《Journal of Environmental Management》：A novel enzyme-based strategy for improving compost quality using extracts from spent mushroom substrate
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短信内源酶可显著提升堆肥安全性及成熟度，促进微生物多样性及菌群协同作用，增强有机质降解和腐殖化过程，为废弃物资源化提供新策略。
张海波|刘媛|常建宁|魏冰冰|程彩萍|藤野武|大城晃洋|程红岩
山西农业大学资源与环境学院，晋中市，030801，中国
摘要
从废弃蘑菇基质（SMS）中提取的水解酶和氧化还原酶显示出提高堆肥质量的潜力，但目前相关研究信息有限。本研究评估了SMS内源性酶对堆肥特性的影响，并探讨了其作用机制。添加SMS内源性酶显著提升了堆肥产品的安全性和成熟度。此外，酶的应用增加了微生物多样性，并促进了细菌和真菌群落之间的协同作用。包括Cellulosimicrobium、Parapedobacter、未分类_Bacillaceae、Bacillus、Trichoderma、Aspergillus和Kernia在内的功能性微生物数量的增加有助于有机物的降解和堆肥的腐殖化。微生物驱动的碳水化合物和氨基酸代谢参与了堆肥的腐熟过程。在所有处理中，腐生型都是真菌群落的主要营养模式。这些发现证实了SMS内源性酶在加速堆肥成熟方面的有效性，并提出了一种促进固体废物堆肥利用的新策略。
引言
近年来，全球食用蘑菇产业迅速发展，主要得益于人类消费量的增加和对可持续农业发展的需求（Martín等人，2023；Schimpf和Schulz，2016）。与此同时，蘑菇栽培产生的废弃蘑菇基质（SMS）数量庞大（Meng等人，2019）。据统计，中国每年的SMS产量约为1500万吨（Hu等人，2022b）。SMS含有大量营养物质、水解酶、真菌菌丝以及蛋白质、碳水化合物和脂质等多种有机成分（Huang等人，2018；Sun等人，2021）。目前，大部分SMS被随意丢弃或焚烧，导致营养物质流失和严重的环境污染（Huang等人，2018；Li等人，2023）。因此，开发高效、环保且经济可行的SMS回收策略仍然是一个重大挑战。
堆肥被广泛认为是一种可持续的绿色技术，能够安全管理、减少有机固体废物的体积并将其转化为有价值的资源（Yang等人，2020；Zhao等人，2022b）。由于其持续稳定的养分释放特性，堆肥被广泛用作土壤改良剂或有机肥料，以提高土壤肥力和作物产量（Huang等人，2017；Yang等人，2024）。最近的研究探讨了SMS作为堆肥基质的潜力（Gong等人，2023；Li等人，2023；Yu等人，2022）。然而，蘑菇栽培过程中真菌菌丝对养分的强烈吸收会耗尽SMS中的可利用碳，导致堆肥质量不佳（Becher等人，2021；Qian等人，2022）。微生物活性和水解酶是堆肥过程中有机物生物降解和养分转化的关键因素（Li等人，2018；Wei等人，2019）。共堆肥以及商业微生物制剂或纤维素酶的应用已被证明可以有效改善各种原料的堆肥性能（Hu等人，2019a，2019b；Zhu等人，2023）。这些添加剂不可避免地会改变本土微生物的群落结构，从而可能对堆肥质量产生不可预测的影响（Cullen等人，2017；Sharma等人，2014；Zhu等人，2023）。因此，在使用添加剂改善SMS堆肥质量时，监测微生物群落的变化，特别是功能性微生物的变化至关重要。
新鲜SMS富含多种水解酶和氧化还原酶，包括木质素酶、纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶和漆酶（Devi等人，2022；Martín等人，2023）。多项最新研究成功从新鲜SMS中提取了内源性酶并在不同领域进行了应用。Lau等人（2003）使用从P. pulmonarius SMS中提取的漆酶和锰过氧化物酶修复了受多环芳烃（PAHs）污染的土壤，并发现其去除效果与酶活性密切相关。此外，Schallemberger等人（2023）使用从Pleurotus ostreatus SMS中提取的内源性酶成功实现了纺织废水的脱色。然而，关于SMS内源性酶在提高堆肥质量方面的应用信息仍然有限。事实上，这些内源性酶的功能特性在促进木质纤维素分解方面具有巨大潜力（Ariff等人，2017；Gruji?等人，2015）。在堆肥初期，添加高活性的SMS来源内源性酶会改变微生物多样性和群落结构，从而增强木质纤维素的降解并促进其转化为易于利用的低分子量碳源。这些碳源的释放反过来有效刺激了堆肥中本土微生物群落的整体代谢活动。这一过程可能有助于克服由于可利用碳有限而导致的SMS堆肥启动困难，从而促进更完全的物质转化和更高的堆肥成熟度。因此，提出了一种假设：添加来自SMS的内源性酶可以有效提高堆肥的质量。
为了验证这些假设，建立了一个结合SMS和玉米秸秆（作为辅助碳源）的共堆肥系统。本研究旨在：（1）评估SMS来源内源性酶对堆肥特性的影响；（2）评估它们对微生物群落结构和功能的影响；（3）阐明这些酶促进堆肥成熟的机制。这项工作突显了SMS内源性酶作为商业合成酶替代品的潜力，以提升堆肥质量。
部分内容摘要
堆肥材料
来自中国山西省吕梁市一家商业蘑菇农场的Pleuratus ostreatus SMS。玉米秸秆来自山西省太古市的当地农民，切成约3厘米长的片段。SMS和玉米秸秆的物理化学性质见表S1。
SMS内源性酶的提取
内源性酶的提取方法遵循Ko等人（2005）的方法。简要来说，将新鲜SMS与去离子水以1:5（w/v）的比例混合，然后进行搅拌
温度、pH值和电导率（EC）
温度是反映堆肥效率的关键参数，因为它与微生物生长和代谢密切相关（Du等人，2019）。所有处理组的温度最初都上升，随后在堆肥过程中下降（图1a）。温度的上升主要是由于有机碳剧烈分解过程中释放的热量（Zhou等人，2019）。之后，由于...
结论
本研究表明，SMS内源性酶显著促进了堆肥的成熟，包括延长嗜热期、降低电导率值以及促进有机物的分解和硝酸盐的合成。添加SMS内源性酶增加了微生物群落的多样性，并改变了细菌和真菌的群落组成，特别是增强了它们之间的协同作用。功能性微生物如Cellulosimicrobium的富集...
作者贡献声明
张海波：撰写——审阅与编辑，概念构思。刘媛：撰写——初稿，软件使用，方法论，数据分析。常建宁：撰写——审阅与编辑，可视化。魏冰冰：验证。程彩萍：资源准备，方法论。藤野武：监督，软件使用。大城晃洋：资源准备，调查。程红岩：撰写——审阅与编辑，项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家青年基金项目（52100149）和山西省重大科学技术项目（202301140601015）的财政支持。
