灰略红链霉菌JSD-1对猪粪和秸秆混合堆肥效果的影响及其微生态效应研究

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畜禽粪便和秸秆等农业废弃物不仅是污染源,同时又是农业生态系统中的宝贵资源,其综合利用对于农业可持续发展意义重大。好氧堆肥能利用微生物的生化转化过程使有机固体废弃物资源化、减量化和稳定化。但堆肥过程中往往存在高温期较短不足以使有机质充分转化和有害物质有效去除等问题。为了提高堆肥效果,本研究以前期筛选到的一株灰略红链霉菌(Streptomyces griseorubens)JSD-1为研究对象,解析该菌株对猪粪和秸秆混合堆肥过程的强化作用及机制,考查菌株对堆肥中毒害物质的消减作用及其堆肥产物对土壤的改良机制,研究成果可为JSD-1菌株在强化堆肥中的应用提供科学依据。主要研究结果如下:(1)在接种JSD-1菌剂的堆肥中,堆体的最高温度可达66.8°C,而未接种菌剂的对照组堆体最高温为62.5°C。接种菌剂的堆肥中,50°C以上的高温期长达46 d,是对照组堆肥的2倍。对照组中堆体温度在55°C以上的天数只有12 d,而接种菌剂的堆体中长达30 d。与对照组堆肥相比,接种JSD-1菌剂显著提高了堆肥中氮磷钾和有机质的含量。此外,在接种菌剂的堆肥中,电导率显著提高而p H值显著降低。对照组和接菌组堆肥产物中,腐熟度和发芽指数均无显著差异。至82 d对照组和接菌组堆肥产物均已腐熟完成。(2)接种JSD-1菌剂使猪粪-秸秆混合堆肥中细菌群落的多样性显著降低。随着堆肥的进行,对照组和接菌组堆肥中的细菌物种组成差异不断增加。在接种JSD-1菌剂的堆肥中,最显著的5个生物标志物分类单元为Marinilabiaceae属、Bacteroidia纲(拟杆菌纲)、Bacteroidales目(拟杆菌目)、Ruminofilibacter属和Bacteroides门(拟杆菌门),均为拟杆菌门的成员。而在对照组堆肥中,最显著的5个生物标志物分类单元为Bacillales目(芽孢杆菌目)、Paenibacillaceae科、Peptostreptococcaceae科(消化链球菌科)、Peptoclostridium属(艰难梭菌属)和Thermobacillus属,均为Firmicutes门(厚壁菌门)的成员。接种JSD-1菌剂可使堆肥产物中碳水化合物代谢和膜转运序列的相对丰度显著提高。互作网络分析的结果表明,对照组和接菌组堆肥中的发挥关键作用的节点物种各不相同。温度是影响堆肥中细菌群落组成的首要因素,而其氮磷钾含量与堆体温度呈正相关关系。(3)对堆肥腐熟期样本和堆肥产物进行宏基因组学测序,结果表明接种JSD-1菌剂能显著降低大肠杆菌九种毒力因子、金黄色葡萄球菌七种毒力因子、志贺氏菌属三种毒力因子和沙门氏菌属一种毒力因子相关基因的丰度,但同时也显著提高了大肠杆菌三种毒力因子、金黄色葡萄球菌一种毒力因子和沙门氏菌属两种毒力因子相关基因的丰度。此外,对抗生素抗性基因(antibiotics resistance gene,ARGs)丰度的分析结果表明,接种JSD-1菌剂能有效降低堆肥中四种β-内酰胺酶类ARGs、一种氨基糖苷类ARGs和五种多肽类ARGs丰度,但显著提高了一种大环内酯类ARGs丰度。(4)堆肥产物还田试验的结果表明,对照组与接菌组堆肥产物还田均能显著提高设施栽培滨海盐碱土壤中速效磷和全氮的含量,并增强土壤脲酶和蔗糖酶活性,但对铵态氮含量无显著影响。与未施肥处理相比,加JSD-1菌剂堆肥处理产物能显著降低碱性土壤的p H值并显著提高了土壤电导率和硝态氮含量,但并未造成土壤盐渍化,更适用于滨海盐碱土的改良。此外,与施用对照组堆肥产物的处理相比,JSD-1菌剂堆肥产物还田显著增加了生菜的株高、鲜重和干重,与未施肥处理相比,施用JSD-1堆肥产物还能够显著提高生菜中可溶性蛋白和维生素C的含量。(5)对照组和接菌组堆肥产物还田后,并未显著影响土壤细菌群落的多样性,但显著改变了土壤中的细菌群落组成。与未施肥的土壤相比,两种堆肥产物还田后,相对丰度显著增加的OTU均集中在Proteobacteria(变形菌门)、Actinomycetes(放线菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)和Bacteroides(拟杆菌门)。施用JSD-1菌剂堆肥产物和对照组堆肥产物处理的土壤中最显著的生物标志物种分别为Actinomadura属(马杜拉放线菌属)和SBR1031目。此外,JSD-1菌剂堆肥产物还田能够显著降低土壤中与弓形体病感染和志贺氏菌感染相关代谢通路的基因丰度。
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