探秘古老肥料 Kunapajala：解锁微生物组与代谢组潜能，助力可持续农业发展

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Deciphering the microbiome potential and metabolic profiling of animal waste co-composting reveals the co-occurrence network of non-microbial and microbial biostimulants to strengthen conservative practices in sustainable agriculture

当前农业面临诸多挑战，如土地退化、化肥污染等。研究人员针对传统液体肥料 Kunapajala（KPJ）展开研究，分析其微生物组和代谢组。结果发现 KPJ 含多种植物营养成分及促生菌，能促进植物生长。该研究为可持续农业提供新思路。

　　

研究背景

在全球范围内，农业与粮食和营养安全紧密相连，是解决世界饥饿和营养不良问题的关键。然而，当下全球农业却陷入了困境。一方面，为追求快速的粮食生产，土地利用不合理，过度使用合成化肥，不仅导致土地退化，还造成了严重的环境污染。另一方面，农业废弃物大量产生，如合成农药残留等，这些废弃物的不当处理，进一步破坏了生态平衡，影响了自然养分循环和生态系统服务。在这样的背景下，可持续农业应运而生，它旨在保护环境的同时，提高作物产量和质量。而农业废弃物的安全回收利用，成为了可持续农业发展的重要一环。

印度作为农业大国，拥有丰富的传统农业知识。Kunapajala（KPJ）就是一种古老的微生物技术，它能将动物废弃物转化为植物生物刺激剂。此前研究虽已发现 KPJ 含有促进植物生长的细菌，在多种作物上也有应用效果，但对于其微生物组和代谢组的详细特征，以及在可持续农业中的潜在价值，仍缺乏深入研究。为了填补这一空白，来自印度多个研究机构的研究人员开展了此项研究，旨在揭示 KPJ 的微生物组 - 代谢物潜力，为可持续农业提供新的策略和方法。该研究成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上。

研究方法

研究人员分别以鱼废弃物（FKPJ）和牲畜废弃物（LKPJ）为原料制备 KPJ。在制备过程中，从消化容器中每隔 15 天收集一次样本，直至孵化第 90 天。通过多种技术对样本进行分析：运用标准实验室方法测定 pH、电导率（EC）等理化性质；采用高通量测序技术对样本进行全基因组宏基因组（WGMG）测序，分析微生物群落结构和功能；利用液相色谱 - 四极杆飞行时间质谱（LC-QTOF-MS）技术筛选代谢物；开展红苋菜盆栽实验，验证 KPJ 对植物生长的促进作用。

研究结果

1. FKPJ 和 LKPJ 的生态位特性随孵化期变化：在孵化过程中，FKPJ 和 LKPJ 的 pH 逐渐从酸性变为近中性，EC 先升高后降低，有机碳含量变化则因废弃物成分不同而有所差异。植物可利用的大量营养素（如NH4??N、P2?O5??P和K2?O?K）含量随孵化期呈现动态变化，且不同营养素的变化趋势各异。此外，植物激素（如吲哚和赤霉素 GA）、酚类和黄酮类等功能化合物的浓度也在不断变化。通过发芽指数（GI）测定发现，KPJ 对水稻种子无毒性，且在多个时间点能促进种子萌发和幼苗生长。
2. 分解期对 FKPJ 和 LKPJ 微生物结构和组成的影响：通过 WGMG Nanopore 测序分析，发现微生物多样性在分解过程中总体呈增加趋势，且在 30 天样本中，LKPJ 的 α - 多样性最高。β - 多样性分析表明，不同样本的微生物群落存在差异。在微生物群落组成方面，细菌是 KPJ 中的优势菌群，在门水平上，Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria 等 5 个主要门普遍存在，且相对丰度随分解期变化；在属水平上，不同孵化期的优势属也有所不同。同时，研究还发现 KPJ 中存在大量植物生长促进根际细菌（PGPR），在 30 天样本中相对丰度最高。此外，研究人员还鉴定出了与有机物质分解、养分循环、植物保护等生态功能相关的微生物类群，同时也对 KPJ 中潜在病原体和抗生素抗性基因（ARG）进行了分析，发现 30 - 60 天产品中的病原体负荷较低。
3. 微生物共现网络分析：构建微生物共现网络发现，FKPJ 和 LKPJ 的网络结构存在差异，且确定了各自的关键属。相关性分析表明，EC、有机碳和 pH 等理化性质对微生物群落结构和多样性有重要影响，进而调节微生物的植物有益功能。
4. 功能注释和代谢途径分析：利用 KEGG 通路数据库预测 KPJ 微生物群落的代谢功能，发现主要功能与代谢相关，其中氨基酸和碳水化合物代谢占比较大，且 FKPJ 和 LKPJ 的代谢活动模式相似。
5. LC-QTOF-MS 代谢物谱分析揭示 KPJ 在可持续农业中的作用：通过 LC-QTOF-MS 代谢组学分析，在 FKPJ 和 LKPJ 中分别鉴定出 117 和 109 种独特代谢物，主要属于脂质和类脂分子、有机杂环化合物等超类，还发现了具有抗菌、杀虫和除草特性的分子。
6. 盆栽实验验证 FKPJ 和 LKPJ 的植物生物刺激剂潜力：在红苋菜盆栽实验中，添加 FKPJ 和 LKPJ 的处理组在植物生长和产量相关指标上表现良好，部分指标甚至优于 50% 推荐施氮量（RDN）的处理组，表明 KPJ 在一定程度上可替代合成肥料。

研究结论与讨论

本研究首次全面分析了 KPJ 的微生物组和代谢组，为优化农业生态系统中的微生物群落提供了新策略。研究表明，KPJ 能将动物废弃物转化为植物营养物质、植物激素和其他生物活性化合物，符合循环生物经济模式，有助于提高资源回收率和成本效益。同时，KPJ 中的微生物群落与土壤微生物群落相似，可能作为微生物组工程的重塑剂，促进植物生长和养分循环。此外，KPJ 在病原体和 ARG 传播方面风险较低，且含有与人类肠道微生物组相关的关键驱动因素，有望通过改善土壤生物学，促进人类健康。然而，要进一步推广基于有机改良剂的自然微生物组维护，还需要更严格的评估。本研究为可持续农业发展提供了重要理论依据和实践指导，为传统农业知识在现代可持续农业中的应用开辟了新道路。