铁改性金顶侧耳菌渣堆肥：木质纤维素降解与微生物功能潜力

《Foods》：Iron-Amended Pleurotus citrinopileatus Residue Composting: Lignocellulose Degradation and Microbial Functional Potential

　　

金顶侧耳（Pleurotus citrinopileatus）栽培产生的废菌渣（SMS）是一种富含木质纤维素的副产品，其高效堆肥受限于木质纤维素顽固性及腐殖化缓慢。研究人员在30天鸡粪好氧共堆肥中，比较了Fe3O4基磁粉（MP）、Fe0珠（IB）和富Fe2O3粗铁矿（RI）与未改良对照的效果。结合理化表征与宏基因组测序评估堆肥成熟度、木质纤维素降解、腐殖物质转化、微生物演替及功能潜力。MP综合表现最优：总木质纤维素降解率最高（59.48%），终有机质量最低（357.70 g/kg），终C/N为13.04，发芽指数（GI）最高（151.50%）。RI半纤维素降解率最高，腐殖酸（HA）与总腐殖物质终含量最高；IB促进初期快速升温与较高纤维素降解，但理化波动较大。宏基因组分析揭示改良剂特异的微生物演替及与木质纤维素转化和碳代谢相关的特异CAZy注释基因和MetaCyc通路谱。综上，Fe3O4基磁粉在同步促进木质纤维素降解、有机质转化与堆肥成熟度方面潜力最大，为食用菌产业副产品可持续资源化提供实践依据。

研究背景方面，全球食用菌产业快速扩张使废菌渣（SMS）年产生量巨大，金顶侧耳（Pleurotus citrinopileatus）因栽培周期短在中国广泛种植，其SMS含锯末、玉米芯等木质纤维素基质，直接处置浪费生物质且污染水土。好氧堆肥是资源回收有效途径，但SMS致密顽固的木质纤维素矩阵导致堆肥期长、有机质转化慢、腐殖化不足。铁基添加剂可改善堆肥效率，但Fe⁰、Fe₃O₄、Fe₂O₃三类材料在SMS堆肥中对木质纤维素组分降解、腐殖转化及微生物功能潜力的比较尚不清楚。研究人员因此开展控制性并列比较，集成堆肥性能、木质纤维素降解、腐殖转化、微生物演替与CAZy（碳水化合物活性酶数据库）/MetaCyc（代谢通路数据库）功能谱分析，论文发表于《Foods》。

主要关键技术方法上，研究人员以吉林农大菇菜基地100 L反应器开展30天好氧堆肥，金顶侧耳SMS与鸡粪按干重3:1混合，设CK、RI（富Fe₂O₃粗铁矿）、MP（Fe₃O₄磁粉）、IB（Fe⁰珠）四处理，铁基材料按干物质3%添加，每处理3重复，每5天翻堆，第0、15、30天取样。理化上测温度、pH、EC（电导率）、GI（黄瓜种子发芽指数）、OM（有机质）、TN、TC、C/N、NH₄⁺-N、NO₃^?-N、AP（有效磷）、AK（有效钾）及木质素/纤维素/半纤维素与HA/FA/HM（腐殖酸/黄腐酸/胡敏素）。宏基因组采用Illumina NovaSeq X Plus PE150测序，fastp质控、MEGAHIT组装、CD-HIT聚非冗余基因目录，SOAPaligner比对算RPKM（每千碱基每百万映射读数）相对丰度，并行CAZy v12与MetaCyc注释，辅以α/β多样性、PCoA、Spearman、CCA（典型对应分析）、Mantel、VPA（变异分区分析）。

研究结果部分，3.1节理化与成熟度显示，IB初期升温最快（第1天63.73 ℃）但波动大、终GI最低（123.50%）；MP维持>55 ℃超3天，终EC 4.21 mS/cm、pH 7.54、GI 151.50%，终C/N 13.04、OM 357.70 g/kg，成熟度最佳；RI终AK达28.47 g/kg但NH₄⁺-N残留较高。3.2节有机质与木质纤维素转化中，MP总木质纤维素降解59.48%（木质素52.69%最高），终OM最低；RI半纤维素降解78.96%最高，终HA 87.12 g/kg与总腐殖质274.90 g/kg最高；IB纤维素降解84.11%但终OM仍达458.80 g/kg。3.3节宏基因组群落演替表明，MP终Chao1丰富度最高，稳定富集Pseudomonadota、Bacillota及Thermopolyspora、Luteimonas、Pseudoxanthomonas、Aspergillus、Penicillium等降解菌真菌，IB仅瞬时高温富集Thermopolyspora（IB_15达0.0734）后波动，RI持续富集弱。PCoA中PC1解释细菌82.50%、真菌63.00%变异，时间×铁价态共同驱动。3.4节环境因子关联分析经Spearman/CCA/Mantel/VPA指出，TN、NO₃^?-N、HA与降解菌正相关，OM、C/N、NH₄⁺-N负相关；环境因子解释细菌79.96%、真菌53.88%群落变异，细菌受环境过滤更强。3.5节MetaCyc碳循环显示发酵基因为主，MP发酵基因富集最高，IB富氢生产/碳固定/产甲烷，RI富有机碳/乙酸氧化。3.6节CAZy分析示MP的GH（糖苷水解酶）、AA（辅助活性）、CE（碳水化合物酯酶）家族持续丰富，终期半纤维素酶8899.79、纤维素酶4897.36 RPKM；Thermobifida、Thermopolyspora、Cellvibrio为前期木质纤维素贡献属，Xiashengella在后期寡糖单糖利用补位。

讨论部分总结，三类铁基材料经不同理化与生物路径调控：MP凭Fe₃O₄混合价Fe²⁺/Fe³⁺电子转移与类芬顿ROS（活性氧）弱氧化木质素，耦合真菌漆酶/过氧化物酶与细菌DyP型过氧化物酶及AA族基因，打通木质素—多糖基质，实现最平衡总转化；IB的Fe⁰促早期产热但过程不稳、EC/pH/氮形波动致终熟度低；RI的Fe₂O₃偏促半纤维素与HA积累但总木质素去除不及MP。微生物α多样性中MP富Chao1但Shannon居中，反映稀有种保留与功能属优势并存。环境过滤与底物转化联合塑造演替。

结论部分翻译：本研究证明三种铁基改良剂对金顶侧耳SMS—鸡粪好氧共堆肥影响各异。Fe₃O₄基磁粉通过促进木质纤维素转化、有机质转化、腐殖化、过程稳定性与堆肥成熟度展现最平衡综合性能；富Fe₂O₃粗铁矿优先增强半纤维素转化与腐殖质积累；Fe⁰珠加速初期升温与纤维素降解但引发较大过程波动。宏基因组与环境关联分析表明，这些处理依赖结局伴随特异微生物演替、功能潜力与碳代谢谱，支持铁形态—堆肥条件—微生物功能—底物转化间整合关系。应用上优先选Fe₃O₄磁粉求平衡性能；重半纤维素转化与腐殖化选RI；重过程稳定时IB非首选。后续中试应评剂量、经济、环境安全与材料回收。