采用微生物接种的膜覆盖堆肥系统，通过改变调节机制，使其更倾向于微生物介导的转化过程，从而促进腐殖化的进程

《Journal of Environmental Management》：Membrane-covered composting systems with microbial inoculation enhance humification by shifting regulation toward microbially mediated transformation

　　

摘要

膜覆盖的堆肥系统越来越多地被用于增强腐殖化过程，但在接种条件下腐殖质（HS）转化的微生物-代谢机制仍不明确。本研究通过结合激发-发射矩阵荧光光谱（EEM–PARAFAC）、非靶向代谢组学和高通量微生物群落分析，在相同的微生物接种条件下比较了膜覆盖和未覆盖的堆肥系统。在微生物接种条件下，膜覆盖使类似腐殖质的组分增加了7.8%，同时减少了类似蛋白质的组分12.7%，表明腐殖化程度更高。与此同时，木质素的降解相对增加了85.9%，表明木质纤维素降解与腐殖质形成之间的耦合更强。代谢组学分析显示，未覆盖系统中的C1-和C2-相关代谢物主要是木质素衍生的芳香化合物，反映了与底物相关的腐殖化途径。相比之下，膜覆盖使与腐殖质相关的代谢物谱向碳水化合物、核苷和有机含氧化合物转变，表明微生物-代谢在腐殖质转化中可能涉及更多。KEGG富集进一步显示，在膜覆盖条件下，芳香氨基酸生物合成和苯甲酸衍生物的降解得到了增强，可能为与木质素衍生的多酚缩合提供了芳香中间体和反应性功能基团。此外，共现网络分析表明，膜覆盖使与腐殖质相关的细菌-代谢物-木质纤维素降解网络从单一连接网络转变为两个独立模块，表明微生物-代谢关联模式更加分化。总体而言，膜覆盖在微生物接种条件下重新组织了腐殖化途径，使腐殖质转化过程更多地依赖于微生物-代谢作用，并为腐殖质转化和堆肥优化提供了机制上的见解。

引言

堆肥是一种经济高效且环境可持续的方法，可以将农业废弃物和畜禽粪便转化为富含腐殖质（HS）的宝贵有机肥料（Hartmann等人，2015年）。在腐殖化过程中形成稳定的HS是堆肥的关键生化过程，因为它反映了有机物（OM）向稳定腐殖质材料的转化，并决定了最终堆肥产品的成熟度和碳稳定潜力（Jiang等人，2021年）。根据广泛接受的腐殖化理论，木质纤维素的降解会产生反应性前体，这些前体随后与含氮物质缩合形成HS（Kirui等人，2022年）。然而，尽管目前对腐殖化过程有了一定的理解，但在堆肥系统中调节腐殖化仍然具有挑战性，主要是由于木质纤维素的降解速度较慢。这种顽固性限制了微生物的降解能力，从而限制了关键腐殖化前体的可用性和转化效率（Zhang等人，2024年）。虽然微生物对木质纤维素衍生物中间体的呼吸作用为微生物生长提供了碳和能量，但过度的矿化会将这些中间体从HS合成途径中分流出去，导致养分损失和堆肥质量下降（Zhang等人，2025年）。因此，通过促进这些中间体转化为HS而不是完全矿化来调节其代谢命运，是实现高效堆肥的关键科学挑战。

最近，膜覆盖和微生物接种剂越来越多地被用作提高堆肥质量和效率的有希望的策略（Xiong等人，2021年）。据报道，膜覆盖通过创造一个更稳定的微环境（具有充足的氧气供应和增强的水分保持能力）来改善堆肥性能，同时减少养分损失（Fang等人，2022年）。这些效应通常与温室气体排放减少以及微生物群落组成和结构的变化相关（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b）。类似地，专门的微生物接种剂也被报道可以影响OM分解和参与腐殖化过程的微生物代谢活动。例如，用Phanerochaete chrysosporium和Trichoderma longibrachiatum接种沼气残渣可以增强木质纤维素降解和HS形成（He等人，2022年）。膜覆盖和微生物接种剂各自都被报道可以影响堆肥性能和腐殖化过程。最近的一项研究报道，在结合应用这两种方法时，腐殖化得到增强（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b）。然而，这些效应是否适用于不同的堆肥系统仍不清楚。更重要的是，联合处理条件下腐殖化背后的微生物代谢机制尚未得到充分理解。这种机制上的空白限制了对腐殖化过程的精确调控和优化，从而限制了这些堆肥策略的广泛应用。

微生物在腐殖化过程中起着核心作用，它们驱动OM降解并介导提供HS形成所需的碳骨架和功能基团的代谢过程（Zhang等人，2024年；Gao等人，2019年）。然而，这种理解主要基于16S rRNA基因测序（例如PICRUSt），这反映了代谢潜力而不是原位代谢活性（Zhao等人，2021年）。为了克服这一限制，需要直接的分子证据将微生物活动与HS转化联系起来。非靶向代谢组学通过全面分析参与腐殖化的微生物代谢物和潜在的低分子量前体提供了此类证据（Chen等人，2022年；Ma等人，2023年）。同时，EEM–PARAFAC有助于表征和区分HS组分（Chang等人，2025年）。因此，EEM–PARAFAC、非靶向代谢组学和高通量测序的结合建立了一种强大的多组学方法，将微生物代谢动态与堆肥过程中腐殖质组分的分子转化联系起来。

因此，本研究旨在阐明膜覆盖堆肥系统结合微生物接种影响腐殖化的机制，特别关注微生物代谢调节在塑造HS形成和稳定中的作用。通过将HS组分的分子特征分析与微生物代谢物谱分析和细菌-代谢物-HS关联网络分析相结合，本研究提供了联合处理条件下观察到的腐殖化增强的机制见解。这种机制理解对于改进过程控制和指导堆肥策略的优化，以实现更高效和可持续的有机废物回收至关重要。

部分摘要

微生物接种

微生物接种剂是根据Li（2022年）描述的方案制备的。这里使用的菌株最初从羊粪和落叶中分离得到。该微生物接种剂由两种细菌菌株（Pseudomonas属和Bacillus属）和两种真菌菌株（Trichoderma属和Pichia属）组成。这四种菌株分别在45°C下培养5天，直到活菌数量达到约10⁹ CFU/mL^?1，并且纤维素酶活性较高

腐殖质组分的荧光成分变化

使用EEM-PARAFAC模型鉴定出四种HS荧光组分（图S3）：组分1（C1；Ex/Em = 265/465 nm）和组分2（C2；Ex/Em = 240/415 nm）代表类似腐殖质的组分，而组分3（C3；Ex/Em = 275/345 nm）和组分4（C4；Ex/Em = 220/295 nm）对应于类似蛋白质的组分，这与之前的光谱鉴定结果一致（Pucher等人，2021年；Lambert等人，2017年；Yang等人，2019年；Pitta和Zeri，2021年）。C1反映了稳定的

结论

在相同的微生物接种条件下，膜覆盖的堆肥系统产生的腐殖质（HS）具有更稳定的结构特征，并且显示出更高的微生物-代谢参与腐殖化途径的趋势。这一组合系统加强了木质纤维素降解与HS形成之间的耦合。非靶向代谢组学显示，与芳香氨基酸生物合成相关的代谢途径得到了富集

CRediT作者贡献声明

Jun Wang：数据管理、正式分析、调查、方法学、初稿撰写、审阅和编辑。Fan Liu：数据管理、调查。Davey L. Jones：审阅和编辑。David R. Chadwick：审阅和编辑。Wenhai Mi：审阅和编辑。Yinfeng He：审阅和编辑。Qingxu Ma：资金获取、项目管理、监督、审阅和编辑。Lianghuan Wu：概念化、资金获取、方法学

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（32172674, 32402680）、浙江省重点研发计划（2022C02018, 2023C02016）和浙江省自然科学基金（LLSSZ24C030001, LZ23C150002）以及国家重点研发计划（2023YFD1900601; 2023YFD2302200）的支持。

Jun Wang|Fan Liu|Davey L. Jones|David R. Chadwick|Wenhai Mi|Yinfeng He|Qingxu Ma|Lianghuan Wu

浙江大学环境与资源科学学院，浙江省农业资源与环境重点实验室，杭州，310058，中国