Inorganic and organic additives differently regulate compost microbiomes in response to heavy metals immobilization

Resumo

Diversos aditivos de compostagem, orgânicos e inorgânicos, têm sido utilizados para reduzir de forma eficaz a biodisponibilidade de metais pesados (MPs) no composto. Contudo, ainda falta uma avaliação abrangente de suas contribuições comparativas e dos mecanismos envolvidos. Neste estudo, selecionamos o pó de concha e o biochar como condicionadores representativos para avaliar sua eficácia na imobilização de diversos MPs. Nossos resultados demonstraram que a adição de pó de concha e de biochar aumentou acentuadamente a síntese de ácidos húmicos (AH), reduziu a biodisponibilidade dos MPs e estimulou indiretamente as vias de metabolismo do carbono e de crescimento microbiano. Esse estímulo, por sua vez, enriqueceu a abundância de contribuintes-chave para a síntese de AH, incluindo Enterobacter, Thermobispora, Pseudomonas e Sphingobacterium, criando um ciclo de retroalimentação positiva. Além disso, a adição de biochar alterou a abundância de Pseudomonas, Chelatococcus e Pseudoxanthomonas durante a fase mesofílica, reduzindo a expressão de genes de resistência a MPs (HMRGs). Em contraste, a suplementação com pó de concha modulou a redução dos HMRGs ao regular a abundância de Sphingobacterium, Pseudomonas e Thermobispora durante a fase termofílica. Por fim, ensaios regionais de cultivo confirmaram o potencial desses fertilizantes orgânicos inovadores para reduzir significativamente a transferência de MPs às plantas. Em conjunto, esses resultados evidenciaram as semelhanças e diferenças entre aditivos orgânicos e inorgânicos na modulação das respostas da comunidade microbiana durante a imobilização de MPs, fornecendo uma base teórica para reduzir os riscos associados à disseminação de MPs e melhorar a qualidade dos fertilizantes orgânicos.

Abstract

Various composting additives, both organic and inorganic, have been used to effectively reduce the bioavailability of heavy metals (HMs) in compost. However, a comprehensive assessment of their comparative contributions and the mechanisms involved is still lacking. In this study, we selected shell powder and biochar as representative amendments to assess their efficacy in immobilizing various HMs. Our results demonstrated that the addition of shell powder and biochar markedly enhanced the synthesis of humic acids (HA), reduced the bioavailability of HMs, and indirectly enhanced microbial carbon metabolism and growth pathways. This enhancement subsequently enriched the abundance of key HA synthesis contributors, including Enterobacter, Thermobispora, Pseudomonas, and Sphingobacterium, creating a positive feedback loop. Additionally, adding biochar altered the abundance of Pseudomonas, Chelatococcus, and Pseudoxanthomonas during the mesophilic phase, thereby reducing the expression of HMs resistance genes (HMRGs). In contrast, shell powder supplementation modulated the response to HMRGs reduction by regulating the abundance of Sphingobacterium, Pseudomonas, and Thermobispora during the thermophilic phase. Ultimately, regional cultivation trials confirmed the potential of these innovative organic fertilizers to significantly reduce the spread of HMs to plants. Collectively, these findings highlighted the similarities and differences between organic and inorganic additives to modulate microbial community responses during HMs immobilization, providing a theoretical framework for diminishing the risks associated with HMs dissemination and improving the quality of organic fertilizers.