废弃蘑菇基质提取物作为天然物质生物刺激剂：对黄瓜生长、叶绿素和根系构型的影响

《Plant Science》：Spent mushroom substrate extracts as natural-substance biostimulants: effects on growth, chlorophyll and root architecture of cucumber

　　

摘要

废蘑菇培养基（SMS）是一种丰富的农业工业副产品，富含转化后的有机物、养分以及潜在的生物活性化合物，使其成为生产生物刺激剂的有前景的原料。然而，化学获得的碱性SMS提取物促进植物生长的潜力，尤其是在不同施用途径下的效果，仍未得到充分研究。本研究测试了口蘑（Agaricus bisporus）废培养基的碱性提取物是否能刺激黄瓜（Cucumis sativus L.）的生长和生理机能。使用10%氢氧化钾提取SMS，并将该提取物与一种商业腐殖酸基产品进行比较。两者均以叶面喷施或土壤浇灌的方式施用于黄瓜，有机碳（Corg）浓度为0.1、0.25、0.5和1.0%。测量了生长量、生物量、叶绿素含量、根系形态和氧化标志物，并使用LC-MS/MS和GC-MS对提取物进行了分析。与未处理的对照组相比，SMS提取物促进了生长，在0.5-1.0% Corg时响应最强。叶面施用增加了叶绿素含量和茎长，在1.0% Corg时增幅约为26%；而土壤施用则产生了最大的根系响应，在1.0% Corg时根长和根体积分别比对照高出约72%和74%，并将干生物量提高了最多30%。过氧化氢含量、脂质过氧化和过氧化氢酶活性未发生显著变化，表明在所测试条件下未检测到氧化胁迫。化学分析显示，该提取物为一种多组分基质，包含腐殖质类物质以及微生物肽类和吲哚相关代谢物、酚类化合物和有机酸，这为观察到的生长和叶绿素响应提供了合理的解释基础。部分响应可能源于营养作用，因为该提取物提供了钾和氮；对果实产量和品质的影响未进行测量，仍有待确认。碱性SMS提取物作为废弃物衍生生物刺激剂在园艺领域具有进一步开发的价值。

引言

对可持续作物生产日益增长的需求，加大了对能够提高植物生长和生理性能、同时减少传统农业化学品依赖的天然废弃物衍生产品的搜索力度。植物生物刺激剂作为通过不限于直接提供矿质养分的机制来增强植物营养过程、养分利用效率、非生物胁迫耐受性和作物品质的产品，引起了广泛关注（du Jardin, 2015）。这一功能性定义将生物刺激剂与传统肥料和植物保护产品区分开来，尽管在实际应用中，其效应可能涉及营养、生理和代谢反应（Yakhin等, 2017）。在众多用于生产生物刺激剂的原料中，农业工业和园艺残余物因其兼具农学功能性与循环经济和废弃物资源化原则而尤为引人关注（Calvo等, 2014）。

废蘑菇培养基（SMS）是蘑菇栽培后剩余的残余材料，是蘑菇产业的主要副产品之一。在口蘑生产中，SMS由连续采收后剩余的堆肥基质和覆盖层材料组成，连同残余的菌丝体、微生物生物量、有机物、矿质养分以及在真菌生长和基质降解过程中形成的化合物。SMS的组成取决于栽培的蘑菇种类、基质配方、栽培技术和采集材料的阶段，这使其成为一种化学和生物学上复杂的资源（Martín等, 2023）。在口蘑系统中，废基质在采收结束后可能仍保留大量有机物和养分，支持其在肥料导向策略中的潜在应用（Becher等, 2021）。

尽管SMS传统上被视为废弃物或低价值副产品，但它越来越被认为是一种具有农业、环境和生物技术应用价值的宝贵材料。近期的综述文章强调了其作为土壤改良剂、堆肥材料、有机肥、动物饲料组分、生物能源原料以及进一步生物产品开发源材料的潜在用途（Kousar等, 2024）。蘑菇副产品的资源化尤其相关，因为蘑菇栽培主要基于有机残余物的生物转化，而栽培后的材料仍富含生物学转化后的有机物（Guo等, 2022）。SMS的直接使用可能受到组成变异性、盐分、pH值、成熟度和处理要求的限制。将SMS转化为液态提取物可能代表一种替代的资源化途径，能够实现更可控的施用，并且与现代园艺实践的潜在兼容性更高。

SMS资源化的一种有前景的方法是碱提取法。用氢氧化钾处理可以溶解有机组分并促进腐殖质类物质的释放，包括腐殖酸和富里酸。碱提取法常用于从有机和腐殖化材料中获取腐殖质，因为这些化合物在碱性条件下更易溶，而后续分级可以根据其溶解行为分离腐殖酸和富里酸组分（Saito和Seckler, 2014）。使用KOH在农学上也具有相关性，因为钾是植物必需的营养元素，其在提取物中的存在可能对最终配方的营养价值有所贡献。在此意义上，KOH来源的SMS提取物可能兼具腐殖酸制剂和含养分的有机提取物的特征（Malyushevskaya等, 2023）。

腐殖酸和富里酸是讨论最多的具有生物刺激剂特性的有机化合物之一。它们对植物的影响与促进根系发育、改善养分吸收和同化、调节初级和次级代谢以及生理性能变化有关（Canellas等, 2015）。腐殖质还可能通过类激素活性、膜转运过程修饰和根系质膜刺激来影响植物生长，这可以影响养分获取和根系发育。然而，SMS来源的碱性提取物不应仅被视为腐殖酸和富里酸的溶液。由于SMS的生物学来源和转化历史，此类提取物还可能含有可溶性碳水化合物、氨基酸、肽类、有机酸、酚类化合物、矿质养分、微生物残余物和真菌代谢物。因此，其对植物的影响可能源于腐殖质、养分组分和其他生物活性分子的联合作用（Martín等, 2023）。

SMS提取物的生物活性可能取决于多种有机和无机组分之间的相互作用。在口蘑栽培过程中，真菌菌丝体和伴生微生物转化基质的木质纤维素和有机组分，可能产生对植物具有生理相关性的化合物。这些化合物可能通过提供可用养分或生物活性分子直接影响植物生长，也可能通过影响养分有效性、根系形态、光合活性和植物整体代谢状态间接影响植物生长。在这方面，SMS来源的提取物可能属于腐殖酸基和有机生物刺激剂的更大范畴，其效果取决于化学组成、植物种类、生长阶段、环境条件和施用方式（Jindo等, 2020）。

施用方式尤其重要，因为土壤处理和叶面处理可能在吸收途径、植物响应动态以及营养和信号效应的相对贡献方面存在差异。土壤施用可能通过改变养分有效性和刺激根系生长直接影响根区，而叶面施用可以直接将可溶性化合物输送到地上组织，并可能影响光合活性、叶绿素状态和代谢响应。此前对植物生物刺激剂的研究表明，施用策略可以显著影响植物响应，且根区和叶面处理可能根据生物刺激剂的类型和作物系统均具有相关性（Colla等, 2017）。

黄瓜是一种适合评估有机提取物生物刺激剂潜力的测试植物，因为它生长迅速、对营养和生理变化敏感，且在园艺生产中具有实际相关性。早期植物发育是检测生物刺激剂效应的有利阶段，因为茎伸长、生物量积累、叶绿素含量和根系形态的变化可以同时反映营养改善和生理刺激。根体积、总根长和根表面积等根系参数是植物水分和养分获取能力的重要指标，可能为仅靠地上部测量无法捕捉的地下部响应提供见解。根系性状越来越被认为是作物表现的关键决定因素，因为它们影响资源获取、植物定植以及对不断变化的生长条件的适应（Wang等, 2021）。

尽管SMS资源化的关注度日益增加，但大多数工作集中在SMS直接混入土壤或生长基质中，或将SMS转化为固体微量元素肥料，其效果主要与有机物输入、养分释放和土壤性质改良有关（Tuhy等, 2015）。关于化学获得的碱性SMS提取物作为液态生物刺激剂使用的研究，以及其效果如何依赖于施用途径的了解甚少。少数研究检查了化学获得的SMS提取物，并在不同施用途径下比较了其潜在效果。KOH提取的SMS的复杂组成表明，植物响应可能不能仅归因于腐殖酸和富里酸，而是源于腐殖质类物质、养分和真菌来源代谢物的更广泛混合物（Paredes等, 2016）。

本研究的目的是评估口蘑栽培三次采收后获得的废蘑菇培养基的氢氧化钾提取物是否对黄瓜具有生物刺激剂作用。该提取物施用于土壤或叶片，并评估茎长、叶绿素含量、鲜重和干生物量以及根系形态，即根体积、总根长和根表面积。测试了两个关联假设：该提取物通过腐殖质类和微生物来源成分而非仅通过矿质营养促进生长，以及响应取决于施用途径，土壤浇灌有利于根系形态，叶面喷施有利于叶绿素状态。使用LC-MS/MS和GC-MS分析将提取物的组成与观察到的生理响应联系起来。碱性液态提取和在同一实验中同时比较土壤和叶面施用的方法使本研究区别于此前使用固体SMS基肥料或单一施用途径的报道。

片段

废蘑菇培养基

本研究中使用的废蘑菇培养基（SMS）来自波兰最大的蘑菇生产商之一的商业口蘑（Agaricus bisporus）生产设施。该材料在栽培周期结束后立即采集，第三次采收后收集，以确保其代表典型的产后阶段基质。SMS由蘑菇栽培后剩余的废堆肥和覆盖层材料组成，

SMS提取物的基本特征和处理制备

SMS提取物和商业参考产品通过制备植物处理溶液相关的基本理化参数进行比较。有机碳含量用作制备两种产品等效工作浓度的主要参考参数（表1）。

SMS提取物表现出与商业腐殖酸基参考产品声明值相当的理化特性，特别是在干物质含量和碱性pH值方面。该

结论

本研究证明，使用氢氧化钾对废蘑菇培养基（SMS）进行碱提取，产生了一种能够刺激黄瓜生长和生理多方面特性的液态制剂。该提取物表现出与市售腐殖酸基生物刺激剂相当的理化特性，使两种产品能够在等效有机碳浓度下进行评价。

在研究的各项参数中，SMS提取物始终如一地

CRediT作者贡献声明

Katarzyna Chojnacka：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。Grzegorz Izydorczyk：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，调查研究，形式化分析，概念化。

生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本作品期间，作者仅使用ChatGPT将手稿从波兰语翻译成英语。作者根据需要对生成的输出进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

K. Chojnacka和G. Izydorczyk是波兰专利申请P.243305的共同发明人（一种从废弃物生物质生产氨基酸肥料的方法），该专利与本研究的主题相关。该专利申请对本研究的设计、实施、分析或解释没有影响。K. Chojnacka还是其他关于废弃物生物质肥料的专利和申请的共同发明人，包括PL 234738 B1。作者声明不存在其他利益

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。

Grzegorz Izydorczyk | Katarzyna Chojnacka

波兰弗罗茨瓦夫科技大学先进材料技术系，弗罗茨瓦夫，下西里西亚，50-370，波兰