《International Journal of Biological Macromolecules》：Dose-dependent effects of manganese dioxide-modified biochar on lignocellulose degradation and humification in donkey manure composting: Insights into microenvironment-driven biotic-abiotic regulation
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•揭示了MBC对驴粪堆肥的显性剂量效应。•5%的MBC展现了最佳腐殖质含量、腐殖化程度和纤维素降解效果。•5%和10%的MBC提升了核心细菌多样性、功能多样性和丰度。•MBC通过生物和非生物途径协同调节腐殖化过程。•5%的MBC被确定为最佳添加剂量。引言近年来，随着对驴皮、驴
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揭示了MBC对驴粪堆肥的显性剂量效应。
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5%的MBC展现了最佳腐殖质含量、腐殖化程度和纤维素降解效果。
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5%和10%的MBC提升了核心细菌多样性、功能多样性和丰度。
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MBC通过生物和非生物途径协同调节腐殖化过程。
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5%的MBC被确定为最佳添加剂量。
引言
近年来，随着对驴皮、驴肉和驴奶产品需求的增加，驴养殖规模不断扩大，导致驴粪产量急剧上升[1]。驴粪作为一种典型的畜禽粪便衍生生物质废弃物，具有较高的有机质含量[2]。它代表着一种潜在的可再生资源[3]。然而，如果管理不当，它很容易导致周围生态系统的环境污染[4]。
好氧堆肥是畜禽粪便资源化处理的广泛应用技术之一[5]。其核心原理是通过微生物和酶的作用，将粪便转化为稳定、富含腐殖质的堆肥产品[6]。驴粪含有相对较高的木质纤维素含量[7]。木质纤维素的降解产物与腐殖质的形成密切相关，为腐殖质的形成提供了核心骨架和前体物质[8]。然而，木质素的复杂难降解结构阻碍了木质纤维素的微生物降解和转化，这大大限制了堆肥效率[9]。
目前，已开展大量研究以提高木质素降解效率，主要包括：(1) 单独施用微生物菌剂，依靠微生物的代谢能力降解木质素[10]。Kumar等[11]报道，从自然环境中筛选出的高效菌株分泌胞外漆酶，通过氧化降解机制可将木质素降解率提高至64.7%。尽管微生物菌剂处理具有操作简单和成本低的特点，但微生物菌剂往往表现出较强的环境依赖性和不理想的降解性能稳定性。(2) 微生物-酶协同处理。Li等[12]建立了一个由β-葡萄糖苷酶产生菌株和内切葡聚糖酶产生菌株组成的代谢交叉营养系统，并结合由假单胞菌分泌的群体感应信号引发的土著微生物招募，从而实现了糖蜜渣中木质纤维素的协同降解。最终，经过23天降解后，木质纤维素含量降至16.5%。(3) 生物物理强化。Mo等[13]发现，堆肥前频繁搅拌和通气可以增强氧气供应并富集嗜热微生物。这些微生物创造的嗜热环境不仅促进了降解木质素细菌的协同相互作用，还刺激了降解者中降解木质素关键酶基因的高效表达。与常规堆肥相比，这种两阶段堆肥技术将木质素降解率提高了78.3%。Wang等[14]提出的机械增强动态堆肥技术以分层发酵为核心，同时优化了通气频率（10分钟/4小时）。具有降解木质素能力的微生物如曲霉分别在堆肥的嗜热阶段和腐熟阶段被选择性富集，这加强了微生物之间的协同代谢，从而有效驱动了木质素的高效降解。(4) 生化强化。Qu等[15]发现，在稻草堆肥中接种枯草芽孢杆菌和烟曲霉并添加0.5%的硫酸亚铁，建立了一个微生物介导的Fenton系统。具体而言，微生物产生的过氧化氢与Fe(II)反应生成羟基自由基（·OH），这些自由基攻击木质素的化学键，最终实现了木质素的高效降解，相比对照组将木质素降解率提高了22.6%。Wang等[16]证明，在奶牛粪便和小麦秸秆堆肥中添加含氮纳米气泡水和甲基营养芽孢杆菌可以改善包括脲酶和木质素酶等酶的活性以及·OH的水平，增强微生物群落对木质纤维素的分解作用，最终将木质素含量降至6.0%。这些方法为木质素降解提供了有前途的途径，但也存在一定的局限性，如操作难度高、研发和材料成本增加、长期生态风险不明确以及大规模应用可能面临的挑战。因此，迫切需要探索更高效的木质素降解方法。
二氧化锰（MnO?）是一种高度稳定且环境友好的强氧化催化剂，对堆肥过程具有直接的益处。它可以作为生物酶促进剂促进有机质降解，同时还可以作为电子受体。通过与降解木质素酶的活性位点形成电子传递链，它加速了酶促反应中酚类底物的氧化。因此，它增强了降解木质素酶的催化效率，促进了木质素的降解[17]。此外，MnO?可以促进糖类和非生物缩合反应形成腐殖质，从而促进腐殖质分子的芳香构建[5]。MnO?凭借其优异的催化和微生物调节性能，已被广泛应用于畜禽粪便的好氧堆肥中。例如，Pei等[18]表明，MnO?可以增强堆肥氧化还原电位以直接降解植物毒性脂肪酸，并调节细菌群体感应途径以抑制产毒微生物并富集降解木质纤维素细菌，从而降低化感植物毒性，提高鸡粪堆肥的腐熟度。He等[19]报道，在粪便堆肥过程中，层状δ-MnO?表现出比隧道α-MnO?更强的腐殖化催化能力，这是由于有机物与活性位点之间的接触更好。虽然添加MnO?可以加速木质纤维素降解并增强堆肥腐殖化，但堆肥过程中可溶性Mn2?的积累可能导致盐度胁迫，可能影响微生物活性和产品质量[20]。
生物炭作为一种广泛研究的吸附材料，在粪便堆肥领域具有重要价值[21]。其多孔结构可以增强氧气扩散，改善堆肥微环境，加速微生物群落演替，并显著增强木质纤维素酶活性和微生物代谢能力[22]。同时，生物炭吸附水溶性碳化合物和酚类物质，为微生物代谢和腐殖化提供易降解碳基质，并加速堆肥系统中芳香聚合物的形成[23]。MnO?改性生物炭（MBC）是通过改性将MnO?固定在生物炭上制备的。这种复合材料不仅减轻了可溶性Mn2?引起的盐胁迫，还整合了生物炭的优异吸附能力和MnO?的卓越催化性能。先前的研究也已证实了MBC在促进堆肥过程中木质纤维素降解和腐殖化方面的巨大潜力[6]、[24]。然而，关键的研究空白依然存在：大多数MBC堆肥试验采用的是鸡、猪和牛粪便，针对高木质纤维素驴粪的系统研究很少。作为食草单胃动物，驴排出的粪便比杂食性牲畜含有更丰富的难降解木质纤维素，这大大阻碍了堆肥腐熟。关于驴粪堆肥的相关改良研究极其有限。鉴于其独特的基质特性，MBC对驴粪堆肥中木质纤维素降解和腐殖化的剂量效应尚未得到详细阐明，其最佳添加剂量也尚未确定。
在本研究中，进行了不同添加水平的MBC驴粪堆肥实验，以：(1) 揭示MBC剂量对木质纤维素降解和腐殖化效率的影响，(2) 分析MBC剂量影响驴粪堆肥过程中溶解性有机物（DOM）荧光组分转化机制，以及(3) 研究不同MBC水平下核心微生物群落的演替和微环境驱动响应机制。最终，本研究旨在优化MBC的最佳添加水平，从而为MBC在富含木质素材料堆肥中的实际应用提供理论和技术支持。
章节摘要
材料收集与处理
驴粪收集自山东东阿阿胶有限公司的驴养殖场。玉米秸秆生物炭购自淘宝上的Tanningnuo Enterprise Store，MnO?（纯度99%）购自上海麦克林生化科技有限公司。按照Qi等[6]的方法制备MBC，通过KMnO?和醋酸Mn(II)之间的快速氧化还原反应，实现可调的负载量并引入无定形MnO?，无需加热，因此比传统高温热解法消耗更少的能量
堆肥过程中腐殖化指标的变化
腐殖质含量是决定堆肥质量的关键因素[24]。如图1a所示，腐殖质含量呈现总体上升趋势，这与先前研究报道的好氧堆肥普遍腐殖化规律一致[35]。在第0天到第3天，CK和MBC1组的腐殖质含量呈下降趋势，这可能归因于原料中存在部分稳定性较弱的类腐殖质结构，使其容易受到微生物
结论
MBC1组表现出最佳的腐殖化性能，腐殖质含量和聚合度分别达到221.04 g/kg和1.65，均显著高于CK组。过高的MBC添加量（15%，MBC3）抑制了堆肥腐殖化。所有添加MBC的组别都显著提高了木质纤维素降解率。具体而言，MBC1的纤维素降解率最高（45.20%），而MBC3的最大降解率
CRediT作者贡献声明
宋彩虹： 原创稿件撰写、形式分析、概念构思。高云翔： 资源、数据管理。张梦梦： 资源。张丹： 资源。朱俊星： 监督、方法学。孙文昊： 监督、方法学。乔正波： 监督、方法学。张雅丽： 稿件审阅与编辑、资金获取。魏子敏： 稿件审阅与编辑、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互冲突的财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金委员会（编号 52000096、51978131和52170126）以及聊城大学动物科学学科开放项目（编号 319312105-22）的资金支持。
宋彩虹|高云翔|张梦梦|张丹|朱俊星|孙文昊|乔正波|张雅丽|魏子敏
