半胱氨酸转化抑制剂通过调节微生物群落的芳香族氨基酸代谢，促进腐殖物质的形成

《Environmental Research》：Cysteine conversion inhibitor drives humic substances formation by regulating aromatic amino acid metabolism of microbial community

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姚亮|徐子涵|张楠|孙月|李东海|孙新月|刘若彤|陈晓萌

中国哈尔滨东北农业大学生命科学学院

摘要：

腐殖质（HS）是通过有机物的转化形成的，在农林业生态系统中发挥着关键作用。然而，硫转化和腐殖质形成的微生物机制仍不完全清楚。因此，本研究使用了DL-丙炔基甘氨酸（PAG）——一种半胱氨酸裂解酶抑制剂——来探讨在不同通气条件下添加PAG对腐殖质形成的影响。结果表明，在高通气条件下，PAG的添加使腐殖质含量增加了21.30%；在低通气条件下，增加了11.80%。同时，腐殖质中的总硫含量和腐殖化程度也有所提高，这证实了硫转化对腐殖质形成的贡献。变异分配分析进一步表明，在高通气条件下，硫酸盐转化对腐殖质形成的贡献较大；而在低通气条件下，半胱氨酸转化的贡献显著，这与PAG对硫转化的不同影响有关。此外，与腐殖质形成相关的核心微生物促进了硫与腐殖质之间的转化。PAG的添加增加了这些微生物的丰度，并增强了与芳香氨基酸代谢相关的功能基因的表达。最终，结构方程模型阐明了PAG添加的影响路径，表明通过调节微生物的半胱氨酸裂解作用可以促进芳香氨基酸代谢，从而促进腐殖质的形成。这为提高畜禽粪便的资源利用效率和推动可持续农业发展提供了新的见解。

引言

随着全球经济的持续发展和社会进步，有机固体废物的产生量达到了前所未有的水平，使其管理成为了一个关键的研究焦点（Shah等人，2022年；Zamri等人，2021年）。好氧堆肥作为一种主要的有机废物资源利用技术方法，因其具有高效的废物稳定化、产生有益副产品以及低成本等优势而受到重视（Zhang等人，2024a年；Fu等人，2022年）。腐殖质作为成熟的堆肥产物，是固定污染物、促进植物生长和恢复退化农业系统肥力的关键土壤改良剂（Long等人，2023年；Zhou等人，2024年）。因此，提高堆肥过程中的腐殖质形成对于实现有机固体废物的高质量利用和可持续发展目标至关重要（Tao等人，2025年；Shi等人，2025年）。

从结构上看，腐殖质含有丰富的木质素衍生物以及多酚和芳香成分（Wang等人，2025a年；Ma等人，2022年）。其形成途径包括生物途径和非生物途径（Bui等人，2023年）。非生物途径涉及有机物转化副产物（如未完全降解的木质素、蛋白质、多酚、氨基酸和还原糖）的结构聚合，最终生成复杂的大分子物质（Wu等人，2022年；Wu等人，2024年）。生物途径强调微生物活动在促进有机物矿化和催化聚合过程中的作用（Tang等人，2022年；Zhou等人，2022年）。因此，微生物的代谢活动及其从有机物分解中产生的生物可利用前体是决定腐殖质形成的关键因素（Huang等人，2025年）。目前提高腐殖质含量的策略主要分为两类：应用微生物接种剂和外源添加剂（Zhang等人，2021年；Li等人，2022年）。添加微生物接种剂，特别是降解木质纤维素的细菌，可以通过分解木质素提供前体或结构骨架来促进腐殖质的形成（Jiang等人，2021年；Ren等人，2023年）。此外，外源添加剂（如还原糖和氨基酸）可以直接参与腐殖质的合成，通过刺激酚-醌缩合反应（Lu等人，2022年；Chen等人，2024年）。除了这些直接干预措施外，大量研究还关注了微生物营养代谢（尤其是碳和氮循环）对腐殖化过程的影响（Gao等人，2024年；Lu等人，2022年；Yu等人，2022年）。然而，硫转化在堆肥过程中对腐殖质形成的作用仍不清楚。一些研究表明，硫转化通过硫代谢途径直接促进了腐殖质的形成（Ren等人，2024年），但也有研究认为其效应是通过改变微生物群落和代谢活动间接实现的（Wu等人，2025年）。因此，关键未解决的问题包括哪些有机和无机硫代谢途径对腐殖质形成有显著贡献，以及在不同微生物环境下哪些微生物类群驱动了这些过程。

为了解决这些疑问，本研究使用了DL-丙炔基甘氨酸（PAG）——一种半胱氨酸裂解酶（也称为半胱氨酸脱氢酶）抑制剂——来阐明微生物硫转化与腐殖质形成之间的机制联系。半胱氨酸裂解是微生物硫代谢中的重要途径，也是堆肥过程中硫化氢的主要来源（Yang等人，2025年）。PAG的添加抑制了半胱氨酸裂解，减少了硫化氢的产生。由于芳香氨基酸是构成腐殖质骨架的核心前体，抑制微生物的半胱氨酸裂解预计会调节氨基酸代谢，进而影响腐殖质的形成（Bui等人，2023年；Lu等人，2022年）。这种对半胱氨酸裂解的抑制同时改变了硫代谢途径。因此，本研究系统地探讨了PAG添加对堆肥过程中腐殖质形成的影响，具体目标包括：（1）研究半胱氨酸转化抑制剂添加对腐殖质组分动态的影响；（2）阐明硫组分与腐殖质组分之间的相关性；（3）揭示硫转化对腐殖质形成的内在微生物机制。这为提高有机固体废物的资源利用效率提供了新的见解和科学指导，填补了硫转化与腐殖质形成之间的研究空白。

部分内容摘要

堆肥实验

选择硫含量较高的猪粪作为堆肥的主要原料（Wang等人，2023年）。猪粪和稻草均来自中国哈尔滨的香坊农场。猪粪经过风干处理并去除了杂质后用于堆肥。加入稻草以调整C/N比至约20（Shen等人，2024年），混合比例为约3.3:1。堆肥原料的初始物理化学性质如下

堆肥过程中前体和腐殖质含量的变化

氨基酸和还原糖是腐殖质形成的关键前体（Wang等人，2024年；Ren等人，2023年）。在初期阶段，随着温度的升高，氨基酸含量增加，但在高温阶段后显著下降（图1a）。在堆肥成熟期（第33天至第50天），无论在高通气还是低通气条件下，添加PAG均显著增加了氨基酸含量（Lu等人，2022年）。还原糖的含量也有所变化

结论

本研究显示，PAG的添加提高了腐殖质中的硫含量并促进了堆肥过程中的腐殖化，表明硫转化对腐殖质的形成有贡献。在高通气条件下，硫酸盐转化对腐殖质形成的贡献较大；而在低通气条件下，半胱氨酸转化的贡献较大，这与PAG对硫转化的不同影响有关。同时，PAG的添加还增加了与腐殖质形成相关的核心微生物的丰度

作者贡献声明

刘若彤：软件处理。孙新月：数据管理。陈晓萌：写作、审稿与编辑、监督、资金争取。姚亮：方法论设计、概念构建。李东海：实验研究。孙月：资源获取、实验研究。张楠：数据可视化、数据管理。徐子涵：软件应用、实验研究

未引用参考文献

Zhang等人，2024b.

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52200149和52170126）和中国博士后科学基金（项目编号：2022MD723755）的支持。