文献信息

文献标题 Dual-phase bioconversion transforms toxic invasive Ageratina adenophora into nutrient-rich fertilizer: Synergistic detoxification by composting and black soldier fly larvae.
文献译名 双阶段生物转化将有毒入侵植物紫茎泽兰转化为富含养分的肥料:堆肥与黑水虻幼虫协同解毒
期刊名称 Chemical Engineering Journal (CEJ)
影响因子 12.5
发表时间 2026年4月9日
第一作者 Yousif Abdelrahman Yousif Abdellah
通讯作者 刘栋
单位 中国科学院昆明植物学研究所野生物种种质资源库和云南真菌多样性与绿色发展重点实验室
DOI https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175996
检测支持 南京卡文思检测协助完成了重金属(Zn、Cu、Cd和Pb)检测相关的工作,为该项目提供了充分的理论依据和理论支持。

研究背景 Part.01

紫茎泽兰(Ageratina adenophora, AA)是一种快速扩散的入侵植物,能够产生有毒的倍半萜类化合物(如DTD和HHO),抑制本地植物生长,破坏生态系统。尽管其生物质富含氮、磷、钾等营养元素,具有作为有机肥料的潜力,但传统堆肥难以有效降解其毒性成分,且可能残留可繁殖的种子,存在二次扩散风险。近年来,好氧堆肥被证明能部分降低AA的植物毒性,但效率和彻底性仍有不足。黑水虻幼虫(BSFL)已被广泛应用于各类有机废物的处理,能快速降解有机物、减少病原体、回收养分。然而,将堆肥与BSFL处理相结合用于AA生物质解毒和资源化的研究尚未见报道。因此,本研究提出一个两阶段生物转化平台:先堆肥、再BSFL处理,旨在实现AA的高效解毒与肥料化。

试验设计 Part.02

研究设计图
图1 紫茎泽兰资源化与多组学联合修复设计示意图

研究结果 Part.03

1. 生物转化过程理化性质与幼虫增重变化

AA 添加组幼虫增重呈剂量依赖性上升:AA 2.5%–10% 组平均增重 0.014–0.029 g,10% 组增重最高;CK 增重(0.017 g)低于 7.5% 与 10% 组,表明腐熟 AA 可促进幼虫生长。残留化感物质未抑制幼虫代谢,反而通过激活氨基酸、碳水化合物代谢通路,产生毒物兴奋效应,实现营养收益大于解毒能耗。

不同组别堆肥过程中对AA的物理化学性质响应
图2 不同组别堆肥过程中对AA的物理化学性质响应
添加黑水虻幼虫(BSFL)对堆肥化后蚯蚓(AA)的理化性质变化以及生物转化过程中幼虫增重的影响
图3 添加黑水虻幼虫(BSFL)对堆肥化后蚯蚓(AA)的理化性质变化以及生物转化过程中幼虫增重的影响

2. 化感物质残留动态

HHO:CK 仅降解 33%;AA 10% 组初始 96.4 mg/kg,28 天降至 35.2 mg/kg,降解 63.5%;

DTD:AA 10% 组初始 220.8 mg/kg,28 天降至 76.8 mg/kg,降解 65.2%;

降解机制:BSFL 掘穴搅拌提升通气性,促进过氧化物酶等氧化酶系活化,实现化感物质开环降解。

3. 酶活动态

AA 10% 组脂肪酶、过氧化物酶、纤维素酶、蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性整体显著高于 CK:

前期:脂肪酶、蔗糖酶、脲酶快速升高,响应易降解有机质;

中期:纤维素酶、蛋白酶峰值出现,加速木质纤维素与蛋白分解;

后期:酶活趋于稳定,底物腐熟完全。

生物转化过程中的酶活性动态
图4 生物转化过程中的酶活性动态

4. 重金属生物有效性动态

BSFL 转化显著降低DTPA 提取态重金属(降幅 > 40%),符合中国有机肥二级标准:

Cu:第 7 天短暂释放,终态较 CK 低 12.6%;

Cr:终态 30.7 mg/kg,较 CK 低 25%;

Zn:终态 26.57 mg/kg,较 CK 低 25%;

Cd:终态 0.099 mg/kg,较 CK 低 67%;

Pb:终态 24.20 mg/kg,较 CK 低 32%。

核心机制:腐殖物质(胡敏素、腐殖酸、富里酸)大量生成,与重金属螯合形成稳定络合物,降低生物有效性。

生物转化过程中重金属生物可利用性的变化
图5 生物转化过程中重金属生物可利用性的变化

5. 养分含量变化

有机质:前期快速降解,终态 AA 组与 CK 持平,以难降解木质素为主;

全氮:AA 组终态 2.88 g/kg,较 CK(2.21 g/kg)提升 30%;

全钾:AA 组净增 0.11 g/kg,CK 无净增长;

腐殖化:胡敏素、腐殖酸分别较 CK 高 23%、25%,富里酸降低 11%,腐熟度更高。

生物转化过程中的产品质量评估
图6 生物转化过程中的产品质量评估

6. 微生物群落结构

门水平:AA 组变形菌门、拟杆菌门丰度为 CK 的 10 倍,是 BSFL 肠道优势菌群,驱动有机质降解;

属水平:AA 组富集黄杆菌属、微杆菌属、假单胞菌属、路氏杆菌属,具备木质纤维素降解、重金属耐受、化感物质降解功能;

α 多样性:AA 组Simpson、Shannon、Pielou 均匀度、观测物种数显著高于 CK,群落更稳定多样。

生物转化过程中的微生物群落结构动态
图7 生物转化过程中的微生物群落结构动态
生物转化过程中门水平上的微生物多样性
图8 生物转化过程中门水平上的微生物多样性

7. 抗生素抗性基因与毒力因子动态

AA+BSFL 体系可显著降低高风险 ARGs 与毒力因子:抗生素外排、灭活基因丰度下降1.6 倍,多重耐药风险降低;群体感应、效应蛋白、毒素合成基因显著下调,致病菌毒力减弱;机制:化感物质抑制耐药菌定植,BSFL 肠道环境筛选功能菌群,降低水平基因转移风险。

抗生素抗性基因分析
图9 在生物转化过程中,基于(a)抗生素抗性机制;(b)抗生素抗性基因(ARGs);以及(c)潜在有害抑制剂(PHI)(功能水平)的抗性和毒力基因变异。
残留植物化学物质、物理化学性质、幼虫增重、营养水平、病原体和重金属可用性之间的关系
图10 残留植物化学物质、物理化学性质、幼虫增重、营养水平、病原体和重金属可用性之间的关系

研究结论 Part.04

本研究构建了一个两阶段生物转化平台(堆肥 + BSFL处理),成功将有毒入侵植物AA转化为安全、富含养分的农业肥料。该系统实现了以下关键成果: 1、毒性物质(DTD、HHO)去除率>63%; 2、BSFL体重增加70%,表明毒性物质在低浓度下具有代谢刺激作用; 3、重金属生物有效性降低>40%,抗性基因和毒力因子下降1.6–2倍; 4、总氮和腐植酸分别提升30%和25%; 5、总体生物质减少90%,符合循环经济理念。 尽管该系统在实验室层面验证有效,仍需通过植物生长试验、质量平衡分析、微观结构表征和中试验证,进一步评估其田间应用的安全性与经济可行性。