《Frontiers in Microbiology》：Mineral-specific effects on humification and bacterial community succession in industrial-scale spent mushroom substrate composting
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摘要：菌渣（SMS）是一种富含木质纤维素的农业副产物，其缓慢的腐殖化过程可能限制堆肥产品的品质与农艺价值。本研究比较了四种低成本矿物改良剂：页岩粉（S）、莫来石基土壤调理剂（SC）、烟气脱硫石膏（DG）和稀土硅钛矿粉（TO）。每种矿物按菌渣干质量的10%添加，
摘要：菌渣（SMS）是一种富含木质纤维素的农业副产物，其缓慢的腐殖化过程可能限制堆肥产品的品质与农艺价值。本研究比较了四种低成本矿物改良剂：页岩粉（S）、莫来石基土壤调理剂（SC）、烟气脱硫石膏（DG）和稀土硅钛矿粉（TO）。每种矿物按菌渣干质量的10%添加，进行为期40天的工业规模堆肥。研究评估了矿物结构、理化性质、腐殖质组分、溶解性有机质（DOM）荧光组分及细菌群落演替。结果表明，矿物改良剂加速了堆体升温，延长了高温期，并促进了堆肥腐殖化。与对照（CK）相比，S、SC、DG和TO处理的最终腐殖酸（HA）含量分别增加了20.6%、28.1%、10.7%和7.9%，腐殖化指数（HI）分别增加了25.9%、41.5%、14.9%和16.0%，其中SC表现出最强的综合腐殖化响应。EEM-PARAFAC分析揭示了矿物特异性DOM转化模式：与CK相比，S和SC处理中高腐殖化C3组分的相对丰度分别增加了9.1%和17.3%，而DG处理优先使C2组分增加了18.8%，TO处理中C3组分则轻微降低了2.3%。SC使高腐殖化C3组分的相对比例增加了17.3%，而DG使C2组分较CK增加了18.8%。矿物改良剂还以阶段依赖的方式重塑了细菌群落演替。SC在高温期和降温期富集了与有机质转化和腐殖化相关的耐热核心菌属，而DG和TO则对与腐熟相关的放线菌门（Actinomycetota）——尤其是马氏菌属（Nonomuraea）——表现出更强的选择作用。Mantel分析进一步揭示了矿物诱导的核心细菌群落变化与堆肥条件和腐殖化特征变化之间的显著关联（Mantel r = 0.323–0.728，FDR校正p < 0.05）。这些发现表明，莫来石基调理剂对提升菌渣堆肥腐熟度和腐殖化程度最为有效，为定向选择低成本矿物改良剂及农业副产物的资源化利用提供了科学依据。
基于《Frontiers in Microbiology》论文《Mineral-specific effects on humification and bacterial community succession in industrial-scale spent mushroom substrate composting》的解读文章
一、研究背景与科学问题
菌渣（SMS）是食用菌栽培后残留的固体基质，年产量随着全球食用菌产业的扩张而快速增长，中国贡献了全球70%以上的食用菌产量，每生产1公斤鲜菇约伴随5公斤菌渣产生。菌渣富含木质纤维素及结构复杂的芳香族化合物，若不能有效循环利用，会造成碳素和养分资源的浪费，并带来环境负担。堆肥是将菌渣转化为稳定有机改良剂的重要途径，其核心在于通过微生物降解与腐殖质形成的耦合过程实现有机物的稳定化。然而，菌渣中难降解木质纤维素组分多，有机质周转缓慢，腐殖化进程受限，最终影响堆肥产品的品质和农用价值。因此，提高菌渣中顽固性组分向稳定腐殖质组分的转化效率，对于提升堆肥的肥料价值与碳封存潜力具有重要意义。
矿物改良剂作为堆肥功能调节剂受到越来越多的关注。矿物不仅可以改善堆体通气、水分分布和微生物定殖微环境，其表面官能团和离子交换位点还可截留溶解性有机质（DOM）、铵态氮等活性组分，并通过表面络合、阳离子桥接、催化反应等过程调节生物转化与非生物缩合之间的平衡。已有研究表明，沸石可改善氮素保留，海泡石可促进有机质转化并降低重金属生物有效性，膨润土和凹凸棒石可促进堆肥腐熟和腐殖酸（HA）形成。然而，以往研究多集中于单一天然矿物或相近类型的黏土矿物，缺乏在工业规模条件下将天然矿物、合成矿物及矿物源工业副产物进行并排比较的证据。不同矿物在孔隙结构和界面化学性质上的差异如何转化为特定的腐殖化结果，以及这些物化约束是否伴随阶段依赖的细菌群落演替，目前仍不清楚。矿物性质、DOM转化、微生物演替与腐殖化响应之间的机制联系尚未建立。
二、研究设计与技术方法
研究人员选取了四种具有资源回收潜力的低成本材料——天然页岩（S）、合成莫来石基土壤调理剂（SC）、烟气脱硫石膏（DG）和稀土硅钛矿粉（TO），以10%的添加比例（基于菌渣干质量）进行40天的工业规模槽式堆肥。堆肥在河北省邢台市威县某生物技术公司生产车间开展，设置不添加矿物的对照（CK）以及S、SC、DG、TO共五个处理，每个处理为一个独立条垛（处理水平n=1）。样品分别在第0、4、7、14、18、31和40天采集，微生物群落分析选取升温期（第0天）、高温期（第18天）、降温期（第31天）和腐熟期（第40天）四个代表性阶段。
主要关键技术方法包括：（1）矿物表征：采用扫描电子显微镜（SEM）观察形貌，利用Brunauer–Emmett–Teller（BET）法测定比表面积和孔隙参数；（2）堆料理化分析：依据中国有机肥料标准（NY/T 525–2021）测定pH、电导率（EC）、含水率和发芽指数（GI），使用CHNS元素分析仪测定总有机碳（TOC）和总氮（TN）；（3）腐殖质组分测定：提取腐殖质（HS）、腐殖酸（HA）和富里酸（FA），计算腐殖化指数（HI）、腐殖化率（HR）和聚合度（DP）；（4）DOM荧光分析：利用荧光光谱仪获取激发-发射矩阵（EEM），并采用平行因子分析（PARAFAC）解析荧光组分；（5）微生物分析：提取堆肥样品总DNA，扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区，在Illumina平台进行PE300双端测序，经质量过滤、OTU聚类和分类注释后，进行多样性分析、主坐标分析（PCoA）、相似性分析（ANOSIM）、共现网络分析和Mantel检验。
三、主要研究结果
1. 矿物表征
四种矿物表现出显著不同的表面形貌和孔隙结构。页岩具有最大的比表面积（9.82 m2·g?1）和最小的平均孔径（12.68 nm），表面吸附位点丰富；莫来石具有与其相当的比表面积（9.65 m2·g?1）和较高的孔体积（0.0201 cm3·g?1），平均孔径为28.99 nm；脱硫石膏孔体积最大（0.0208 cm3·g?1）、平均孔径最大（29.88 nm），但比表面积较低（8.10 m2·g?1）；稀土硅钛矿粉的比表面积（3.53 m2·g?1）和孔体积（0.0044 cm3·g?1）均最低。比表面积、孔体积和表面化学共同调节矿物界面上有机质的截留与转化。
2. 堆肥理化性质
矿物添加重塑了堆体温度动态。CK在第8天才首次超过50°C并保持高温13天，而矿物处理在4–6天内便达到50°C并维持高温27–28天。SC表现出最强的高温强度，在第18天达到67.7°C；S、DG和TO的最高温度分别为62.0、59.3和61.3°C。所有处理pH值在堆肥过程中上升，SC在腐熟期达到最高pH（8.50）。EC总体呈下降趋势，但DG在整个堆肥过程中保持最高EC，这与脱硫石膏中CaSO?溶解导致可溶性Ca2?和SO?2?浓度升高有关。GI在所有处理中持续上升并在第40天超过100%，表明植物毒性降低、腐熟度提高。SC和S的最终GI最高，分别为147.8%和145.5%，而CK为133.5%、DG为125.7%、TO为116.4%。TOC在堆肥过程中下降24.4–29.0%，DG的总有机碳损失最大（29.0%）。TN在所有处理中均相对初始值升高，矿物处理最终TN为18.2–21.9 mg·g?1，高于CK的17.5 mg·g?1。
3. 腐殖质组分的转化
腐殖质在整个堆肥过程中积累，处理间差异明显。腐熟期HS含量在S和SC中分别达到15.34和16.05 mg·g?1，较CK增加14.4%和19.7%，均显著高于CK（p < 0.05）。HS的增加主要由HA形成驱动。在高温期，S和SC中的HA含量曾短暂下降，但降温至腐熟期分别增加74.4%和45.3%；最终S和SC的HA含量分别达11.93和12.67 mg·g?1，较CK提高20.6%和28.1%，两者均显著高于CK、DG和TO（p < 0.05）。FA在所有处理中先短暂上升后下降，最终各处理间无显著差异。腐殖化指数进一步确认了矿物特异性效应：SC在腐熟期具有最高HI（5.88）、HR（7.45%）和DP（3.75），较CK分别提高41.5%、32.2%和33.5%；S次之，HI和DP分别为5.23%和3.50；DG和TO的腐殖化响应居中。总体而言，腐殖化响应顺序为SC > S > DG/TO > CK。
4. DOM荧光组分的演变
PARAFAC解析出三个荧光组分：类富里酸组分（C1）和两个类腐殖质组分（C2、C3）。堆肥过程中，荧光DOM从类富里酸向类腐殖质组分逐渐转移。在腐熟期，SC表现出最强的向C3组分转移的趋势：C1比例从31.93%降至17.26%，C3比例从23.41%升至40.81%，在五个处理中具有最低C1比例和最高C3比例。S处理中C1从38.21%降至26.20%，C3从18.67%升至37.97%。DG处理中C2在腐熟期占41.67%，而C3仅占29.34%，表明脱硫石膏优先富集C2组分。TO处理最终C1、C2和C3比例分别为29.69%、36.31%和34.00%，与CK（30.11%、35.09%、34.80%）接近，表明其对DOM最终分布影响有限。相关性分析显示比表面积和微孔体积与HA、HI及DOM C3呈正相关，支持矿物结构特性与堆肥腐殖化之间的紧密关联。
5. 矿物改良剂重塑细菌群落演替
细菌群落组成呈现显著的时序演替。在门水平，芽孢杆菌门（Bacillota）在升温期、高温期和降温期占主导（51.97–94.74%），牛物腐熟期相对丰度降至18.11–26.71%，同时放线菌门（Actinomycetota）、变形菌门（Pseudomonadota）和拟杆菌门（Bacteroidota）增加。腐熟期放线菌门在DG和TO中分别占35.80%和30.47%，而CK仅10.31%。属水平上，升温期S和SC中乳酸杆菌属（Lactobacillus）和黏液乳杆菌属（Limosilactobacillus）合计占29.58%和40.02%，而DG和TO中醋酸杆菌属（Acetobacter）占12.99%和22.29%。高温期和降温期，Tuberibacillus、Weizmannia、芽孢杆菌属（Bacillus）、地芽孢杆菌属（Geobacillus）、Planifilum和Parageobacillus等耐热属丰度增加。腐熟期，马氏菌属（Nonomuraea）在DG和TO中显著富集，分别达23.46%和20.18%，而CK、S和SC中仅为1.90–3.66%。
多样性方面，Chao1和Shannon指数在高温期至降温期下降，腐熟期恢复。PCoA显示细菌群落沿时间轴明显分离，但ANOSIM未检测到矿物处理间的总体显著差异（R = ?0.137，p = 0.98）。阶段匹配比较显示，腐熟期DG和TO与CK的Bray–Curtis距离最大（0.699和0.725），而SC在所有阶段与CK的平均距离最大（0.618），说明SC的影响跨越多个堆肥阶段，DG和TO的影响在腐熟期更突出。共现网络分析显示，矿物处理后网络边数较CK（167个节点、1431条边）减少（520–1152条边），但模块化更高（0.748–0.903），负相关比例从CK的11.88%增加至25.96–38.65%；SC具有最高模块化（0.903），DG具有最高负边比例（38.65%）。
6. 与腐殖化相关的核心细菌演替
共鉴定出19个全球核心细菌属，其中16个在所有样品中稳定检出。Tuberibacillus、Weizmannia和Bacillus是最丰富的核心属，平均相对丰度分别为11.5%、11.2%和7.7%。SC在高温期和降温期富集了Bacillus、Geobacillus、Planifilum和Thermobifida等具有胞外酶产生和木质纤维素降解潜力的属，这与SC较高的HA、HI、DP和DOM C3一致。S保持相对均衡的核心群落。DG和TO在腐熟期主要富集Nonomuraea和Parapedobacter，这些属与高温期后半段半纤维素和木质纤维素降解及多糖水解有关。Mantel分析显示，核心群落组成与温度、pH、EC、GI、TOC、HI、HA和DOM C3显著相关（Mantel r = 0.323–0.728，FDR校正p < 0.05）；非核心属还与DP相关。属级Spearman相关分析进一步表明，Nonomuraea与GI和DOM C3正相关、与温度负相关；Thermobifida与HI正相关、与TOC和DOM C2负相关；Caenibacillus和Caldibacillus与TOC或低腐殖化DOM组分正相关、与HA、HI、GI或DOM C3负相关。这些模式表明，矿物特异性核心属丰度变化与有机碳转化、腐殖质积累和DOM组成差异密切相关。
7. 矿物特异性腐殖化的耦合途径
综合证据表明，矿物特异性腐殖化可能源于非生物矿物-有机质相互作用与阶段依赖微生物演替的耦合。在非生物界面，吸附、表面共沉淀、阳离子桥接和孔尺度限制可促进腐殖质前体的截留和局部富集，增加其后续缩合和聚合机会，同时限制进一步矿化。SC虽比表面积与S相当，但其孔体积约为S的两倍、平均孔径更大，这种结构优势与HA、HI和类腐殖质C3组分的最高增幅一致，说明比表面积并非决定腐殖化性能的唯一因素。富含CaSO?的DG优先增强C2组分，提示离子介导路径可能主导其DOM转化；而TO因结构致密、比表面积低，限制了前体截留和微生物转化，最终DOM组成变化很小。SC因兼具发达的中孔结构和反应性矿物界面，可能耦合了微生物转化与中间产物截留，从而促进腐殖质形成。
四、讨论与结论
本研究通过综合比较四种不同来源矿物对工业规模菌渣堆肥的影响，揭示了矿物性质、DOM转化、细菌群落演替与腐殖化响应之间的内在联系。SC的表现说明矿物的腐殖化效果不仅取决于比表面积，孔隙可达性和表面反应性同样关键。DG和TO对腐熟期放线菌门的选择作用表明，矿物类型可通过改变特定生态位来影响功能菌群的阶段分布。研究结论为：矿物种类及来源决定了菌渣堆肥中有机质转化、腐殖化和细菌群落演替的不同模式。总体而言，矿物改良剂加速了堆体升温、延长了高温期、促进了腐殖质形成并增强了堆肥腐熟度。莫来石基土壤调理剂具有最强的综合性能，HA含量较CK提高28.1%，腐殖化指数提高32.2–41.5%，同时促进DOM向更复杂的类腐殖质组分转化。核心细菌群落的矿物特异性重新分布与腐殖化模式相平行：SC在高温期和降温期富集与有机质转化和腐殖化相关的耐热核心菌属，页岩保持相对均衡的种属组合，而DG和TO选择腐熟期相关的放线菌门（如Nonomuraea）。综上所述，莫来石基调理剂是提升菌渣堆肥腐熟度和腐殖化程度最有效的改良剂，这些发现为开发低成本矿物改良堆肥策略提供了实践依据。
