Exogenous Bacillus drives organic matter transformation in wheat straw solid-state fermentation: Roles of DOM dynamics and microbial networks

Resumo

A fermentação em estado sólido (FES) da palha de trigo é uma abordagem sustentável para valorizar a biomassa lignocelulósica, mas os mecanismos ecológicos moleculares da transformação da matéria orgânica (MO) mediada por Bacillus exógenos permanecem pouco claros. Este estudo investigou a dinâmica de indicadores físico-químicos e biológicos, dos componentes fluorescentes da matéria orgânica dissolvida (MOD) e das comunidades microbianas durante a FES da palha de trigo inoculada com três estirpes puras de Bacillus (B. subtilis, B. velezensis, B. stercoris) e com seu agente composto (MB), utilizando EEM-PARAFAC, sequenciamento de alto rendimento, análise de redes de correlação e modelagem de equações estruturais (MEE). Os resultados mostraram que a inoculação com Bacillus promoveu a conversão da MOD lábil de baixo peso molecular em MOD recalcitrante de alto peso molecular, semelhante a substâncias húmicas, aumentando o grau de humificação. Essas mudanças contribuíram para a melhoria do índice de germinação (IG). Entre as estirpes testadas, B. velezensis apresentou o melhor desempenho geral, com 26,3% de degradação da MO, 49,96% do componente C5 semelhante ao ácido húmico e IG de 133%. Em comparação com os tratamentos de estirpe única, o MB aumentou simultaneamente a complexidade das redes de coocorrência bacterianas e fúngicas. A MEE confirmou que a diversidade microbiana conduziu diretamente a transformação direcional da MOD, modulando indicadores biológicos e fatores ambientais. Este estudo revela o mecanismo regulatório diferencial de Bacillus exógenos sobre as comunidades microbianas e a transformação da MOD, fornecendo base teórica e técnica para o desenvolvimento de agentes microbianos de alta eficiência para a valorização da biomassa lignocelulósica.

Abstract

Solid-state fermentation (SSF) of wheat straw is a sustainable approach to valorize lignocellulosic biomass, yet the molecular ecological mechanisms of organic matter (OM) transformation mediated by exogenous Bacillus remain unclear. This study investigated the dynamics of physicochemical/biological indicators, dissolved organic matter (DOM) fluorescent components and microbial communities during wheat straw SSF inoculated with three pure Bacillus strains (B. subtilis, B. velezensis, B. stercoris) and their composite agent (MB), using EEM-PARAFAC, high-throughput sequencing, correlation network analysis and structural equation modeling (SEM). The results showed that the inoculation of Bacillus promoted the conversion of labile low-molecular-weight (LMW) DOM to recalcitrant high-molecular-weight (HMW) humic-like DOM, thereby increasing the degree of humification. These changes contributed to the improvement of the germination index (GI). Among the tested Bacillus strains, B. velezensis exhibited the best comprehensive performance, achieving 26.3% OM degradation, 49.96% humic acid-like component C5, and a GI of 133%. Compared with the single-strain treatments, MB simultaneously enhanced the complexity of both bacterial and fungal co-occurrence networks. SEM confirmed microbial diversity directly drove directional DOM transformation by modulating biological indicators and environmental factors. This study uncovers the differential regulatory mechanism of exogenous Bacillus on microbial communities and DOM transformation, providing a theoretical and technical basis for designing high-efficiency microbial agents for lignocellulosic biomass valorization.