《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Montmorillonite promotes the transformation of lignocellulose to microbial necromass in co-composting of chicken manure and corn straw
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微生物 necromass 碳在蒙脱石协同下提升植物碳转化效率及机制研究
施航吴|孙涛|王超|周晓佳|于慧娟|孙月兵
农业农村部（MARA）农业环境保护研究所原农业环境污染预防与控制重点实验室，中国天津300191
摘要
将植物来源的碳转化为微生物来源的碳是堆肥过程中的核心环节，但粘土矿物在此转化过程中的调控作用仍不明确。本研究探讨了蒙脱石如何影响鸡粪和玉米秸秆共堆肥过程中木质素单体的降解以及微生物残体碳的动态变化。添加蒙脱石后，纤维素和半纤维素的降解率分别提高了6.0%和25.6%，同时促进了木质素衍生物（尤其是香草基和丁香基单元）的分解。此外，细菌和真菌残体碳的积累量也分别增加了20.8%和10.4%。结构方程模型表明，蒙脱石通过增强微生物对植物来源碳的利用促进了微生物残体碳的积累。随机森林分析结果显示，某些关键微生物类群（如乳杆菌和念珠菌）的数量分别增加了5.66%和10.01%，而未分类的杆菌科微生物数量减少了11.46%；这些微生物类群的数量变化对碳转化效率具有显著影响。这些发现揭示了矿物对微生物碳转化的促进机制，为利用粘土矿物优化有机废物回收中的碳封存和堆肥质量提供了理论依据。
引言
堆肥是一个由微生物介导的过程，可将有机废物转化为稳定的有机物质，其中腐殖化过程在碳稳定化中起着核心作用（Zhao等人，2022a）。堆肥过程中产生的腐殖质对于提高土壤肥力、促进植物生长和减轻环境污染至关重要[1]。腐殖化过程涉及将半纤维素、纤维素和蛋白质等易分解的有机化合物转化为更稳定的形式。微生物代谢和化学转化共同促进了腐殖酸等关键成分的形成[8]。长期以来，人们认为植物来源的木质纤维素是腐殖质的主要前体，但最新研究表明微生物残体也在腐殖酸形成中起着重要作用[36]。这种植物生物聚合物与微生物代谢产物之间贡献的模糊性凸显了一个关键的知识空白：这两种来源之间的动态碳分配如何影响堆肥过程中的腐殖质形成。
根据木质素-酚类理论，植物木质素及其降解产物是腐殖质形成的主要前体[8]。木质素在微生物酶（如漆酶和锰过氧化物酶）的作用下被分解为酚类单体（如香草酸和丁香酸）。这些单体进一步氧化生成活性醌类物质，随后与氨基化合物缩合形成富含氮的芳香聚合物（Meng等人，2021a；Wang等人，2023a）。在堆肥过程中，木质素主要在嗜热阶段发生降解，其降解产物成为腐殖质合成的底物（Meng等人，2021a）。尽管微生物在植物来源碳分解中的作用已被广泛认可，但它们对稳定有机碳形成的贡献仍被低估。具体而言，活微生物通过胞外酶的作用分解木质纤维素[15]。微生物死亡后，其残体（如细胞壁碎片和其他细胞成分）释放到堆肥堆中，这些残体的化学稳定性能够抵抗酶促降解[12]。因此，微生物残体碳被认为是稳定有机碳的重要前体。核磁共振光谱分析显示，微生物来源的物质占稳定腐殖质成分的50%以上[31]。使用氨基糖作为生物标志物的定量研究表明，在鸡粪堆肥系统中，微生物残体碳占稳定有机碳的5.77%-21.3%（Chen等人，2025b）。Chen等人（Chen等人，2025a）还报告了污泥堆肥中微生物残体碳的积累量为10.58-43.27 mg/g，食物垃圾堆肥中为6.10-111.97 mg/g，猪粪堆肥中为12.55-50.94 mg/g，其中食物垃圾堆肥系统的贡献比例最高（占总有机碳的23.63%）。
粘土矿物越来越被认可为提高堆肥效率的改良剂[27]。其作用可以归结为“矿物相关微生物碳泵”（MCP）理论[40]的框架。该理论认为，矿物通过两种协同机制增强碳封存：首先，通过刺激微生物活动和生长，增加微生物生物量的周转和产生；其次，通过吸附作用形成保护性有机-矿物复合物，保护有机化合物免受酶促降解。在堆肥过程中，添加活性粘土矿物（如蒙脱石）可以有效“启动”这一微生物碳泵，可能将更多分解的植物碳转化为持久存在的、受矿物保护的微生物碳库。蒙脱石是一种2:1型的粘土矿物，具有高比表面积和阳离子交换能力，能与微生物来源的化合物发生强烈的吸附作用[32]。其活性表面和可交换阳离子（如Fe3?、Al3?）可催化酚类和氨基化合物的聚合，从而促进腐殖酸的形成（Wang等人，2023b；[52]）。更重要的是，蒙脱石为微生物定殖和酶促反应提供了丰富的界面。研究表明，它能够增强微生物的附着能力，并提高胞外酶（如锰过氧化物酶和漆酶）的活性，从而加速木质纤维素的分解（Meng等人，2021a；[32]）。同时，蒙脱石对微生物细胞及其代谢产物具有很强的吸附亲和力，能与微生物残体成分（如几丁质和黑色素）形成稳定的有机-矿物复合物，有效防止其快速分解并延长其周转时间[14]、[2]、[45]。13C核磁共振光谱显示，添加蒙脱石可使堆肥过程中腐殖质中的芳香碳含量增加31-33%[39]。因此，基于矿物相关微生物碳泵理论，我们假设在堆肥过程中添加蒙脱石可以通过刺激微生物活动来促进植物来源碳（尤其是木质素）的分解，并通过矿物保护作用增加微生物残体碳在总有机碳中的积累和贡献。本研究旨在通过实验验证这一假设。
本研究采用鸡粪-玉米秸秆堆肥系统来探讨蒙脱石添加对碳转化的影响。具体目标包括：（1）量化蒙脱石对植物来源碳（纤维素、半纤维素、木质素及其单体）分解的影响；（2）阐明蒙脱石如何影响微生物残体碳的积累及其对总有机碳（TOC）的贡献；（3）揭示堆肥过程中植物碳向微生物碳转化的微生物调控机制。研究结果有望为理解堆肥中的矿物介导的碳转化提供理论基础，并为通过矿物改良提高堆肥碳封存效率提供技术支持。
原材料和实验设置
堆肥实验在中国天津进行。实验所用鸡粪和玉米秸秆来自天津当地的农场，蒙脱石则从区域供应商处采购。堆肥材料的性质详见补充材料。设置了两种处理组：一种为不添加矿物的对照组（CK），另一种为添加10%蒙脱石的处理组（干重基础；M）。10%的添加量是基于之前的优化结果确定的
物理化学性质
CK组和M组均经历了三个典型的堆肥阶段：嗜热阶段、降温阶段和成熟阶段（图S1a）[15]。在嗜热阶段，pH值显著升高（图S1b），这与氮有机物的分解有关[10]。CK组和M组之间的pH值没有显著差异。电导率（EC）和凝胶渗透率（GI）是评估堆肥产品植物毒性和成熟度的重要指标，EC < 4 mS/cm且GI > 80%表示...结论
本研究表明，蒙脱石的添加促进了堆肥过程中植物来源碳向微生物来源碳的转化。它显著增强了植物结构聚合物（纤维素、半纤维素和木质素）的分解，同时增加了细菌和真菌残体碳的积累，提高了它们在总有机碳中的占比。蒙脱石通过重塑微生物群落结构影响了堆肥过程。
未引用的参考文献
[16], [17], [18], [21], [22], [23], [24], [34], [35], [4], [41], [47], [48], [49], [5], [50]
CRediT作者贡献声明
孙月兵：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。于慧娟：实验研究。周晓佳：数据分析。王超：方法学设计、实验研究。孙涛：数据可视化、实验研究、数据分析。施航吴：初稿撰写、软件使用、方法学设计、数据管理、概念框架构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（2024YFD1701100）、中国农业科学院创新计划（CAAS–CSGLCA–202302）以及中央公益性科研机构（Y2025YC128）的支持。
