山东农业大学李恕艳副教授课题组:解密镁改性生物炭调控堆肥过程中碳转化机制—来自微生物和分子特征的见解

生物炭因其良好的调节性能被广泛研究，可加速堆肥进程、减少碳氮损失。然而，原始生物炭碱性强、孔隙结构有限，应用效果受限。近年来，金属改性生物炭，尤其是镁改性生物炭，因其能通过形成鸟粪石提高养分保留、缓解镁离子高盐度对微生物的毒害，显示出优化有机物降解和促进腐殖化的潜力，但其多因素作用机制尚不明确。因此，本研究通过傅里叶变换红外光谱二维相关光谱（FTIR-2DCOS）、三维荧光光谱-平行因子分析（EEM-PARAFAC）及宏基因组分析等手段，从微生物和分子水平系统揭示镁改性生物炭调控堆肥碳转化的机制，重点探讨其对有机质降解、腐殖质形成、CO₂和CH₄排放的影响。

▲图1 摘要图（来源：ScienceDirect）

1.三维激发-发射基质荧光光谱和平行因子分析 (EEM-PARAFAC)

利用EEM-PARAFAC分析发现，堆肥过程中不稳定蛋白类物质（C2）减少，腐殖酸类物质（C1、C3）增加。镁改性生物炭（MBC）和生物炭（BC）处理显著提高了腐殖化程度，促进了类蛋白物质向类腐殖物质的转化，且DOM主要源于微生物内源活动。

▲图2 (a-c) 通过激发-发射基质光谱和并行因子分析 (EEM-PARAFAC) 鉴定的三种荧光成分，(d) 荧光成分1-3的F_max强度，FI、FrI、BIX和HIX的荧光指数 (e)（来源：ScienceDirect）

2.傅里叶变换红外光谱和二维相关光谱(FTIR-2DCOS)

利用FTIR-2DCOS分析表明，镁改性生物炭加速了堆肥中不稳定有机物（如蛋白质衍生物、脂肪族组分）的分解与转化，促进了更高氧化和缩合度的腐殖质形成，显著增强了腐殖化程度。

▲图3 MBC堆肥处理过程中腐殖质物质可能的假设形成途径

（来源：ScienceDirect）

分析了堆肥碳循环相关功能基因。镁改性生物炭处理上调了碳固定基因（如cbbL、acsA）的表达，同时抑制了产甲烷基因（mcrA）的丰度，从而增强CO₂固定能力并减少CH₄排放。此外，还促进了淀粉、纤维素、半纤维素等有机质降解相关基因（如amyA、bglB、nagA）的表达，加速了有机质降解和堆肥稳定化。

▲图4 与碳循环相关的功能基因的相对丰度。(a) Calvin 循环，(b) 还原柠檬酸循环，(c) 还原乙酰辅酶 A 途径，(d) 还原甘氨酸途径和 (e) CH4代谢途径（来源：ScienceDirect）