朝鲜蓟农业废弃生物质的增值利用：功能性覆盖薄膜改善土壤和植物健康

《Bioresource Technology Reports》：Valorisation of artichoke agrowaste biomass into functional mulching films for improved soil and plant health

　　摘要：• 洋蓟苞叶和茎秆可用作可降解地膜中的功能性填充料。• 生物复合材料能够实现有益植物促生长细菌的持续释放。• 基于洋蓟的地膜显著增加了生菜叶片和根部的生物量。• 新型地膜改善了营养品质，提高了叶绿素和类胡萝卜素的含量。• 地膜增强了土壤肥力和微生物含量，成为循环塑料的替代方案。引言全球变暖对自然生态系统和人类福祉构成重大威胁。农业对温室气体排放贡献显著，占全球排放量的12%（Climate Watch, 2021）。耕作、灌溉、施肥和塑料地膜覆盖等农业实践直接影响这些排放（Wang et al., 2021; Zhang et al., 2017）。由于地膜覆盖具有调节土壤温度、减少水分蒸发、抑制杂草生长、限制养分淋失以及保护作物免受土传病原体和直接接触土壤侵害的能力，因此在园艺领域得到广泛应用（Khan et al., 2022; Wojciechowska et al., 2007）。这些优势在沙质土壤和缺水环境中尤为相关，地膜有助于保水并减少灌溉需求（Green et al., 2003; Scarascia-Mugnozza et al., 2006）。聚乙烯（PE）仍是农业领域应用最广泛的聚合物，包括地膜、温室覆盖材料、容器和灌溉系统，因其多功能性和低成本而受到青睐（Tan et al., 2023）。然而，其持久性和广泛使用引发了环境问题，传统塑料地膜通常在单个生长季后被丢弃，导致塑料废物积累（Briassoulis et al., 2013）。其逐渐碎裂可能导致微塑料的形成，从而影响土壤结构、养分循环和微生物群落（Huang et al., 2023）。因此，可降解塑料地膜作为一种有前景的替代品应运而生，多项研究表明在许多应用中其农艺性能可与聚乙烯膜相当（Tofanelli and Wortman, 2020）。然而，其较高的成本和关于在栽培期间过早降解的担忧限制了其采用（Goldberger et al., 2019）。尽管如此，考虑到使用寿命结束后的管理成本，土壤可降解地膜可能是传统聚乙烯膜的一个有竞争力的替代品（Velandia et al., 2020）。同时，对可持续农业实践的需求不断增长，推动了农工业副产品的价值利用和生物基材料的开发。意大利是全球最大的洋蓟（*Cynara cardunculus* var. scolymus）生产国，在加工过程中产生大量残留物，主要是不可食用的苞叶和茎秆，占生物量的80-85%（Zuorro et al., 2016）。尽管目前利用不足，但这些副产品含有矿物质和生物活性化合物，使其成为土壤改良和可降解材料生产的诱人资源（Falleh et al., 2008; Zuorro, 2014）。将农工业残留物纳入农业系统可以通过增加有机质含量、改善土壤结构、增强保水性、刺激微生物活性和提供必需养分来提高土壤肥力（Bianchi et al., 2024; Di Gioia et al., 2026; Pagliarini et al., 2023; Pagliarini et al., 2024）。同样，将其用作可降解聚合物中的填充料是一种创新策略，既能减少对化石基塑料的依赖，又能开发功能性农业材料。可降解材料，包括淀粉、纤维素等天然聚合物以及聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己内酯（PCL）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和聚丁二酸丁二醇酯-共-己二酸酯（PBSA）等合成可降解聚合物，是生产可持续地膜的最有前景的候选材料（Koitabashi et al., 2012; Serrano-Ruiz et al., 2021; Chien et al., 2022）。近期研究还表明，可以将农工业残留物纳入地膜中以改善土壤质量并促进作物生产力（Pagliarini et al., 2023; Sisti et al., 2021; Vannini et al., 2021）。本研究建立在Minichiello等（2025）报道的材料开发基础上，其中将洋蓟副产品纳入基于PBSA的生物复合材料膜中，并评估其机械、化学和初步微生物特性，包括先前报道的对大肠杆菌（*Escherichia coli*）的抗菌活性，以优化可加工性和结构性能。具体而言，先前的研究主要关注生物复合材料的物理化学、机械和抗菌特性；本研究则调查其化学、生物和农艺功能性，并在温室条件下提供这些生物复合材料作为潜在植物促生长材料的首次实验验证。特别地，（i）对洋蓟苞叶和茎秆进行化学表征以评估其对植物营养的贡献，同时对与洋蓟苞叶和茎秆相关的可培养细菌群落进行微生物学表征，并评估其解磷、产铁载体和产吲哚-3-乙酸（IAA）的活性；（ii）确定这些微生物在纳入PBSA后是否仍然存活，并表征其释放动力学；（iii）评估所得地膜在温室条件下是否能改善生菜生长、根系发育、矿物质积累和光合色素含量。本研究提出了一种循环方法，用于开发具有生物活性的地膜材料，在可持续园艺中具有潜在应用。材料PBSA，商品名BioPBS? FD92PM，购自PTT MCC Biochem（德国杜塞尔多夫）。洋蓟填充料取自洋蓟（*Cynara cardunculus* L.，Violetto di San Luca品种）。将洋蓟的不可食用部分，即苞叶和茎秆分离、清洗并在30 °C下干燥10天。微生物表征和菌株分离从两个洋蓟副产品样品（苞叶和茎秆）干燥后分离细菌菌株。对于每个样品，收集10克样品，悬浮于90毫升生理盐水（NaCl 0.9% 重量/体积）中。基于培养的表征采用基于培养的方法对分离物进行表征，出于我们获得新型内生菌株的兴趣，以便未来潜在应用作为植物促生长细菌（PGPB）。洋蓟苞叶和茎秆干样品的细菌计数结果如下（三次计数的平均值）：苞叶中为5.06 ± 0.03 Log?? CFU g?1（干重），茎秆中为6.73 ± 0.05 Log?? CFU g?1。分离出了具有不同颜色和形态的菌落。存在...结论这项工作证明洋蓟农业废弃物生物质是开发新一代地膜有价值的生物资源。将苞叶和茎秆纳入PBSA基质为农业废弃物的价值利用提供了可持续途径，同时通过将矿物质和有益PGPR直接传递到根际来增强农艺性能。生菜温室实验表明植物生物量、根系发育和光合色素...CRediT作者贡献声明**Elia Pagliarini：** 撰写——初稿，正式分析，数据整理，概念化。**Carmen Minichiello：** 撰写——审阅与编辑，正式分析，数据整理。**Loredana Baffoni：** 撰写——审阅与编辑，验证。**Laura Sisti：** 撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。**Maura Ferri：** 验证，监督。**Micaela Vannini：** 验证，监督，调查。**Andrea Saccani：** 撰写——审阅与编辑，调查。生成式人工智能和AI辅助技术在写作过程中的声明作者确认，他们遵守期刊政策，在撰写文本或创建图表时没有使用人工智能。资金声明作者致谢Ecosister——"艾米利亚-罗马涅可持续转型生态系统"项目，该项目由国家复苏与韧性计划（NRRP）、任务04组成部分2投资1.5——NextGenerationEU资助，招标公告编号3277，日期2021年12月30日，批准编号：0001052，日期2022年6月23日。未引用参考文献Adzet等，1987Fernández，1992Gominho等，2011Kim等，2021Li等，2022Mantineo等，2009Pirzada等，2020利益冲突声明作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/关系：Laura Sisti报告了来自国家复苏与韧性计划（NRRP）、NextGenerationEU的资金。其他贡献者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。Elia Pagliarini|Carmen Minichiello|Loredana Baffoni|Laura Sisti|Maura Ferri|Micaela Vannini|Andrea Saccani|Diana Di Gioia