英文原题：Trace MnFe2O4 boosts polyphenol-Maillard reaction and humification process for value-added composting: Integrated effect of chemical and enzymatic catalysis
通讯作者：靳红梅，江苏省农业科学院
作者：Yujiao Long, Hongmei Jin, Haiyan Li, Ning Zhu, Enhui Sun, Chao Shan, Hongchao Li, Yun Cao
近日，江苏省农业科学院农业资源与环境研究所靳红梅团队提出利用尖晶石铁氧体MnFe2O4催化堆肥过程多酚-美拉德反应，实现低添加量下高效催化合成腐殖酸的目标。本研究为堆肥腐殖质低碳转化和废弃物高效增值利用提供理论和技术支撑。
有机固体废弃物低碳生态转化与循环利用是全球性的重要议题。好氧堆肥是有机固体废弃物减量化、无害化与有机肥生产最主要的手段之一。腐殖酸（HA）作为堆肥终端产物，在土壤肥力提升、作物抗逆增效和环境污染修复等方面发挥重要作用。然而，传统好氧堆肥过程存在物质转化效率低、腐熟周期长、产品功能弱等问题。利用添加剂是强化堆肥腐殖化的有效手段，而研发高效、绿色、低成本的非生物添加剂是堆肥促腐调控技术创新的重要任务。
江苏省农业科学院农业废弃物资源化利用创新团队从堆肥腐殖质形成的多酚-美拉德反应机理出发，开发了靶向适配的尖晶石铁氧体催化剂MnFe2O4，低添加量（0.02%，w/w）下畜禽粪便堆肥中HA较对照组提高了15.2%，腐殖化指数提高18.7%（图1）。这表明MnFe2O4添加是一种经济可行的堆肥促腐方法。
图1. MnFe2O4对堆肥腐殖化的强化效应
尖晶石铁氧体MnFe2O4催化使得非生物腐殖化反应体系中暗色化率和腐殖酸（HLA）产量均提高10倍以上，HLA高分子量部分占比显著增加（图2）。结合堆肥体系中多酚、氨基酸和还原糖含量的变化特征，明确了MnFe2O4添加通过促进多酚-美拉德反应中前体物质的聚合，进而实现堆肥体系HA含量的提升。
图2. 非生物腐殖化体系中MnFe2O4的催化作用
解析了MnFe2O4催化作用下堆肥腐殖化的化学反应机理。一方面，MnFe2O4促进了堆肥过程中氨基酸和可溶性微生物产物聚合为稳定的HA（图3）；另一方面，MnFe2O4加速了前体物质氧化成醌中间体和/或不稳定的活性自由基（图4），这些活性中间体自发偶联形成HA。
图3. 堆肥过程中腐殖酸HA的三维荧光光谱图
图4. 堆肥过程中腐殖酸HA的二维红外光谱图
进一步揭示了MnFe2O4强化堆肥腐殖化的微生物学机制。通过堆肥过程中微生物群落结构的分析发现，MnFe2O4添加增加了产漆酶/过氧化物酶细菌（如Bacillus, Thermobifida, Oceanobacillus, Nocardiopsis and Georgenia）的相对丰度（图5）；MnFe2O4中的Fe、Mn等元素是微生物重要的营养物质和关键酶（如漆酶、过氧化物酶等）活性位点的辅助因子，在催化多酚-美拉德反应中起着至关重要的作用。
图5. MnFe2O4添加提高了堆肥体系中与腐殖化相关的产漆酶/过氧化物酶细菌的相对丰度
综上所述，本研究系统解析了微量尖晶石铁氧体催化剂MnFe2O4对好氧堆肥过程多酚-美拉德反应的促进作用，揭示了其对腐殖酸形成的非生物与生物调控机制，为新型高效堆肥添加剂开发提供了有力支撑。
该论文发表在ACS ES&T Engineering上，江苏省农业科学院龙玉娇助理研究员为文章的第一作者，靳红梅研究员为通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1702001）、国家自然科学基金项目（42077100）和江苏省农业科技自主创新资金项目（CX(23)3103）的资助。
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