《Bioresource Technology Reports》：Biochar-mediated enhancement of nitrogen retention and antibacterial activity during Chinese medical herb waste composting: production of a pathogen-suppressive soil amendment
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摘要中国中药废弃物处理以及持续依赖化学农业投入品是重要的环境问题。本研究探讨了生物炭添加是否能在中药废弃物堆肥过程中提升氮素保留率与抗菌活性，并评估了该堆肥在含有植物病原体的土壤中的效果。与未添加生物炭的对照组相比，添加9–15%生物炭可使总氮损失降低至11.1–17.9%，同时
摘要
中国中药废弃物处理以及持续依赖化学农业投入品是重要的环境问题。本研究探讨了生物炭添加是否能在中药废弃物堆肥过程中提升氮素保留率与抗菌活性，并评估了该堆肥在含有植物病原体的土壤中的效果。与未添加生物炭的对照组相比，添加9–15%生物炭可使总氮损失降低至11.1–17.9%，同时将针对植物病原体的抗菌活性提高44.6–51.7%。微生物共现分析表明，包括假单胞菌和红曲霉在内的有益微生物与氨单加氧酶活性及抗菌特性存在关联。结构方程模型进一步显示，抗菌活性与NO??-N之间存在正相关关系（P＜0.05），并且细菌α多样性对抗菌活性有显著直接影响（标准化路径系数为0.94，P＜0.05）。在后续盆栽实验中，中等剂量的CLD2堆肥相较于单独使用的尿素及化学病害防治处理具有多重优势：大白菜中的黄酮类物质含量达到0.26μg/cm2，土壤中的固氮相关酶活性达到270.9 U/g。Tax4Fun2预测还显示，施用添加生物炭的中药废弃物堆肥后，与铁载体产生、固氮以及吲哚-3-乙酸代谢相关的功能有所增强。总体而言，添加生物炭的中药废弃物堆肥能够同时提升氮素保留、养分循环能力以及病原体抑制效果。未来的研究应纳入尿素与杀菌剂联合使用的情况，以比较这种处理方式与传统化学综合管理方法的优劣。
引言
像胡萝卜软腐杆菌这样的植物病原菌，会通过产生分解细胞壁的酶，导致马铃薯和大白菜等作物出现软腐病，从而给农业带来巨大损失（Narváez-Barragán等人，2020年）。这类病原体可通过土壤、水以及潜伏感染传播，使得病害治理十分困难。尽管化学农药仍被广泛使用，但长期或大量使用会导致环境污染、土壤微生物群落失衡（Shahid和Khan，2022年），还会促使抗菌素耐药性产生（Aslam等人，2018年）。这些问题凸显出需要可持续的病害防治策略，在保持有效保护作物的同时减少对合成化学物质的依赖。
好氧堆肥因操作效率高、环境影响相对较小且有助于推动循环经济，而被广泛用于处理各种有机废弃物，包括食物垃圾、污水污泥、农作物秸秆以及畜禽粪便（Cao等人，2025年）。然而，在生产高质量有机肥料的过程中，大量的氮素流失仍是一个重大难题。据估计，好氧堆肥过程中总氮损失的70–91%源于氨气挥发（Shan等人，2021年）。氮素的流失不仅降低了最终堆肥的养分价值，还会加剧大气污染（Zheng等人，2024年）。生物炭是一种富含碳且具有高度多孔结构的材料，被公认为是改善农业堆肥效果的有效改良剂（Edem等人，2024年；Malinowski等人，2019年）。Wang等人（2021年）证明，将复合微生物制剂与生物炭结合使用，可显著提升源自中药的堆肥中的总养分含量、发芽指数以及微生物的多样性和丰度。我们之前的研究也发现，向农业废弃物中添加生物炭可将氮素损失降至22.7%（Cao等人，2025年）。生物炭还能为固氮菌Enterobacter quasihormaechei提供适宜的生存环境，使NIT活性提升至415 IU/L，同时将氮素损失控制在16.3%（Qi等人，2025年）。Chang等人（2025年）报告称，在有机废弃物堆肥过程中，生物炭可使腐殖质和富里酸含量增加8.26%，土壤中可利用磷的含量增加8.6倍，植物生物量增加5.9倍。而将生物炭与固氮菌E. cloacae一起使用，则可使添加尿素的土壤中的总氮含量增加33.54%，植物的氮吸收量增加15.1%，同时还能将硝酸盐氮的流失量减少7.8 mg/kg（Gou等人，2023年）。田间试验进一步表明，中性生物炭可将20–40厘米土层中的NO??-N流失量降至68 mg/kg，若与脲酶抑制剂配合使用，还可使土壤中的总氮含量提升至1.70 g/kg（Gao等人，2024年）。不过，以往的研究大多集中在养分保持和污染物控制方面，对于堆肥或改良土壤所具备的抵御植物病原体的功能等额外益处则关注较少。
中国中药废弃物作为一种环境友好的植物病害防治材料，越来越受到重视。常见的应用对象包括艾草（Wang等人，2023年）、麻黄以及大黄（Yang等人，2020年）。我们之前的研究已经证明，富含蒽醌的大黄废弃物提取物以及含有小檗碱等生物碱的传统方剂HLJDD，都对胡萝卜软腐杆菌具有抑制作用（Qi等人，2022年、Qi等人，2021年）。通常情况下，中药废弃物中不到一半的活性成分能被充分利用，剩余部分若被焚烧或填埋，既会造成资源浪费，也会引发环境污染（Yu等人，2019年）。有研究表明，中药废弃物堆肥能够促进作物生长并抑制病害。例如Zhou等人（2023年）发现，添加5%的中药废弃物堆肥可使番茄的生物量增加122.7%。我们之前的研究也表明，中药废弃物堆肥能够提升对胡萝卜软腐杆菌的抗菌活性，并促进植物生长（Cao等人，2024年）。但由于中药废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其碳氮比通常较高。堆肥过程中过高的温度或通风条件会加剧氮素流失，导致系统出现氮限制，进而抑制微生物代谢，最终降低堆肥效率以及产品的质量，包括其病害抑制能力。
因此，本研究探讨了在中药废弃物堆肥过程中添加生物炭对氮素保留、抗菌活性以及微生物群落演替的影响。通过相关性分析、微生物共现网络分析以及结构方程模型，研究了堆肥特性、微生物群落与针对胡萝卜软腐杆菌的抗菌活性之间的关系。之后，通过在盆栽试验中设置空白对照、生物炭对照、尿素对照以及化学病害防治对照，对所得堆肥的效果进行了评估。本研究旨在通过整合堆肥性能、微生物演替、病原体抑制、土壤特性以及植物反应等多方面信息，制定一种资源回收策略，在提升中药废弃物堆肥病害抑制能力的同时，更好地实现氮素保留。
章节节选
堆肥实验设计
用于研究的含大黄废弃物的中药残留物是从甘肃白草生物科技有限公司获得的。中国甘肃省甘南州的甘肃华凌乳业公司的乳清废水被用来将初始含水量调整到50–55%。玉米秸秆生物炭是在缺氧条件下于500℃下通过热解法制得的，其pH值为8.7，电导率为1.0 mS/cm，有机质含量为35.3%。通过添加玉米秸秆，将堆肥混合物的初始碳氮比调整到25–30。堆肥堆体……
堆肥指标与氮素转化
温度是衡量堆肥进程的重要指标。第7天出现的温度峰值表明微生物活性很高，这有助于分解堆肥中的木质素及其他难降解的酚类化合物，并将其转化为腐殖质（Cao等人，2024年）。实验在室内进行，环境温度保持在约25℃，以确保各处理组之间的条件一致。与对照组相比，添加生物炭的堆体……
结论
本研究结果表明，添加生物炭可提升中药废弃物堆肥过程中的氮素保留率与抗菌活性，其中添加9%生物炭的CLD处理组的整体效果最为优异。添加生物炭的堆肥伴随着氮素转化相关微生物以及可能具有拮抗作用的微生物群落的改变，包括鞘脂杆菌和假单胞菌，其功能特征也与强化氮素循环相符合。在盆栽实验中……
CRediT作者贡献说明
Long Cao：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，软件应用，概念构思。Yanjiao Qi：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，指导监督，实验研究，概念构思。Qian Li：方法设计，实验研究，概念构思。Jiazhi Gao：正式分析，数据整理，概念构思。Shen Yang：资源协调，实验研究，概念构思。Huining Lu：结果验证，实验研究，概念构思。Linshan Wang：结果验证，数据整理，概念构思。
关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明
Grammarly和ChatGPT仅被用于协助语言润色和格式调整。所有的科学内容、解读以及批判性分析均由作者亲自完成，作者对论文的完整性与准确性负全责。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（编号22566031），甘肃省高等教育教师创新基金项目（编号2025B-034），甘肃省科技计划项目（编号24CXGA079），甘肃省科技项目（编号25YFNA046）。此外还有西北民族大学化学创新团队在2024年的相关支持（编号1001660139、1001660141），以及西北民族大学2025年的研究与创新计划（编号31920250001-7）等。
Long Cao|Yanjiao Qi|Qian Li|Jiazhi Gao|Shen Yang|Huining Lu|Linshan Wang|Zhen Li|Yidan Duan|Yamin Zhao|Shengfu Kang|Hong Zhang|Zifan Wang
中国马来西亚国家联合实验室，西北民族大学生物医学研究中心，中国兰州，730000
