通过亚麻沤制废液和生物炭增强家禽粪便和玉米残渣堆肥过程中木质素的降解：由优势多功能微生物物种介导

《Food and Bioproducts Processing》：Lignin degradation enhancement in poultry manure and maize residue composting via flax retting waste liquid and biochar: Dominant microbial generalist species mediated

　　

汤洋|涂秀军|唐轩|郭宇浩|刘月仪|吴振超|张浩|杨颖|李硕|姚伟格|杜金玉|徐婷婷|宋刚|蔡白岩|葛敬平

中国教育部农业微生物技术工程研究中心；黑龙江省植物遗传工程与生物发酵工程重点实验室（针对寒冷地区）；黑龙江省寒冷地区生态恢复与资源利用重点实验室；黑龙江省微生物学重点实验室；哈尔滨医科大学生命科学学院，150080

摘要

木质素的抗降解性仍然是将玉米残渣等有机固体废弃物转化为生物能源和稳定资源的主要挑战，从而限制了可持续废物管理的效率。本研究利用傅里叶变换红外光谱、二维相关光谱技术和高通量测序技术，研究了在禽粪-玉米残渣基质中加入两种添加剂（亚麻煮炼废水（FRL）和生物炭）对木质素氧化解聚和腐殖化过程的协同促进作用。结果表明，FRL和生物炭的组合实现了高效率的木质素降解，具体表现为1512 cm^-1苯环峰处的透射率差异为0.18147。这些结果还通过C–O、C–C以及脂肪族C–H键的变化得到了验证。微生物分析显示，广适应性微生物（占55.5%）主导了木质素的降解过程，并形成了具有高鲁棒性（0.332）和模块性（0.665）的稳定网络。广适应性微生物中的木质素降解基因在整个堆肥过程中始终保持活性，而专性微生物中的这些基因仅在早期和中期阶段表达。这种由广适应性微生物驱动的机制为工程化开发鲁棒微生物联合体提供了实用框架，从而加速了有机废弃物的转化和高价值资源的回收。

引言

木质素是木质纤维素生物质植物细胞壁中的一种复杂芳香聚合物，含有多种官能团（Ha等人，2025年）。其特征是高度交联的苯丙烷单元以及稳定的C-C/C-O键结构。在好氧堆肥过程中，木质素是最难降解的成分之一，而好氧堆肥是农业有机废弃物转化的主要技术（Mo等人，2025年）。同时，木质素的抗降解性往往导致堆肥周期延长和有机物降解缓慢，从而影响腐殖化进程的速度，进而限制了堆肥的成熟度和最终产品的质量（Xu等人，2021年）。

为了解决好氧堆肥中木质素降解的问题，人们开发了基于添加剂的策略。其中，具有多孔结构、高比表面积和优异吸附能力的生物炭可以有效优化堆肥微环境，丰富微生物群落，并增强木质素降解酶的活性（Harrison等人，2022年；Tran等人，2023年）。亚麻煮炼废水（FRL）是亚麻煮炼过程的副产品，富含木质素降解微生物和可溶性营养物质，可以补充微生物生物量，促进与木质素降解相关的代谢活动（Wu等人，2023年）。Yang等人报告称，在FRL中添加10%的生物炭后，溶解有机物的芳香指数SUVA₂₅₄和SUVA₂₈₀分别提高至9.815和8.35，极性官能团指数E₂₅₃/E₂₀₃提高至0.3943。这些数值明显高于未添加生物炭的对照组（Yang等人，2023年）。此外，木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶的活性分别提高了约35%和28%（Feng等人，2024年）。

微生物是堆肥过程中木质素降解的主要驱动者，它们在功能群内的生态位分化显著影响降解效率。例如，广适应性微生物由于其广泛的适应能力、强大的随机过程和宽泛的生态位范围，能够快速响应环境变化。相比之下，专性微生物的生态位范围较窄，通过高多样性菌群结构和物种更替维持特定功能（Sun等人，2024年）。在采用禽粪-稻草的好氧堆肥系统中，专性微生物在木质素解毒中发挥了核心作用（Huang等人，2025年）。在高压、低温、低氧的模拟深海环境中对油污染沉积物的生物修复过程中，广适应性微生物是降解功能的主要贡献者，而专性微生物则起到了互补的协同作用（Qiao等人，2024年）。尽管环境底物和降解目标存在显著差异，但广适应性微生物和专性微生物之间仍表现出一致的合作模式，表明亚群之间的特定分工存在显著差异。

光谱技术从分子水平揭示了不同添加剂如何调节好氧堆肥系统中木质素的降解机制。通过捕捉木质素特征官能团的动态变化，光谱技术能够精确反映大分子降解的微观过程。

例如，傅里叶变换红外光谱（FTIR）可以有效监测木质素中特征官能团的变化。Chang和Gupta发现，未经处理的稻草中木质素中O–H伸缩振动引起的吸收峰在3358 cm^-1处的强度经过Fenton处理后显著减弱，这表明木质素中的酚羟基结构发生了降解和转化（Chang和Gupta，2023年）。然而，一维FTIR光谱容易受到峰重叠的干扰，使得定义官能团转化的时间序列关系变得困难。二维相关光谱（2D-COS）可以有效分析一维FTIR光谱，并利用时间作为外部扰动因素来阐明每个结构单元的降解顺序。这种方法为阐明有机物降解的分子途径提供了更详细的数据支持（He等人，2023年；Liang等人，2025年；Tu等人，2024年）。

因此，为了提高农业和工业废弃物的转化效率，本研究探讨了添加FRL的稻草和禽粪的好氧堆肥工艺。本研究旨在：（1）阐明含有不同废弃物的堆肥系统中木质素降解的时间序列；（2）区分驱动木质素降解的专性微生物和广适应性微生物，并明确这两种微生物亚群的功能特征；（3）分析微生物网络的动态演替以及专性微生物和广适应性微生物在木质素降解中的不同作用；（4）揭示微生物亚群与木质素官能团演变之间的耦合机制。总体而言，这项工作为优化堆肥生物过程的腐殖化和农业及工业有机固体废弃物的可持续转化建立了理论和工程框架。

章节摘录

堆肥实验

好氧堆肥实验在一个实验室设计的圆柱形罐中进行（直径22 cm，高度40 cm，工作体积14 L），主要原料为来自中国黑龙江省周边农田的新鲜禽粪和玉米残渣。为了安全处理工业废水，在好氧堆肥过程中添加了FRL。FRL来自克山县金鼎亚麻集团，pH值为4.8，电导率为...

FRL及其与生物炭的组合促进木质素的高效降解

FTIR分析显示，所有处理组均含有与木质素降解相关的官能团，如脂肪族官能团（1463 cm^-1）、苯环（1512 cm^-1）、C–O（G）（1325 cm^-1）、C–O（S）（1167 cm^-1）和C–H（G-S）（2926 cm^{-1-1）、芳香环（1512 cm-1、香豆素单元（1325 cm-1）、丁香素单元（1167 cm-1）和木质素侧链（2926 cm-1）发生了降解}

结论

总之，FRL和生物炭的组合显著促进了难降解有机污染物的氧化解聚和稳定。这一策略通过优先断裂C–O键，促进了抗降解芳香核心的裂解。广适应性微生物主导了生物转化过程，赋予了微生物网络较高的模块性和鲁棒性。功能基因分析证实，广适应性微生物保持了代谢活性

（Suman等人，2024年）

CRediT作者贡献声明

李硕：实验研究。杨颖：实验研究。张浩：实验研究。吴振超：实验研究。刘月仪：实验研究。葛敬平：监督、资源管理、方法论制定、概念构思。郭宇浩：实验研究。蔡白岩：方法论制定、概念构思。唐轩：实验研究。宋刚：实验研究。涂秀军：正式数据分析。徐婷婷：实验研究。汤洋：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据管理。杜金玉：实验研究。姚伟格：

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的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（资助编号32571905）、黑龙江省自然科学基金（PL2024D015）以及2025年黑龙江省“双一流”学科协同创新成就年度项目（LJGXCG2025-P31）的支持。