《Environmental Research》：Amoxicillin and copper affect humification during compost: Insight into dissolved organic matter and bacterial community succession
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抗生素与重金属协同污染对堆肥腐殖化过程的影响机制研究。通过光谱分析与微生物群落研究，发现AMX和Cu复合污染在低、高浓度下均抑制DOM降解和腐殖酸（HA）积累，其中高浓度显著阻碍FA向HA转化，抑制核心菌群如A4b、JG30-KF-CM45及微球菌科丰度，并抑制多糖降解及美拉德途径相关基因表达。
作者：苏雅|卓倩婷|吴平帆|邵浩辰|傅善飞|黄光群
中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所青岛新能源山东实验室，山东生物气体工程研究中心，中国青岛 266101
摘要
阿莫西林（AMX）和铜（Cu）经常同时存在于粪便中，但它们在不同浓度下的联合效应及其对堆肥腐殖化过程的影响机制尚不清楚。本研究结合多种光谱表征方法和微生物分析方法，阐明了AMX和Cu在奶牛粪便好氧堆肥过程中对腐殖化的影响。结果表明，无论是低浓度还是高浓度的AMX和Cu都会抑制有机物的降解，并使腐殖酸（HA）含量相对对照组减少了3.8%–5.0%。值得注意的是，高浓度的联合污染显著抑制了富里酸的转化，并阻碍了整体堆肥的腐殖化过程。腐殖酸形成的抑制是由于蛋白质类物质降解和多糖转化的受阻，进而抑制了美拉德反应途径。另一方面，联合污染还减少了主要参与腐殖酸形成的细菌如A4b、JG30-KF-CM45和Microscillaceae的丰度。在冷却阶段，这种复合污染抑制了氨基酸代谢和碳水化合物代谢，并抑制了相关酶（GHs和GTs）的表达。本研究为调控复合污染条件下的堆肥腐殖化过程提供了数据支持。
引言
近年来，中国大规模奶牛养殖业快速发展，每年产生近4亿吨粪便（Fang等人，2024年）。如果管理不当，奶牛粪便会造成严重的环境污染（Yang等人，2024年）。好氧堆肥是一种可持续的粪便处理方法，可将畜禽废弃物转化为有机肥料或土壤改良剂（Gao等人，2019年）。在堆肥过程中，复杂的有机物质逐渐分解为腐殖质前体，如还原糖、氨基酸、脂肪族化合物和多酚类物质，这些物质随后聚合形成大分子腐殖质（Zhao等人，2025年）。腐殖质的形成是堆肥稳定性和污染缓解的关键（Wei等人，2022b年）。关于腐殖质形成的机制有多种理论，包括糖-胺缩合（美拉德反应途径）、木质素理论和多酚理论（Wei等人，2022a年）。
在大规模和集约化奶牛养殖中，为了治疗和预防疾病，经常使用抗生素和促进生长的重金属元素（这些元素不在禁用名单上）（Zhang等人，2022a年）。阿莫西林（AMX）是一种β-内酰胺类抗生素，在奶牛养殖中广泛使用，但其代谢不完全导致药物残留（Oliver等人，2020年）。同时，促进生长的元素如铜（Cu）通常以高剂量添加到动物饲料中，由于吸收率有限，这些元素会在畜禽粪便中积累（Wang等人，2024年）。因此，在大规模养殖系统中，AMX和Cu常常共存于奶牛粪便中，形成了典型的抗生素-重金属复合污染体系。粪便中的抗生素和重金属会改变堆肥过程中微生物群落的组成和多样性（Gong等人，2025年；Su等人，2025年），从而进一步影响腐殖质的形成。例如，放线菌素应力可以通过抑制核心微生物活性来抑制有机物的转化（Zhang等人，2022b年）。Cu通过抑制与富里酸转化相关的核心微生物，抑制了富里酸向腐殖酸的转化（Su等人，2024年）。此外，微生物群落在不同浓度污染下的反应也有所不同（Fan等人，2025年）。然而，关于不同浓度复合污染如何干扰堆肥腐殖化过程的研究仍不足。
由于大多数生化反应发生在水相溶剂中，因此有机物的分子结构和官能团组成的变化为评估腐殖化过程和阐明主导的腐殖质形成途径提供了坚实的基础（Jiao等人，2024年）。在堆肥基质中，有机物是最具化学反应性的组分，主要由腐殖质及其不同分子量的有机化合物组成，包括氨基酸、碳水化合物以及芳香族和脂肪族结构（Yang等人，2023年）。多种光谱技术，如紫外-可见吸收光谱、三维激发发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR），已被广泛用于研究堆肥过程中有机物的组成特征和结构演变（Zhu等人，2024年）。同时，由于有机物的转化主要由微生物代谢介导，因此明确细菌群落组成和代谢功能对于解释腐殖化过程至关重要（Liu等人，2023年）。近年来，越来越多的研究将有机物表征与微生物分析相结合，以阐明堆肥过程中的腐殖化机制（Xu等人，2024年；Zhang等人，2024年）。然而，在不同浓度的复合污染条件下，现有研究仍缺乏系统性的研究，未能将有机物结构演变与微生物群落的功能反应结合起来，从而限制了从“有机物结构演变-微生物驱动的代谢”多维度角度对堆肥腐殖化调控机制的阐释。
本研究旨在探讨不同浓度的复合污染物如何影响奶牛粪便的好氧堆肥过程中的腐殖化。实验中使用了混合了秸秆的奶牛粪便，并添加了低剂量和高剂量的AMX和Cu。系统地量化了复合污染对堆肥过程中腐殖质含量及其组分变化的影响。通过多种光谱分析方法阐明了复合污染影响腐殖化过程的分子机制。通过对细菌群落组成及其代谢功能、与碳水化合物相关酶（CAZymes）的基因变化的分析，进一步揭示了受复合污染影响的微生物及其对腐殖化过程的贡献。总体而言，本研究的结果为改进受复合污染物影响的粪便堆肥策略提供了理论基础。
堆肥过程
本实验使用的原料包括奶牛粪便和切碎长度为3–5厘米的小麦秸秆，其详细的物理化学性质见表S1。奶牛粪便和秸秆按10:1的质量比混合后放入智能堆肥反应器中进行好氧堆肥。反应器系统已在我们的先前研究中详细描述（Su等人，2025年）。堆肥过程采用间歇通风模式，设置为空气供应30分钟/停止30分钟。
堆肥成熟度和腐殖化
在堆肥过程中，所有处理组的VS值均呈现持续下降趋势（图1a），反映了有机物的持续分解（Wei等人，2022b年）。堆肥完成后，CK组、T1组和T2组的VS含量分别减少了12.48%、13.15%和10.18%。GI值总体上呈上升趋势（图1b），表明植物毒性有所缓解，堆肥逐渐成熟（Jiao等人，2024年）。
结论
本研究系统地阐明了不同浓度下的AMX和Cu复合污染对奶牛粪便好氧堆肥过程中腐殖化的影响。无论是低浓度还是高浓度，都抑制了腐殖酸的积累，高浓度处理进一步降低了腐殖化程度。从机制上看，AMX和Cu抑制了蛋白质类物质的降解和多糖的转化，并抑制了关键前体的生成。
作者贡献声明
黄光群：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、数据管理。邵浩辰：验证。傅善飞：监督、资源提供、资金获取、数据管理。卓倩婷：数据可视化、正式分析、概念构思。吴平帆：实验研究。苏雅：初稿撰写、方法设计、实验研究、概念构思
未引用参考文献
Noda和Ozaki，2005年。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3907200）、CARS36专项基金、山东博士后科学基金会（SDZZ-ZR-202501455）以及山东省自然科学基金（2023TZXD020）的支持。
