《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Correlation-based insights into nicotine detoxification and humification during tobacco waste co-composting: Optimization of amendment ratio and microbial functional mechanisms
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摘要每年有超过250万吨含有尼古丁的烟草废弃物被丢弃，这给有毒的木质纤维素废物的处理带来了难题。本研究表明，将不同比例（干重比为0%、15%、30%和45%）的烟草废弃物与用过的蘑菇培养基及牛粪一起进行堆肥处理，可以将这些有害废物转化为稳定的有机改良剂。宏基因组分析显示，添加45
摘要
每年有超过250万吨含有尼古丁的烟草废弃物被丢弃，这给有毒的木质纤维素废物的处理带来了难题。本研究表明，将不同比例（干重比为0%、15%、30%和45%）的烟草废弃物与用过的蘑菇培养基及牛粪一起进行堆肥处理，可以将这些有害废物转化为稳定的有机改良剂。宏基因组分析显示，添加45%的烟草废弃物能显著提升微生物多样性（辛普森指数，p值=0.023；香农指数，p值=0.039），同时增强碳固定功能（ko00710，p值=0.027）、氨基酸代谢功能（ko00250，p值=0.038），以及GH5、GH43和GT1三类碳水化合物活性酶家族的功能。添加45%烟草废弃物的处理方式使高温阶段温度降至48–58摄氏度，持续时间为8–10天，但其微生物多样性仍高于对照组。到第64天时，经烟草废弃物改良后的样本中尼古丁含量降至12.5–17.0微克/克，腐殖酸含量达到32–35%，种子发芽率则达到87%。相关性分析发现尼古丁、电导率和pH值之间存在关联，这说明生物碱的解毒过程与腐殖酸的稳定化是同步进行的。值得注意的是，尽管初始添加量较高，30%烟草废弃物处理后的残留尼古丁含量反而低于15%的处理组，因此更适合作为实际应用的最佳比例。而45%烟草废弃物处理组则提供了最多的机制性见解，表现为尼古丁降解相关基因的增加以及微生物多样性的提升。这些研究结果为工艺安全提供了有用的遗传生物标志物，同时也建立了基于相关性的有毒有机废物共堆肥处理框架。
引言
全球烟草行业每年会产生约250万吨富含尼古丁的烟草废弃物，这些废弃物包括被丢弃的烟茎、烟秆以及叶片残渣[1][2]。作为一种碳氮比超过60且含有大量难以分解的木质素的木质纤维素生物质，烟草废弃物难以通过常规方法降解，同时由于其中含有具有神经毒性、抗菌性和植物毒性的尼古丁，还会带来严重的环境风险[3][4]。传统的填埋或露天焚烧处理方式正逐渐受到限制，这就迫切需要采用循环经济理念，将这些废弃物转化为富含养分的土壤改良剂[5][6][7][8]。
堆肥是一种经济可行的烟草废弃物资源化利用途径，但这一过程面临着诸多物理化学和生物学方面的挑战。烟草废弃物较高的碳氮比和木质素含量要求必须添加能够平衡养分比例并提供可利用碳源以激活微生物的共培养基质[4][9][10]。与此同时，尼古丁会对微生物群落产生选择性压力，可能抑制分解菌的生长，进而破坏物质成熟过程中所需的生态平衡[3][11]。此外，烟草废弃物的添加量还会影响基质的孔隙度、养分的可用性以及毒性强度，这些因素之间可能会形成反馈效应，进而影响微生物的组成、代谢活动以及腐殖化的效率[4][11][12]。
用过的蘑菇培养基和牛粪是用于烟草废弃物堆肥的理想共培养基质。蘑菇培养基是真菌培养过程中产生的富含木质纤维素的副产品，其中含有残留的氧化酶（如漆酶、过氧化酶）以及部分降解的木质素，这些成分有助于推动腐殖化进程[13][14]。而牛粪则能提供可利用的氮元素、pH值缓冲能力，以及多种对维持高温分解过程至关重要的微生物菌株[13][15]。虽然此前已有研究探讨了烟草废弃物堆肥过程中的物理化学变化[16]、尼古丁的降解动力学[3]以及微生物群落的演替规律[17][18]，但这些研究大多采用简化模型，将环境条件、微生物动态以及功能基因视为相互独立的因素[15][19]。目前尚未有研究探究这些因素之间通过二元或多元相关性相互作用，对系统整体性能、解毒效率、氮素保留以及腐殖质稳定化所产生的影响。
堆肥系统属于复杂的适应性生态系统，其特点在于物理化学参数、微生物群落组成以及功能基因表达之间存在相互关联、且随时间变化的反馈关系[4][20]。在烟草废弃物堆肥过程中，木质纤维素基质既充当着物理支架的角色（影响基质的孔隙度和氧气传输效率），又发挥着化学调节作用（释放酚类前体物质以促进腐殖化，同时可能抑制水解酶的活性）[12]。尽管存在如此多的复杂性，但目前关于烟草废弃物添加量对各种相关性模式的影响，以及非生物因素与生物因素之间关联强度的变化，仍然缺乏足够的研究，而且这些相关性变化与尼古丁解毒、堆肥材料成熟等实际功能结果之间的关联也尚未被阐明。
为填补这些研究空白，本研究探讨了在蘑菇培养基与牛粪的混合物中添加不同比例（0–45%）的烟草废弃物，会在64天的共堆肥过程中如何影响样品的物理化学性质、尼古丁的降解情况、微生物群落的变迁、代谢途径以及功能基因的表达。通过物理化学分析、气相色谱分析、宏基因组测序以及基于相关性的多组学整合分析，我们提出了三个假设：第一，烟草废弃物的添加量会对堆肥效果产生非线性影响，存在一个最佳添加量，能够在解毒作用和腐殖化作用之间实现平衡；第二，较低比例的烟草废弃物可以通过提供木质纤维素前体物质并改变基质结构，从而促进腐殖化进程；第三，较高比例的烟草废弃物（≥45%）可能会因为限制氮素供应并保护基质结构，从而形成动力学障碍，即便初始毒性有所降低，仍可能导致尼古丁在环境中长期存在。本研究将烟草废弃物堆肥研究从经验观察层面提升到了基于机制和网络模型的新高度，为在循环农业系统中构建高效的共堆肥策略提供了实用的理论依据。
章节节选
原始堆肥原料
用于研究的烟草废弃物（即被丢弃的烟茎和烟秆）采集自中国贵州省六盘水市，经风干处理后被切碎至1.0–1.5厘米长。蘑菇培养基是一种来自白色绒盖菇栽培过程的木质纤维素类副产品，采集自云南省昆明市（东经103°29′，北纬26°41′）。牛粪则取自昆明市的一家当地养牛场。用于堆肥的商用木质纤维素分解菌剂含有韦莱森氏芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌，其活菌浓度不低于5×10?个菌落形成单位/克，该菌剂购自潍坊亿豪公司。
物理化学变化过程与工艺稳定性
温度变化曲线（见图1a）和基质孔隙度数据（见表S2）均显示出明显的堆肥进程特征，而这些特征会随着烟草废弃物的添加而发生变化。第1天时，T4处理组的温度达到了39摄氏度，而T1–T3处理组的温度仍处于中温范围，为26–28摄氏度。到第5天时，所有处理组都进入了高温分解阶段，其中T4处理组的温度最高，为51摄氏度，其次是T3组（47摄氏度）、T2组（39摄氏度）和T1组（30摄氏度），这表明烟草废弃物的添加通过提高基质孔隙度并增加易降解的碳源，提升了初始阶段的微生物活性[23]。此后还出现了第二次高温峰值。
结论
本研究证明，将富含尼古丁的烟草废弃物与用过的蘑菇培养基及牛粪一起进行共堆肥处理，确实可以将这些有害的农业废弃物转化为无植物毒性的、经过腐殖化处理的有机改良剂。不同比例的烟草废弃物添加对堆肥效果存在非线性影响：添加30%烟草废弃物的处理组（T3组）的残留尼古丁含量最低，腐殖酸含量最高，碳氮比也最为理想，因此是实际应用中最优的添加比例。相反，添加45%烟草废弃物的处理组（T4组）则表现出最高的微生物多样性，
作者贡献说明
埃尔斯谢赫·埃尔斯西迪格·A·E：负责文章的审阅与编辑工作，以及初稿的撰写。杨世梅：负责文章的审阅与编辑、初稿撰写，同时还承担了数据验证、方法设计、正式数据分析以及数据整理等工作。周子岩：负责数据的可视化处理以及方法设计工作。戴东琴：负责文章的审阅与编辑、初稿撰写工作。刘栋：同样负责文章的审阅与编辑、初稿撰写工作。萨奥瓦卢克·蒂布普罗玛：负责文章的审阅与编辑、初稿撰写工作。尤西斯夫·阿卜杜勒拉赫曼·尤西斯夫·阿卜杜拉：负责文章的撰写工作——
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了云南省财云博士后项目、通过食用蘑菇栽培实现农业废弃物清洁转化与高效回收利用项目（项目编号2023520000240179）、云南省重点科技项目（项目编号202602AE090049）、针对刘栋的云南省人才振兴支持计划，以及云南省科技创新计划（项目编号202205AD160036）的资金支持。
杨世梅|尤西斯夫·阿卜杜勒拉赫曼·尤西斯夫·阿卜杜拉|刘栋|黄占平|高强|娄芳能|丁婷婷|严竹月|里兹万·汗|刘建伟|周子岩|埃尔斯谢赫·埃尔斯西迪格·A·E|萨奥瓦卢克·蒂布普罗玛|戴东琴|于福强
中国科学院昆明植物研究所野生植物种质库，云南省真菌多样性与绿色发展重点实验室，以及东南亚南亚地区真菌可持续利用国际联合实验室，地址：中国昆明市650201
