绿色大豆皮和玉米秸秆堆肥过程中的物质转化、微生物群落组成和代谢功能演替

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随着蔬菜种植业的发展,蔬菜的种植面积在农业生产中所占比重也越来越大,蔬菜废弃物的产生量也在逐年增加。目前蔬菜废弃物已经成为我国仅次于水稻、玉米、小麦秸秆的第四大农业废弃物。然而一直以来,由于蔬菜废弃物的水分含量高,碳氮比低,使得其处理难度大,造成了严重的资源浪费和环境污染。堆肥是一种环保、可持续且为社会所接受的废弃物处理技术,堆肥过程中的微生物能够有效地将有机废弃物转化为稳定且相对无毒的复杂大分子物质。然而目前对于蔬菜废弃物堆肥过程中物质转化、微生物种群和代谢功能演替之间的关系尚不清楚。本研究以绿色大豆皮为原材料,以玉米秸秆为膨胀剂,根据堆肥含水量60%和C/N比25-30:1两个原则,确定绿色大豆皮和玉米秸秆的比例为3:1。实验设置了3个2m×1.5 m×1 m(长×宽×高)的堆体,进行为期55天的堆肥。整个堆肥实验采用自然通风和人工翻抛的方式进行曝气,每两天翻抛一次。每天两次测定堆体内部和周围环境温度,根据温度变化情况选取第0、2、4、8、14、22、28、34、40和55天的堆肥样品,测定堆肥过程中的物质变化和微生物变化。主要结果如下:(1)好氧堆肥可以有效地将绿色大豆皮废弃物转化为有机肥。堆肥期间,堆体温度快速上升至60℃以上的高温期并维持了16天,随后逐渐降温至接近环境温度,达到稳定状态;样品的pH、电导率(EC)在堆肥结束时分别稳定在8.20-8.30和2.0-2.2mS·cm-1之间;堆肥过程使得原材料C/N比由32.23降至19.19,HA/FA比则从初始的0.26增加到1.99;种子发芽指数(GI)也由0天的28.46%上升至堆肥结束时的104.08%。(2)堆肥显著影响微生物群落组成。α-多样性结果表明,细菌的操作分类单元(OTU)数目、Chao1指数和Shannon指数随堆肥进程不断升高,并在堆肥结束时达到峰值;真菌OTU数目、Chao1指数和Shannon指数则呈现先增加后降低的规律。β-多样性结果表明,堆肥不同阶段的细菌和真菌的群落组成都发生了显著的变化,并且呈现出不同的时间演替规律。优势菌门分析表明,变形菌门(Proteobacteria,39.20%)、厚壁菌门(Firmicutes,28.55%)、拟杆菌门(Bacteroidetes,12.93%)、放线菌门(Actinobacteria,9.91%)是优势的细菌门,子囊菌门(Ascomycota,61.56%)和担子菌门(Basidiomycota,8.33%)为优势的真菌门。随机森林结果表明,细菌的链球菌科(Streptosporangiaceae)是堆肥高温期的标志微生物,特吕珀菌科(Trueperaceae)和Pirellulaceae是降温期和成熟期的标志微生物。真菌的嗜热毛壳菌科(Chaetomiaceae)是堆肥高温期和降温期的标志微生物。(3)堆肥显著影响微生物群落的代谢功能。细菌Tax4Fun分析表明,大多数预测蛋白序列被分为代谢、环境信息处理、遗传信息处理、细胞过程和有机系统五大类。其中碳水化合物代谢和氨基酸代谢是两条最主要的代谢通路。细菌FAPROTAX预测结果表明,随着堆肥进程,绿色大豆皮废弃物中含有的四种与病原体相关的功能,植物病原体(plant pathogen)、人类病原体(human pathogens all)、人类肠道(human gut)和动物寄生虫或共生体(animal parasites or symbionts)的丰度逐渐下降到0.3%以下。真菌FUNGuild功能预测结果表明,OTU1、OTU5、OTU8和OTU11被注释为动植物病原菌,在堆肥结束时丰度低于0.01%。OTU2、OTU6属于嗜热真菌属(Thermomyces),OTU32、OTU22、OTU26和OTU18为曲霉属(Aspergillus),相对丰度在高温期占主导地位,具有木质纤维素降解的功能。(4)堆肥过程中理化特性与微生物群落紧密相关。典型对应分析(CCA)表明,GI解释了18.4%的细菌组成变化,然后依次是温度(12.5%)、总氮(TN,5.3%)、富里酸(FA,4.3%)和pH(4%),五种理化特性显著影响了细菌的群落组成(p<0.05);对真菌群落来说,显著影响真菌群落组成的理化特性分别是HA/FA比(15.7%)、GI(10.6%)、pH(6.2%)和有机碳(TOC,4.4%)(p<0.05)。共存网络分析表明,细菌网络中的OTU与GI、pH和HA/FA比存在相关关系,真菌网络中的OTU与温度、pH、TOC、GI、FA、HA、FA/HA比、TN、总钾(TK)和C/N比存在相关关系。综上所述,伴随着理化特性、微生物多样性和群落结构的显著变化,好氧堆肥可以有效地将绿色大豆皮废弃物转化为有机肥料。堆肥过程中微生物群落结构的变化,特别是真菌的变化,与理化特性的变化密切相关。微生物可以代谢纤维素,木质素等物质,并使有害微生物失活。这些发现拓宽了我们对堆肥过程中物质转化与群落演替耦合的认识,也为蔬菜废弃物资源化利用提供了理论基础。
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