，出苗后生长实验均促进生长。存在功能应用窗口，处理与浓度决定从植物毒性转为生物刺激。植物生长动态与生物量方面，VFAs 处理超过矿质施肥，且营养输入未成比例增加，表明真正生物刺激作用。叶绿素无明显胁迫；根系统响应最强，尤其 LF-ASM。酸化改善生物刺激质量，非酸化高剂量更像胁迫。苯乙酸（生长素样）、己酸、苯甲酸、o-cymene 可能调节整体响应，VFAs 可能为主要活性部分，多化合物协同。实际意义：酸化粪可减少 NH₃ 排放，保持铵态氮，提高氮利用效率，减少大气污染；抗真菌活性可部分替代或补充化学杀菌剂，降低成本和环境冲击，但需田间验证。

结论翻译：本研究证明粪便功能强烈取决于处理。酸化粪（LF-ASM）比非酸化粪（LF-SM）显示更高抗真菌效力，证明酸化增强生物活性。LF-ASM 对 R. solani 比 LF-SM 和 TUV-LF-SM 有效四倍，因完全抑制在显著更低浓度实现。此外，LF-ASM 是唯一完全抑制 B. cinerea 和 F. equiseti 的组分，突出其作为商业产品可持续抗真菌替代品的潜力，并在循环经济框架促进农业副产物价值化。小麦种子萌发植物毒性试验中，LF-SM 强植物毒性（GI=0），LF-ASM 剂量依赖，100–150%刺激，300%抑制。植物生长评估中，两种处理均较矿质施肥改善表现，LF-ASM 地上部长度增加达+15.7%，地上部干重+19.4%，根鲜重+36.6%，根干重达+468.8%。相反，LF-SM 在较高浓度降低根发育（根干重达?37.2%），表明酸化不仅增强效力，也减轻非酸化粪相关抑制效应。这些结果表明酸化将粪便转化为更有效且可预测的生物活性材料，结合抗真菌活性和植物生长促进，但其农艺潜力仍取决于施用剂量和作物阶段。