高温好氧堆肥是禽畜类粪便以及各种秸秆等农业固体废弃物的资源化处理方式之一,堆肥过程中微生物利用粪便作为氮源进行氮(N)素代谢,利用秸秆等木质纤维素类物质作为碳源参与碳(C)素代谢。本实验分A、B两组设计牛粪与稻草秸秆的堆垛式高温好氧堆肥,两组处理堆肥初始条件均相同,A组进行自然堆肥,B组添加外源菌剂DN-1进行菌剂堆肥。采用PCR-DGGE技术以部分功能基因(碳代谢循环:β-葡萄糖苷水解酶基因的配糖水解酶1家族GH1、配糖水解酶3细菌家族GH3B、配糖水解酶3真菌家族GH3E;氮代谢循环:氨单加氧酶基因amo A、氧化亚氮还原酶基因nos Z)为分子标记基因,设计参与碳、氮代谢功能性标记基因的通用简并引物来研究堆肥过程中碳、氮代谢功能性微生物群落结构的动态变化。同时测定堆肥过程中温度、全碳、全氮、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)、纤维素降解率、羧甲基纤维素酶(CMC)活性以及β-葡萄糖苷水解酶酶活性的变化,来研究堆肥进程中菌剂及酶活等理化指标与微生物群落结构动态变化的相关性。研究结果如下:1 A组处理0~3d为堆肥的升温期,3~18d为堆肥的高温期,最高温度在堆肥第10d达到59℃,18~28d为堆肥的降温期,28d之后进入堆肥腐熟期。B组处理0~2d为堆肥的升温期,2~22d为堆肥的高温期,最高温度在堆肥第5d达到70℃,22~28d为堆肥的降温期,28d之后为堆肥的腐熟期。A组处理在堆肥第31d全C含量为346.5g/kg,全N含量为18.5g/kg,C/N为19.5,NH4+-N含量为0.28g/kg,NO3--N含量为1.35g/kg,NH4+-N/NO3--N为0.34,纤维素降解率为31.27%。B组处理在堆肥第31d全C含量为360.8g/kg,全N含量为19.4g/kg,C/N为18.5,NH4+-N含量为0.19g/kg,NO3--N含量为1.43g/kg,NH4+-N/NO3--N为0.13,纤维素降解率为62.57%。添加外源菌剂能促进堆体温度升高,提高纤维素的降解速率,促进堆肥更快达到腐熟。2 A、B两种处理CMC酶活性的峰值分别在堆肥第26d和第12d,为12.44U/L和14.81U/L,在堆肥结束时CMC酶活性降到最低,为6.43U/L和6.71U/L。A、B两组β-葡萄糖苷水解酶酶活性分别在堆肥的第20d和12d达到最高,为0.64U/L和0.66U/L,在堆肥的第8d两种处理β-葡萄糖苷水解酶的活性降到最低分别为0.45U/L及0.48U/L。分析β-葡萄糖苷水解酶功能性基因的PCR-DGGE结果,A组含β-葡萄糖苷水解酶功能性基因的微生物多样性高于B组。GH3真菌家族微生物多样性高于GH1家族和GH3细菌家族。堆肥的升温期和高温前期(0~8d)GH1、GH3细菌家族在降解纤维素过程中发挥主要作用,优势菌种是枯草芽孢杆菌属(Bacillus subtilis)、链霉菌属(Streptomyces)、纤维弧菌属(cellvibrio gilvus)。堆肥的中后期,β-葡萄糖苷水解酶活性增强,GH3真菌家族成为主要的功能性群落组成,优势菌种是木霉属(Trichoderma)和黑曲霉属(Aspergillus)。从聚类分析来看,GH1家族B5、B6泳道的相似性达72%,说明B组堆肥高温后期和降温期GH1家族微生物群落结构较为相似。GH3细菌家族泳道A2、A4的相似率为68%,表明A组堆肥高温前期GH3细菌家族微生物群落结构相似性较高。GH3家族菌剂堆肥高温后期泳带B5、B6相似性较高为67%,表明B组堆肥降温期GH3真菌家族微生物群落结构相似性较高。3在本实验堆肥过程中,反硝化细菌微生物的多样性高于硝化细菌,A组微生物多样性高于B组。从聚类分析来看,反硝化细菌B4、B6泳道的相似达到71%,表明反硝化细菌在B组的高温后期和降温期群落组成最为相似。大部分堆肥样品集中在第一主成份的正端,表明A组在堆肥各时期反硝化细菌微生物群落结构较为相似。该堆肥实验中反硝化细菌的优势菌属为假单孢杆菌属(Pseudomonas)。硝化细菌DGGE图谱A6和B1泳道的相似性达到70%,表明硝化细菌在A组的后期和B组的前期群落结构较为相似。硝化细菌在该堆肥中的优势菌属为根瘤菌属(Sinorhizobium fredii)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira multiformis)。