《Biomass and Bioenergy》：Microbial–chemical amendment promotes phosphorus mobilization during kitchen-waste biomass valorization
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•生物技术（BI）和化学物质（CP）改变了厨房废弃物堆肥过程中的微生物和化学模式。•与对照组（CK）相比，BI + CP使操作定义的总磷（total P）增加了34.08%。•BI + CP改变了细菌网络拓扑结构和磷循环基因的关联。•磷循环基因的丰度与磷酸酶和植酸酶活性相关。•微
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生物技术（BI）和化学物质（CP）改变了厨房废弃物堆肥过程中的微生物和化学模式。
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与对照组（CK）相比，BI + CP使操作定义的总磷（total P）增加了34.08%。
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BI + CP改变了细菌网络拓扑结构和磷循环基因的关联。
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磷循环基因的丰度与磷酸酶和植酸酶活性相关。
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微生物的重构伴随着最终堆肥中磷的重新分布。
引言
厨房废弃物（KW）是一种主要由食物准备和消费产生的城市生物质残留物，其可持续管理对于循环生物经济的发展至关重要[1]、[2]。由于富含有机物质和营养物质，只要适当的转化技术能够稳定这些物质并保留其营养价值，KW就成为一种宝贵的生物资源而不仅仅是一种处理负担[3]。在零售和消费阶段，仍有大量食物浪费[4]，而这些有机残留物的不当处理可能会带来环境和公共卫生风险，包括病原体的传播以及可回收营养物质的损失[5]、[6]。堆肥是将KW生物质转化为稳定且富含营养的有机改良剂的最实用生物方法之一[7]、[8]、[9]。从生物质利用的角度来看，堆肥不仅是一个稳定过程，还是一种生产具有农艺价值的生物质衍生产品的生物转化策略[10]、[11]。然而，KW衍生堆肥的价值不仅取决于有机物质的稳定，还取决于关键营养物质转化为易利用形式[12]、[13]。其中，磷尤为重要，因为其中相当一部分以有机或难利用的形式存在，从而限制了堆肥过程中的磷的释放。
磷是农业生产力所需的重要大量营养元素，但其可用性常常受到固定作用、低溶解度以及与有机和矿物成分的络合作用的限制[14]、[15]。在KW和其他有机残留物中，磷可能存在于复杂的有机化合物中，如植酸盐、磷脂和磷酸酯，这些化合物在没有微生物和酶的作用下难以被利用。因此，改善磷从有机或稳定池向易利用部分的重新分布可以提高KW衍生堆肥的农艺价值和资源转化效率[16]。
微生物在磷转化中起着核心作用，因为它们通过协调的酶促和遗传途径调节磷的溶解、矿化、吸收和运输[17]、[18]。解磷细菌（PSB）可以通过产生有机酸、磷酸酶和其他磷转化酶来帮助将难利用的磷化合物转化为更易利用的形式[19]。有机磷的矿化与功能基因密切相关，例如编码磷酸酶相关酶的phoA和phoN，以及参与植酸盐降解的appA和与磷酸酯代谢相关的phn[4]、[20]。phoN基因编码一种非特异性酸性磷酸酶，可以在堆肥过程中从核酸和其他有机底物中释放无机磷酸[20]、[21]。同样，appA和phn分别编码参与分解植酸和有机磷膦酸酯的酶，这两种形式在KW中都非常丰富[22]、[23]。这些基因可以作为堆肥过程中微生物磷矿化潜力的有用指标，尽管基因丰度应被视为功能潜力而非过程速率的直接证据。
在磷受限或化学压力环境中，这些基因及其相关酶活性的丰度往往会有所变化，表明堆肥条件会影响与OP矿化相关的微生物功能潜力[19]、[24]。三钙磷酸盐是一种难溶解的无机磷化合物，可以提供持续的磷来源，同时也会对微生物的磷获取策略产生选择压力[25]。与其他添加剂相比，CP具有不同的作用机制，为堆肥过程中OP的矿化和转化提供了有效且成本节约的替代方案[26]。作为一种低溶解度的矿物磷添加剂，CP可能影响微生物代谢、pH相关的过程以及参与磷溶解和矿化的微生物类群的富集[27]。先前的研究表明，PSB接种或矿物磷改良剂可以影响有机废弃物堆肥过程中的磷转化[28]。然而，PSB接种和CP添加在调节有机磷分级、磷循环功能基因、微生物群落结构以及KW生物质堆肥最终产品质量方面的综合作用仍不够清楚。填补这一空白对于开发提高营养物可用性和增强堆肥作为生物质转化技术附加价值的过程级策略非常重要。与我们之前专注于氮的KW堆肥研究[13]以及Xu等人的基于羟基磷灰石的磷转化研究[29]相比，本工作的新颖之处在于评估在添加三钙磷酸盐的厨房废弃物堆肥条件下，细菌接种是否提供了额外的磷释放效应。之前的研究关注氮的保留和转化，而本研究则关联了磷的分级、有机磷的矿化、磷循环基因、酶活性、微生物关联以及产品质量。尽管Xu等人[29]使用了含有羟基磷灰石的解磷细菌，但本研究评估了一种基于三钙磷酸盐的微生物-化学改良系统。由于羟基磷灰石和三钙磷酸盐在溶解度和反应性上有所不同，BI + CP代表了一种不同的微生物-化学磷环境。CK、CP和BI + CP的比较旨在区分矿物磷添加的效果和细菌接种的额外生物贡献。然而，由于当前实验中没有包括仅使用BI的处理，因此将BI + CP的效果解释为联合处理的效应。
为了解决这一空白，本研究评估了在添加CP的KW生物质堆肥条件下，PSB接种是否可以提供额外的磷释放效应。具体目标包括：（i）确定在CK、CP和BI + CP处理下操作总磷（operational total P）、潜在可利用磷（potentially available P）、不可利用磷（non-available P）和有机磷（organic P）分数的变化；（ii）检查与有机磷矿化相关的关键磷循环基因和酶活性的响应；（iii）识别与磷重新分布相关的细菌群落变化和类群-基因关联。通过关联磷分级、功能基因动态、微生物群落重构和产品质量指标，本研究为从厨房废弃物中生产富含磷的堆肥提供了一个生物质增值框架。
章节摘录
研究框架
在本研究中，厨房废弃物（KW）和木屑的原材料来自中国哈尔滨东北农业大学的食堂。混合物的配比为KW:木屑=4:1，含水量在55%到65%之间，碳氮比为20:1。选择使用木屑是因为厨房废弃物通常具有高水分和低结构稳定性。添加木屑可以提高孔隙度和通气性，同时减少压实程度。
堆肥过程中总磷（total P）、残余磷（residual P）和PAP的变化
磷的生物有效性更多由其化学形式决定，而非总体数量。在整个堆肥过程中，操作总磷（operational TP），即所有Hedley提取分数（Pi + Po）与残余磷的总和，在所有处理组中都有所增加，这反映了处理效果以及与有机物损失相关的磷浓度[38]。我们之前的研究单独评估了BI的效果，发现接种可以增强酶活性和厨房废弃物堆肥过程中的磷转化[24]。
结论
本研究表明，在厨房废弃物生物质堆肥过程中，同时应用解磷细菌和三钙磷酸盐与更大的磷释放和重新分布有关。BI + CP处理在选定的采样时间点显示出更高的潜在可利用磷含量，并且在第45天时最终的NAP含量低于仅使用CP的情况。这些变化表明厨房废弃物生物质更有效地转化为富含磷的堆肥产品。
CRediT作者贡献声明
Taha Ahmed Mohamed：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，概念构思。Yue Zhao：监督，调查，资金获取。Yousif Abdelrahman Yousif Abdellah：项目管理，方法论，数据管理。Walaa Ashour：项目管理，调查，正式分析。Zimin Wei：监督，资源调配，资金获取。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFC3908902）、国家自然科学基金（编号W2633071和62242021005）以及中国博士后科学基金（编号2025M771198）的支持。
Taha Ahmed Mohamed|Yue Zhao|Yousif Abdelrahman Yousif Abdellah|Walaa Ashour|Zimin Wei
