同济大学、中国环科院、南京所、水工业分会Adv. Sci.：污泥源微生物营养激励素促植物生长分子机制与综合效应

图文摘要

成果简介

城镇废弃物的土地利用是重构人与土地间物质循环链条的重要手段。污水污泥经碱性热水解（ATH）处理后产生的污泥源微生物营养激励素（SPB），因吲哚-3-乙酸与羟基苯乙酸这两种农用高值化产物的检出，ATH已成为污泥土地利用的热点研究方向。但对SPB的物质组成缺乏分子层面的深入认知，且缺乏SPB施用后从全生长周期视角下对农作物的综合影响机制解析。近日，同济大学环境科学与工程学院戴晓虎教授团队、中国土木工程学会水工业分会张悦理事长团队及中国环境科学研究院许秋瑾研究员团队在Advanced Science期刊合作发表了题为“Elucidating the Molecular Mechanisms and Comprehensive Effects of Sludge-Derived Plant Biostimulants on Crop Growth: Insights from Metabolomic Analysis”的研究论文。

本研究结合非靶向代谢组定性准和靶向代谢组定量准的优势，基于靶向标品数据库的二级谱信息，在SPB中51种植物激素及1,177种功能代谢物被首次检出，将污泥ATH的认识深入到分子水平。以水稻为研究对象，本研究发现较低浓度的SPB作用下对水稻根系、叶片及根系土壤产生多重复合增益效果。IAA等生长素的存在在水稻根系快速建立分裂的初始细胞群，有利于水稻根长、根表面积、根直径、根体积和根尖数等指标的综合提升，根系生长与扩张性能呈现显著先发优势。水稻叶片中过氧化氢酶，超氧化物歧化酶和还原型谷胱甘肽活性的提升，有效提升水稻防御活性氧以及其它自由基对膜脂的胁迫能力。SPB不光为土壤提供DOC来源，同时因为ABA、JA、SA和CK等组分的原因，土壤中磷等影响性组分转化为利于植物吸收状态，提升了水稻对养分离子及氮素的利用效率。本研究为污泥ATH过程代谢流解析，SPB土地利用提效机制及SPB的大规模推广应用提供重要理论基础。

随着全球城市化进程的加快，城市居民生活污水排放量达到每年360立方千米。污水处理厂虽能削减污水中90%以上的污染物，但其中一半会转移到污泥中。污泥含有大量的碳、氮、磷等营养物质，同时也富集了病原微生物、重金属和持久性有机污染物等有害物质。若污泥得不到有效处理，会重新进入生态系统，对城市基础设施（如污水处理厂）的有效性构成威胁，还会造成生物质资源的严重浪费，所以污泥管理成为确保城市环境水质的关键因素。

传统农业中“用粪肥田”的模式实现了人与土地的循环，粪肥成为农业发展的资源，确保了土壤肥力，是传统农业循环经济概念的标志性成就。然而，随着工业化和城市化进程加速，城市基础设施和污水处理网络不断完善，大部分城市生活污水通过管道进入处理厂，打破了养分循环链。同时，化肥工业的快速发展使粪肥被大量取代，切断了其返回田地的路径，导致资源和能源浪费以及生态环境问题。

利用污泥进行土地应用是克服资源和环境限制的关键策略，如用于农业施肥、土地改良、荒地区造林、育苗和景观美化等，能重构生活污水返回田地的循环，实现生态系统和人类健康的双赢，是有效解决污泥问题的重要途径。从部分发达国家经验来看，污泥土地利用率较高，但鉴于污泥来源复杂和污染物众多，在污泥土地利用后需定期监测和跟踪评估污染风险。因此，从污泥复杂的污染物体系中分离出对农业生产有益的物质，是污泥回归土地的核心技术问题。

2021年团队利用ATH处理污泥，在可溶性有机物（DOM）中发现了吲哚-3-乙酸（IAA）和羟基苯乙酸等高价值产物，这使学者们更加关注碱性水热液中DOM的分子组成。ATH过程加速了污泥中有机絮体的分解，释放细胞内容物并水解大量有机物进入液相，主要成分包括含氮化合物、氨基糖、木质素类基团和脂质等，且含氮化合物中含芳香环和N-杂环的比例较高。从生产有机肥角度看，ATH处理12小时后的DOM环境可通过上调淀粉和蔗糖代谢途径增强植物效应，且“ATH+土地利用”过程在降低全生命周期碳排放方面具有优势，部分碳可通过碳封存转化为高价值资源。但此前研究在成分理解上未深入到特定分子水平，原因包括植物激素含量低、环境稳定性差、基质干扰多、标准物质获取难等。此外，环境研究者多关注污泥减污，对污泥资源化处理后的研究不够深入，虽发现了促进植物生长的有益化合物，但未考虑其更广泛影响和应用。随着新型污泥处理技术发展，有必要深入了解ATH产物的物质组成，以及其对作物根、叶、土壤等在整个生长周期中的影响机制，为农业实践中的可持续发展提供理论支持。

图文导读

一、SPB的分子水平解析

1.1理化及安全特性

成分分析：污泥经碱性热解（ATH）处理后得到的SPB富含氮资源，其总氮含量高达4598±129mg/L，包含多种形态的氮，如可溶性蛋白质、游离氨基酸、可溶性氨氮等。这与ATH处理过程密切相关，该过程能加速污泥细胞分解和有机物质降解，提高蛋白质溶解效率，释放有机氮并使部分微生物失活释放含氮物质，同时在碱性条件下细胞表面电荷变化促进了氮的溶解。此外，SPB中N、P、K元素含量（>11.26%，干重）显著高于农业有机肥工业标准（4%，N+P₂O₅+K₂O，干重），为作物生长提供了充足的养分。

金属含量与安全性测试：SPB中的金属含量尤其是有害金属含量较原始污泥明显降低，远低于多国有机肥产品标准。在安全性测试方面，通过种子发芽实验发现，当SPB浓度处于0.33%-3.3%时，对水稻种子发芽和根伸长有积极促进作用，且促进效果随浓度升高而增强；然而，当浓度升高至10%甚至100%时，则表现出显著抑制作用，这可能是由于SPB中特定物质浓度超过水稻种子耐受范围所致。蚯蚓急性毒性测试显示，SPB的致死浓度50（LC50）高于5000mg/kg，而实际应用浓度远低于此（<10mg/kg），表明从蚯蚓毒性角度看，SPB用于农业应用是安全的。不过，为更全面评估其安全性，后续研究建议纳入更多样化的生物测定方法，如微生物检测（如Microtox测试）、水生生物毒性测试（如水蚤和鱼胚胎）以及高等植物检测（评估光合效率和叶绿素含量等指标），同时开展长期暴露研究、详细化学表征和先进组学分析，以深入了解其毒性分子机制并确定生物标志物。

植物激素：研究利用高度敏感的ABSciexQTRAP6500LC-MS/MS平台和自建数据库，首次在SPB中定量检测到51种植物激素，涵盖8大类，包括生长素、细胞分裂素、茉莉酸、赤霉素、水杨酸、脱落酸、乙烯等。其中，生长素类物质如L-色氨酸（25849.6 ng/mL）、吲哚-3-乙酸（682.0 ng/mL）等浓度较高，这些激素在植物生长发育过程中起着关键的调节作用，如促进细胞伸长、分裂和分化等。

二、水稻对SPB的响应

抗氧化酶活性变化：研究通过测量水稻幼苗叶片中的酶活性来评估叶片质量，结果发现不同浓度SPB处理组间酶活性存在显著差异（p<0.05）。在水培30天时，对照组叶片中过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性分别为11.35U/(g·min)和72.13U/(g·min)，而0.06%和0.11%浓度SPB处理组叶片中的CAT和SOD活性显著升高，其中0.06%浓度处理组CAT活性增加42.02%，SOD活性增加15.96%。这表明适宜浓度的SPB能增强水稻叶片的抗氧化能力，有效抵御活性氧和其他自由基对植物膜脂的攻击，维持植物内部平衡，使细胞保持正常代谢活动水平，这可能与SPB中Ca²⁺有助于维持抗氧化保护酶活性有关。

还原型谷胱甘肽（GSH）含量变化：在植物抗氧化系统中，GSH是重要的非酶抗氧化剂，其含量变化与SOD和CAT酶活性变化趋势相似。与对照组相比，0.06%浓度SPB处理组在第10、20和30天的GSH含量分别显著增加40.45%、39.55%和33.26%，进一步证实了0.06%-0.11%浓度的SPB可增强水稻抗氧化应激能力。然而，当SPB浓度达到0.17%时，对水稻幼苗叶片中SOD和CAT酶活性产生显著抑制作用，同时促进丙二醛（MDA）生成，在第20和30天，0.17%浓度处理组水稻全株MDA含量较对照组分别显著增加19.8%和17.8%。MDA是膜脂过氧化的主要产物，其含量变化反映了植物在胁迫下的受损程度，高浓度SPB可能导致高碱度胁迫，降低幼苗活性，阻碍植物生长，表现为新叶发黄、顶部枯萎和根部受损。综合考虑根系和叶片指标，0.06%浓度的SPB在促进水稻幼苗生长方面表现最佳，而0.17%浓度则具有抑制作用，属于过高的外源添加浓度。

三、土壤对SPB的响应

pH、电导率和DOC含量变化：施用化肥或SPB与化肥配施会对根际土壤理化性质产生影响，SPB的应用能优化土壤性质。在根箱实验中，对照组和空白对照组（不施肥）土壤pH分别为5.67、6.11和6.03，施用氮肥（化肥组）后，由于尿素氨化和硝化作用释放大量质子，土壤pH显著降低，各区域pH值分别降至5.37、5.05和5.82。而与化肥组相比，SPB组合组土壤pH显著升高，最高增幅达14.97%，这一方面归因于SPB本身的碱性（pH=11.29±0.04），另一方面是因为有机提取物可增强氮转化酶活性，提高氮利用效率，减少土壤硝酸盐含量，从而增加土壤pH。此外，SPB组合组土壤电导率在所有区域均显著降低，降幅为28.77%-66.27%，这与使用有机水溶性肥料的实验结果一致，表明SPB可降低土壤盐分，减轻土壤盐渍化风险。同时，SPB组合组各区域DOC含量显著增加，增幅为8.29%-68.03%，较高的DOC含量有助于植物利用碳水化合物、氨基酸和聚合物等物质，这可能与适宜浓度SPB影响根际微生物群落有关，植物激素在其中也发挥了塑造微生物群落和调节土壤功能的作用。由于根际效应，植物根系分泌物和渗出物为土壤微生物群落提供丰富碳源，驱动微生物群落向近根际区域聚集。SPB中的植物激素如IAA可促进有益根际细菌定植，为其提供碳氮源，而水杨酸（SA）和细胞分裂素（CK）等也可作为碳源，促进土壤群落组成和微生物生长变化。在一定环境胁迫下，土壤微生物可将生长素前体L-色氨酸转化为营养释放，诱导微生物活性，使活性微生物定植者更易建立。

氮含量及形态变化：施肥或配施SPB后，土壤各区域氮含量均显著增加。在根际区域，与空白对照组相比，化肥组、低浓度SPB配施组（LO）、中浓度SPB配施组（ME）和高浓度SPB配施组（HI）的总氮含量分别增加31.15%、30.26%、27.29%和6.4%，表明外源养分添加有效。虽然三个SPB配施组与化肥组总氮含量无显著差异，但土壤铵态氮和硝态氮水平显著低于化肥组，且随SPB浓度增加，降低幅度增大。在远根际区域，三个SPB配施组硝态氮含量分别降低86.17%、88.24%和92.29%，铵态氮含量分别降低11.64%、31.69%和36.49%，这表明SPB应用可促进土壤氮转化为有机氮，有利于氮元素在土壤中积累。

对水稻氮吸收的影响：植物叶绿素含量与叶片氮含量密切相关，叶绿素浓度与氮营养指数呈正相关，土壤氮释放和施肥是影响叶片叶绿素浓度的关键因素。在本研究中，与化肥组相比，LO、ME和HI组叶片叶绿素含量分别显著增加16.67%、22.62%和28.57%，这进一步表明SPB有助于提高氮肥农艺效率和氮吸收效率。在远根际区域，土壤保留相对原始的理化性质，硝态氮含量低于铵态氮，但水稻在根际附近主要吸收铵态氮，且在化肥组、LO、ME和HI组中，近根际铵态氮含量较铵态氮在根际附近被水稻大量吸收和利用，近根际铵态氮含量较其在远根际区域分别降低了84.86%、93.36%、96.96%和97.20%。这是因为水稻根表面存在特定的净化酶，在土壤高浓度钾离子存在的情况下，该酶可将铵态氮转化为电中性的氨和水，使根表面保持微酸性环境，从而增强对铵态氮的吸收。与硝态氮相比，铵态氮与其他养分（如磷、锌等）的竞争力较低，因此水稻能够更快速有效地吸收和利用铵态氮。SPB的配施能够优化水稻对铵态氮的转化和利用，且随着SPB比例的增加，这种优化效果更加显著。这表明SPB在调节土壤氮素形态和促进水稻氮素吸收方面具有重要作用，有助于提高水稻对土壤氮素资源的利用效率，进而影响水稻的生长和发育。

四、SPB对水稻的综合影响

SPB通过优化土壤理化性质，如提高土壤pH、降低电导率、增加DOC含量等，以及提高氮利用效率，为水稻生长创造了更有利的条件。这使得水稻在SPB配施组中生长发育状况优于空白对照组（BC）和化肥对照组（FC）。水稻生长发育和产量的体现主要反映在地上和地下干重的积累上，地下部分根系是吸收水分和养分的重要器官，其干重与地上器官的构建和产量密切相关。实验结果表明，与BC组相比，LO、ME和HI组水稻植株的地上干重分别显著增加了15.49%、33.80%和46.48%，地下干重分别增加了25.53%、34.04%和57.45%；相较于仅施化肥的FC组，LO、ME和HI组地上干重也分别显著增加了10.81%、28.38%和40.54%，地下干重增加了18%、26%和48%。水稻地上部分是光合作用和光合产物生产的主要器官，叶片面积的增加有利于增强光合作用。与BC组相比，LO、ME和HI组叶片面积分别显著增加了13.67%、20.70%和21.12%；与FC组相比，也分别显著增加了11.91%、18.84%和19.25%。植物激素在土壤-微生物-根系-地上部之间传递信号，影响水稻生长和防御机制，不同激素之间相互作用或拮抗，如SA和JA对特定胁迫的响应不同，JA与根生物量呈负相关，而SA含量与根生物量呈正相关。总体而言，SPB对水稻幼苗生长具有积极影响，促进了水稻早期生长阶段干物质的积累，有助于提高水稻产量潜力。一年的田间试验进一步证实，喷施SPB替代部分化肥可使水稻产量达到663 kg/亩，较FC组（622 kg/亩）增产6.59%。在水稻生长周期内，SPB处理组的分蘖数、株高、茎粗、叶面积、地上干重和地下干重等生长指标均表现更优。台风过后水稻成熟时观察到，FC组水稻出现明显倒伏现象，而SPB处理组水稻抗倒伏能力增强。不过，对于SPB影响水稻抗倒伏能力的具体机制，如对水稻形态、机械性能、基因表达等相关指标的影响，还需要进一步深入研究。

五、SPB促进水稻生长的机制

SPB作为一种“多营养型生物激励素”，其促进水稻生长的机制是多方面的。首先，其基本营养成分（如氮、磷、钾等）为植物生长提供了必要的养分支持，这是植物生长的物质基础。其次，SPB中含有的51种植物激素和1177种代谢物等有效成分发挥着关键作用。在适宜浓度的SPB作用下，其中的生长激素如IAA能够启动水稻根系初始细胞群的快速细胞分裂，从而全面改善根系的各项指标，如根长、根表面积、根直径、根体积和根尖数等，使根系生长和扩展性能显著提升，并且有效成分的极性运输也得到增强。同时，SPB中高含量的L-色氨酸和吲哚-3-乳酸作为IAA合成的前体物质，为IAA的缓慢释放和持续作用提供了保障。这不仅有利于根系的生长，还能提高叶片中CAT、SOD和GSH等抗氧化酶的活性，有效增强水稻对活性氧和其他自由基对膜脂的胁迫防御能力，维持植物内部的生理平衡，确保细胞保持正常的代谢活动水平。此外，SPB施用后，一方面为土壤提供了DOC来源，另一方面，其中的ABA、JA、SA和CK等成分能够促进土壤中磷等养分转化为有利于植物吸收的状态，从而提高水稻对养分离子和氮素的利用效率。虽然本研究推测SPB可能诱导水稻根际土壤功能微生物的招募，但这一结论仍需进一步研究并结合文献进行证实。综上所述，SPB通过多种途径共同作用，促进了水稻的生长发育，提高了水稻的抗逆性和养分利用效率，为水稻的高产优质提供了有力支持。

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本研究采用了非靶向代谢组学定性与靶向代谢组学定量相结合的方法，全面揭示了SPB中51种植物激素和1177种代谢物的详细情况，清晰地展现了污泥碱性热水解（ATH）过程中的分子复杂性。研究结果证实，低浓度的SPB对水稻的根、叶以及根-土系统有着诸多有益影响。具体来说，水稻根中含有的激素能够有效促进根的生长与扩展，进而优化根的形态与功能。同时，水稻叶片内关键抗氧化酶活性的提升，有助于增强水稻对环境胁迫的耐受性，从而强化植物应对环境挑战的能力。此外，SPB不仅能够提高土壤中溶解有机碳的含量，还可推动磷等关键养分转化为植物可吸收的形态，提升水稻对养分的摄取效率。这些研究成果突出了SPB在提升作物生产力、促进土壤健康以及推动农业系统可持续发展方面的巨大潜力。通过构建一个坚实的理论框架，有助于深入理解污泥ATH的代谢动态以及SPB在土地利用优化方面的效能，本研究有望为SPB作为可持续农业的有效工具得到广泛应用奠定坚实基础。