废弃蘑菇基质堆肥过程中硒的分馏现象与来源密切相关：揭示DOM（可降解有机质）与细菌相互作用在腐殖化过程中的关键作用，以及这一过程对生产富硒有机肥料的重要性

协同堆肥中硒形态转化与DOM-微生物互作机制研究。通过DOM组成（3D-EEM、PARAFAC、FTIR）与微生物群落（16S rRNA测序）分析，发现外源无机硒（Se(VI)）显著促进腐殖酸（C2组分，占比62.5%）形成，Chloroflexi菌丰度增至65.12%，同时增强DOM分解能力达56.75%；而内源有机硒通过降低毒性延缓分解。多变量分析表明Chelativorans菌与C2组分形成正相关，揭示微生物调控DOM转化影响硒稳定性的机制。该成果为硒肥可持续开发提供新路径。

　　

周飞|齐明星|陈萍|任荣欣|梁东丽

中国陕西省杨陵市西北农林科技大学自然资源与环境学院，712100

摘要

将用过的蘑菇基质（SMS）与畜禽粪便共同堆肥，使用富硒SMS（Se-SMS）或添加了无机硒（硒酸盐或亚硒酸盐）的传统SMS，是一种生产富硒有机肥的有效方法。然而，这些肥料中硒生物利用度的关键控制因素仍不清楚。本研究通过将溶解有机质（DOM）的特性与细菌群落结构联系起来，探讨了不同来源的硒在SMS堆肥过程中的转化及其机制。所有含硒处理均促进了溶解有机碳（DOC）的分解并改变了DOM的功能基团。Se-SMS处理下的DOC减少幅度最大（56.75%），而硒酸盐补充处理（Se(VI)-SMS）下含氧功能基团的变化最为显著。Se(VI)-SMS处理还显著增加了Chloroflexi菌类的相对丰度，从对照组的21.04%增加到65.12%。结合傅里叶变换红外（FTIR）光谱检测到的芳香结构形成，这种微生物变化表明腐殖化过程得到了增强。在整个堆肥过程中，尽管可利用的硒会转化为稳定形式，但Se(VI)-SMS处理仍保持了更高的生物可利用硒含量（水溶性和交换性部分）。多变量分析显示，类富里酸组分（C2）是硒组分分布的主要贡献者（62.5%），Chelativorans被确定为C2含量的重要预测因子。这些发现表明，微生物介导的DOM转化与堆肥过程中硒的稳定化密切相关。因此，堆肥硒酸盐补充SMS是一种有效的循环农业策略，因为它既能促进腐殖化，又能保持硒的生物可利用性，从而将农业废弃物转化为富硒有机肥，推动可持续的生物强化。

引言

硒（Se）是人类和动物必需的微量营养素，其摄入量与人类健康密切相关[1]。对于大多数人群来说，饮食中的硒主要来自农业土壤中的食物链。然而，据估计全球约76%的土壤不同程度地缺乏硒，限制了硒进入食物链[2,3]。此外，即使在总硒含量充足的土壤中，由于生物利用度低，作物对硒的吸收也可能受到限制——这一特性受硒化学形态的影响[4,5]。这些因素共同导致了人类硒摄入不足。在现有的硒生物强化策略中，施用无机硒肥料是常见且有效的方法，但存在作物过量积累和环境污染的风险[6]。有机硒肥料（如硒代蛋氨酸（SeMet）和硒代半胱氨酸（SeCys₂）通常毒性较低，但由于成本高和化学不稳定而难以大规模使用[7]。相比之下，基于有机基质的富硒肥料提供了一种更可持续的替代方案，因为它们可以增加土壤有机质并实现硒的缓慢释放，供作物吸收[8,9]。

富硒用过的蘑菇基质（SMS）是富硒食用菌培养的副产品，含有来自菌丝代谢的有机转化硒。然而，直接将其施用于土壤可能会因残留的菌丝而抑制作物生长[10,11]。与畜禽粪便共同堆肥是一种有前景的预处理方法，可以灭活菌丝并促进有机质的矿化和腐殖化[12]。鉴于富硒蘑菇产量有限，一个实际的替代方案是在与粪便堆肥过程中向传统SMS中添加无机硒。这一过程有助于将添加的无机硒转化为稳定的有机质结合形式[12,13]。然而，堆肥过程中内源性有机硒（来自富硒SMS）和外源性无机硒的转化途径及调控机制仍不明确。

溶解有机质（DOM）是堆肥中的关键反应组分，对硒的生物利用度有重要影响[14,15]。具体来说，结合在低分子量DOM组分（如亲水性有机酸（Hy）和富里酸（FA）中的硒可以直接被作物吸收，或通过矿化过程变得可利用。相比之下，复杂结构的组分（如腐殖酸（HA）和疏水性中性有机质（HON）可以通过螯合作用和隔离作用稳定硒[8,16]。多项综述文献强调了土壤有机质及其溶解组分在控制硒形态、迁移性和植物吸收方面的关键作用[[14], [17], [18]]。然而，环境中的DOM是一种复杂的混合物，其对硒生物利用度的净效应取决于其组分的性质。为了超越广泛的操作分类，识别具体的DOM驱动因素，有必要表征DOM池中的主要功能不同组分，并将其与硒组分联系起来。微生物是这一过程中的关键驱动因素，它们介导有机质的降解和腐殖化，从而影响DOM的组成[19,20]。尽管关于外源性无机硒如何影响关键功能细菌（如放线菌和）及其在有机质分解和腐殖化中的作用存在争议[21,22]，但对其相互作用机制仍知之甚少。

基于此，我们假设不同来源的硒会不同程度地调节堆肥细菌群落结构和DOM组分动态，从而影响硒的分馏（特别是DOM-Se）及其生物利用度。虽然已经描述了堆肥过程中无机硒转化的一般模式，但不同硒来源的具体转化途径和调控机制尚未完全阐明。为此，我们采用了一种综合方法，结合了DOM表征（包括三维激发-发射矩阵（3D-EEM）、并行因子分析（PARAFAC）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱、硒组分分析以及16S rRNA基因测序。该框架能够同时研究DOM组成、细菌群落结构和硒组分之间的相互作用，从而克服了批量分析的局限性。我们的具体目标是：（1）阐明堆肥过程中内源性有机硒（来自富硒SMS）和外源性无机硒的不同转化途径；（2）研究DOM特性和细菌群落结构在DOM-Se形成中的潜在调控作用。这种多方面的方法旨在提供关于堆肥过程中硒转化的更深入的机制见解。这些发现有望有助于开发有效的缓释富硒有机肥，并支持农业废弃物的循环利用。

实验材料

堆肥材料包括两种类型的SMS：富硒SMS（Se-SMS）和传统SMS（CK-SMS），均来源于Pleurotus eryngii的培养，同时还使用了小麦秸秆和牛粪。P. eryngii的培养基由锯末、玉米芯和小麦麸皮组成，来自杨陵鹏城生物技术研究所。堆肥材料的理化性质见表S1。

实验设计

Se-SMS和CK-SMS均经过均质处理，

内容

如图2a所示，初始DOC含量在Se(IV)-SMS（36.39 g/kg）和Se-SMS（37.76 g/kg）处理组中显著高于CK-SMS（29.71 g/kg）和Se(VI)-SMS（29.78 g/kg）处理组（p < 0.05）。在整个堆肥过程中，所有处理组的DOC含量经历了两个不同的阶段：（1）快速降解阶段（第1-14天）和（2）稳定缓慢降解阶段（第14-30天）。在第一阶段，DOC分别减少了26.19%、33.31%、20.24%和56.52%

局限性与未来展望

本研究提供了关于堆肥过程中不同硒来源转化和命运的见解。然而，应承认几个局限性。

(1)

顺序提取方法虽然适用于堆肥等复杂基质，但在操作上定义了硒组分，但并未识别具体的化学物种（如Se(IV)、Se(VI)、SeMet、SeCys₂和MeSeCys）。因此，对硒生物利用度的解释存在固有的不确定性。未来的研究应采用更先进的方法

结论

硒的来源显著影响了SMS堆肥过程中的腐殖化过程。来自富硒SMS的内源性有机硒促进了有机质的降解，这可能是因为其毒性低于无机硒。相比之下，外源性无机硒（特别是硒酸盐）的添加加速了腐殖化，这一效应与Chloroflexi菌类丰度的增加相关。硒的原始化学形态是控制其分馏的关键因素

作者贡献声明

周飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，资金获取，概念构思。齐明星：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法学，正式分析，数据管理。陈萍：验证，方法学。任荣欣：验证。梁东丽：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，方法学，资金获取，概念构思。

数据可用性声明

由于测序提供商的数据保留政策，原始测序数据（FASTQ文件）不能公开共享。处理后的微生物组数据作为补充文件随本手稿提供。其他相关数据可向相应作者提出合理请求后获取。

致谢

作者感谢中国富硒产业全产业链研究专项研发计划（2021FXZX08）和陕西省博士后研究项目（2023BSHEDZZ141）提供的财政支持。