《Bioresource Technology》：Microbial diversity and metabolic pathways driving humic acid formation in two-stage insect bioconversion system
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两阶段昆虫系统协同促进鸡粪腐殖酸形成，BSFL阶段高效分解有机物，PBL阶段通过微生物群落演替和氧化代谢增强腐殖酸稳定性与结构复杂性，最终降低植物毒性并提升农用品质。
王聪|叶晓梅|杜静|张如菊|马秋琴|孔向平|张英鹏|王丽|朱飞
江苏省农业科学院动物科学研究所，南京 210014，中国
摘要
本研究开发了一种两阶段昆虫辅助系统，首先使用黑水虻（BSFL）幼虫处理，随后使用Protaetia brevitarsis（PBL）幼虫处理，以增强鸡粪的腐殖化作用。BSFL处理降低了电导率和易分解有机物含量，表明其具有高效的水解和解毒能力。干重标准化质量平衡分析显示，BSFL处理阶段腐殖酸（HA）含量下降，但在PBL处理后显著增加，这证实了腐殖化的增强效果而非单纯的浓度效应。荧光分析进一步表明PBL处理阶段腐殖物质的结构复杂性提高，种子发芽试验也显示其降低了植物毒性并提升了农艺品质。多组学分析显示，代谢途径从以甘氨酸（GH）为主导的降解过程转变为以芳香族化合物（AA）相关的氧化代谢过程，同时微生物群落向放线菌门转变，芳香族相关代谢途径得到富集。相关性分析表明BSFL产生的中间产物可能影响后续微生物的组成，但因果关系仍需进一步验证。总体而言，BSFL–PBL联合系统通过协调的水解和氧化过程促进了腐殖质的稳定，为有机废弃物的可持续利用提供了理论基础。
引言
由于食腐昆虫具有较高的摄食能力和改变底物物理化学性质及微生物特性的能力，它们已成为转化有机废物（尤其是畜禽粪便）的有效工具（Naser El Deen等人，2023年）。其中，黑水虻（Hermetia illucens）被广泛用作粪便生物转化的模型生物（Li等人，2025年）。研究表明，黑水虻幼虫（BSFL）能够快速减少底物质量，将富含氮的废物转化为富含蛋白质的生物质，并在处理过程中改变微生物群落组成（Binsin等人，2023年）。因此，基于BSFL的系统逐渐被视为有机废物利用的有前景的方法，尤其是对于高水分含量的废物如鸡粪（Awasthi等人，2020年；Xiao等人，2018年）。
除了在减少废物方面的效率外，人们还非常关注转化产物的质量，特别是通过腐殖化作用实现的有机物稳定（Cai等人，2024年）。腐殖化过程将有机物转化为腐殖物质，在碳稳定、芳香族化合物缩合和土壤肥力方面起着关键作用（Ondrasek等人，2018年）。在传统堆肥过程中，腐殖化主要由微生物分解、氧化聚合和酶促转化驱动（Luo等人，2018年）。然而，在昆虫介导的系统中，腐殖物质形成的机制尚不完全清楚（Schmidt和Engel，2021年）。
现有证据表明，BSFL介导的生物转化过程以快速水解和氨化为主，这一过程由肠道微生物群和消化酶促进（Wu等人，2024年）。这些过程虽然增强了养分矿化和底物消耗，但可能限制了腐殖酸形成所需的氧化转化和芳香族化合物缩合（Xiao等人，2018年）。因此，BSFL处理的残余物具有较低的腐殖化程度，表现为高铵氮含量和有限的稳定腐殖结构，这表明在BSFL系统中快速生物降解与有效腐殖化之间存在权衡（Du等人，2022年）。
从理论角度来看，腐殖化是一个逐步过程，首先易分解的有机化合物被降解，随后发生氧化、缩合和聚合形成稳定的腐殖物质（Xie等人，2018年；Xu等人，2024年）。这意味着不同的生物系统可能促进这一过程的不同阶段。因此，结合具有互补功能的生物可能提高整体腐殖化效率。Protaetia brevitarsis幼虫（PBL）作为另一种食腐昆虫，拥有与氧化代谢和难降解化合物转化相关的独特微生物群落和酶系统，可能有助于促进BSFL难以有效实现的后续腐殖化阶段（Du等人，2022年；Li等人，2019年；Wang等人，2022年）。
尽管有这些发现，但不同昆虫物种如何调节腐殖化途径的机制仍需深入研究。特别是，连续昆虫处理是否能够促进从水解降解向氧化稳定的转变，从而同时提高降解效率和腐殖化效果，目前尚不明确（D. Wang等人，2024年）。解决这一问题是优化基于昆虫的粪便管理策略的关键，以实现废物减少与碳稳定和农艺价值的平衡。
为此，本研究采用BSFL和PBL两阶段昆虫辅助生物转化系统，重点研究腐殖酸的形成。我们假设这两种昆虫具有不同的但互补的功能潜力，有助于促进从水解主导的过程向增强氧化和次级代谢途径的转变。本研究旨在：（i）评估生物转化过程中的物理化学变化；（ii）利用光谱方法表征腐殖酸组成；（iii）通过整合微生物群落结构和代谢物谱型阐明腐殖化机制。通过识别昆虫特异性和阶段依赖性的腐殖化途径，本研究旨在为优化基于昆虫的系统提供理论基础，以生产稳定且功能增强的有机肥料。
材料与化学品
黑水虻（BSFL）和Protaetia brevitarsis幼虫（PBL）在中国南京的江苏省农业科学院饲养。鸡粪（CM）采集自江苏省南京市溧水县的商业养殖场。使用前手动去除了可见杂质。本研究使用所有材料的基本物理化学性质在补充信息中进行了总结。
BSFL生物转化的实验设计
连续昆虫辅助
昆虫辅助堆肥过程中的物理化学性质变化
在连续的BSFL–PBL处理过程中，鸡粪（CM）的物理化学性质发生了显著变化（图1）。BSFL处理后电导率（EC）显著降低，PBL处理后进一步降低（单因素方差分析，Tukey’s HSD，
P?1（图1a）。为了进行描述性比较，相对于CM，EC的降低幅度在40.63%到70.75%之间
结论
两阶段昆虫辅助生物转化系统（BSFL-PBL）有效地将鸡粪转化为更成熟、更适合农用的产品。BSFL处理显著降低了电导率（EC）并提高了pH值，表明其具有快速解毒和强氨化作用，而有机质（OM）和总氮（TN）主要在这一阶段下降，总磷（TP）和总钾（TK）基本保持不变。在校正了干重减少和有机碳损失后，质量平衡结果显示总腐殖质和腐殖酸（HA）含量净增加
未引用参考文献
Wang等人（2024b）。
CRediT作者贡献声明
王聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，软件使用，资源获取，方法学设计，资金筹集，数据分析，概念构建。叶晓梅：撰写 – 审稿与编辑，结果验证，项目监督，资金筹集，概念构建。杜静：结果验证，项目管理，数据分析，概念构建。张如菊：方法学设计，资金筹集。马秋琴：方法学设计，实验研究，数据分析。孔向平：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFD17020034）和江苏省自然科学基金青年项目（编号：BK20251173）的支持
