木质素酚调控堆肥腐殖质电子转移能力机制研究

Quinonyl is the important redox functional groups for electron transfer ability of humic substance (HS). During composting, the lignin, as a polyphenolic polymer to participate in the core of HS, will be decomposed into various phenolic monomers which are elemental precursors for the condensation of quinonyl in HS. The purpose of this item is to improve the electron transfer ability of HS by adding different kinds of phenolic monomers derived from the lignin. The lignin phenol, phenol oxidation to quinone, quinone and electron transfer ability of HS are the focus of this item. The optimal lignin phenolic monomers which contain abundant quinonyl and stronger electron transfer ability will be clarified based on the statistics, chemometrics analysis method, gene network analysis and metaproteomics, then the main microoganisms communities and the key enzymes at the relative metabolic nodes will be also determined. Furthermore, based on the contribution rate of microenvironmental factors to the functional microorganism and key enzymes ability, optimum combination of factors can be selected. Therefore, the simulation study of regulating composting by functional microorganism and microenvironmental factors will be conducted. Finally, a regulating pathway of microenvironmental factors-functional microorganism-lignin phenol-quinonyl-HS electron transfer ability to improve the electron transfer ability of HS, which can provide technique for composting product utilization and a new insight for traditional composting.

醌基是腐殖质结构中影响电子转移能力的重要氧化还原功能基团。堆肥过程中，木质素作为构成腐殖质核心的多酚类聚合物，氧化分解形成的酚单体是腐殖质结构中醌基缩合的重要前体物质。本课题以提升堆肥腐殖质电子转移能力为目标，通过在堆肥体系中添加不同植物组织的木质素酚单体，以木质素酚、酚氧化为醌、醌及腐殖质电子转移能力为重点研究途径，采用量子化学、基因共表达网络分析、元蛋白质组学等技术，优选以腐殖质电子转移能力为基础的木质素酚单体结构，并确定各途径中功能微生物关键代谢节点及关键酶。结合堆肥微生境因子对功能微生物、关键酶活性的贡献率，优选最佳调节因子体系。在此基础上，开展功能微生物微生境影响因子调控堆肥模拟研究，建立微生境影响因子-功能微生物-木质素酚-醌基-腐殖质电子转移能力堆肥过程调控技术体系，从而提升腐殖质电子转移能力。研究成果可为堆肥产品资源化利用提供技术支撑，为传统堆肥理论注入新的内涵。

醌基是腐殖质结构中影响电子转移能力的重要氧化还原官能基团。在堆肥过程中，木质素作为构成腐殖质核心的多酚类聚合物，氧化分解形成的酚单体是腐殖质结构中醌基缩合的重要前体物质。本项目的主要研究目标是针对木质素酚单体降解和醌基缩合过程中，腐殖质结构如何变化的问题，探讨微生物主导的腐殖质结构变化引起的电子转移能力变化潜在机理。本项目以富含木质素的秸秆为原料进行堆肥，研究了堆肥过程中的木质素酚、醌基含量变化，通过对腐殖质结构的响应，建立了腐殖质电子转移能力与结构的关系，反应了生成腐殖质结构在堆肥中的重要性及其影响；通过进一步研究堆肥过程中微生物群落结构的变化，识别出了核心微生物在不同结构腐殖质生成过程中的影响，并发现不同类别的木质素酚单体在堆肥中发挥的作用存在显著差异。综上所述，本项目建立了一个微生境影响因子-功能微生物-木质素酚-醌基-腐殖质电子转移能力的堆肥过程调控模型，可通过重要木质素单体的占比要选择性调控核心微生物活性。研究成果有利于未来开发出高效稳定的获得堆肥高品质腐殖质物质的方法，对实现“以废治废”这个长远目标具有重大意义。