小麥秸桿好氧堆肥過程中微生物多樣性與優(yōu)勢(shì)菌群分析

張 秧，艾為黨，馮海艷，靳向丹，陳艷武，張良長(zhǎng)

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；3.深圳市綠航星際太空科技研究院，深圳 518117）

0 引 言

受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）是在有限密閉空間內(nèi)構(gòu)建的“人-植物-微生物-環(huán)境”自循環(huán)式閉路生態(tài)系統(tǒng)，被認(rèn)為是未來長(zhǎng)期地外生存等載人航天任務(wù)必備的生保系統(tǒng)形式。其中，植物可為航天員提供新鮮食物并制造氧氣，是關(guān)鍵生物部件，如小麥被認(rèn)為是系統(tǒng)的主要糧食提供者[1-2]。然而，這些植物提供食物的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的固體廢物（如小麥秸稈等），這部分固廢必須進(jìn)行資源化處理回用[3-4]。

好氧堆肥技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、耗能低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來受控生態(tài)生保系統(tǒng)固廢資源化處理的優(yōu)選技術(shù)之一[5]。該技術(shù)是通過多種微生物的協(xié)同作用來完成生物質(zhì)物料的降解，但不同堆肥發(fā)酵階段中微生物的群落結(jié)構(gòu)不同。Langarica等[6]研究了廚余垃圾和園林廢棄物堆肥中真菌的群落特征。其中，子囊菌門（Ascomycota）、擔(dān)子菌門（Basidiomycota）和毛霉亞門（Mucoromycotina）的相關(guān)菌群在堆肥過程中占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位。Meng等[7]研究了豬糞稻殼堆肥過程中細(xì)菌和真菌的群落組成，發(fā)現(xiàn)在堆肥初期，莫拉氏菌科（Moraxellaceae）、黃桿菌科（Flavobacteriaceae）、雙足囊菌科（Dipodascaceae）和酵母菌科（Saccharomycetaceae）為優(yōu)勢(shì)菌群；到了堆肥末期，厭氧繩菌科（Anaerolineaceae）、毛殼菌科（Chaetomiaceae）和梭菌科（Clostridiaceae）占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。Li等[8]對(duì)松葉豬糞堆肥過程中的真菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異擔(dān)子菌屬（Heterobasidion）、毛霉屬（Mucor）和籃狀菌屬（Talaromyces）等菌群的相對(duì)豐度較高，并且其豐度變化和堆肥的溫度、pH值、CO2和CH4排放及種子萌發(fā)指數(shù)（GI）有關(guān)。張文浩等[9]分析了牛糞稻秸靜態(tài)堆肥過程的真菌群落動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)升溫期節(jié)擔(dān)菌屬和毛孢子屬占優(yōu)勢(shì)，高溫期時(shí)嗜熱鏈球菌屬成為優(yōu)勢(shì)菌群，鬼傘屬和未分類的子囊菌門在腐熟期時(shí)相對(duì)豐度較大。鄧輝等[10]研究了豬糞木屑堆肥過程中放線菌的多樣性變化，發(fā)現(xiàn)堆肥初期以棒狀桿菌為主，高溫期演變?yōu)樘菃捂呔鷮佟讨尉鷮俸褪葻崃焰呔鷮伲禍仄跁r(shí)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的菌群為糖單孢菌屬、短桿菌屬和桿菌屬，充分說明微生物菌群在堆肥過程中起到了重要作用。然而，目前專門針對(duì)小麥秸稈好氧堆肥過程中的微生物多樣性研究較少，對(duì)麥秸起到降解作用的功能菌群了解不深。因此，小麥作為未來受控生態(tài)生保系統(tǒng)中主要糧食作物，開展對(duì)小麥秸稈的好氧堆肥處理技術(shù)研究，分析其小麥秸稈堆肥過程中的微生物多樣性變化和群落演替規(guī)律，對(duì)于明確降解小麥秸稈的功能菌群、闡明物料降解機(jī)理、提高堆肥效率至關(guān)重要。

本研究采用強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥裝置對(duì)小麥秸稈進(jìn)行好氧堆肥處理，通過接種不同商業(yè)菌劑獲取更全面的功能菌群，對(duì)不同發(fā)酵階段的微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行高通量測(cè)序分析，為篩選研制高效降解小麥秸稈的專用微生物菌劑提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 物料好氧堆肥方法

堆肥物料為小麥秸稈和廚余垃圾的混合物，其中小麥秸稈購(gòu)自江蘇某農(nóng)場(chǎng)，廚余垃圾取自某單位食堂。混合后的物料C/N比控制在30:1，水分含量控制在65%左右。微生物菌劑選用 3種適用于秸稈腐熟的商業(yè)菌劑，分別為QD菌劑（主要為乳酸菌、木霉菌和芽孢桿菌等）、DH菌劑（主要為芽孢桿菌、米根霉、酵母菌和戊糖片球菌等）和VT菌劑（主要為酵母菌、乳酸菌和芽孢桿菌等），菌劑接種量按物料總質(zhì)量的0.5%添加。

堆肥裝置如圖1所示，主要由帶蓋塑料桶（桶有效容積為19 L，桶外壁包裹有兩層保溫棉，桶頂部放置有溫度計(jì)，桶底部設(shè)置有物料托盤）、溫度控制系統(tǒng)和通氣系統(tǒng)3部分組成。試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理組，分別為QD組、DH組和VT組，每組均設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，每個(gè)堆肥桶內(nèi)均含物料3.50 kg，通風(fēng)量設(shè)置為1.0 L/min，試驗(yàn)周期設(shè)定為30 d。

1.2 堆肥過程測(cè)試參數(shù)

堆肥過程主要對(duì)堆體溫度、有機(jī)質(zhì)含量、總碳、總氮等進(jìn)行測(cè)試。溫度采用溫度計(jì)測(cè)定。將溫度計(jì)插入物料中間及周圍3點(diǎn)20 cm處測(cè)定溫度，取4點(diǎn)溫度的平均值作為最終結(jié)果，溫度每隔24 h測(cè)定1次。有機(jī)質(zhì)含量、總碳、總氮分別采用灼燒法和元素分析儀測(cè)定[11]。

1.3 微生物樣品采集及多樣性分析測(cè)試

根據(jù)堆肥過程的溫度變化情況，選取堆肥過程 3個(gè)典型發(fā)酵階段的物料樣品，分別為第 2天（升溫期，樣品編號(hào) QD1、DH1、VT1）、第 6天（高溫期，樣品編號(hào)QD2、DH2、VT2）和第20天（降溫期，樣品編號(hào)QD3、DH3、VT3），采用16s rDNA高通量測(cè)序方法對(duì)堆肥樣品中的微生物多樣性進(jìn)行分析。

樣品測(cè)序使用的通用引物是 338F（ 5′-ACTCCTACGGGAGGCAGGAG-3′） 和 806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′），對(duì)樣品中細(xì)菌的16s rRNA的V3~V4區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增。另外，使用引物528F （ 5′-GCGGTAATTCCAGCTCCAA-3′） 和 706R（5′-AATCCRAGAATTTCACCTCT-3′）對(duì)樣品中真菌的18s rRNA的V3~V4區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增。得到PCR擴(kuò)增產(chǎn)物后，采用 Illumina MiSeq/NovaSeq平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行雙端測(cè)序。對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行過濾處理，得到優(yōu)化序列，進(jìn)行去嵌合體處理后將序列在 97%的相識(shí)水平上進(jìn)行 OTU聚類，利用 R語言分析樣品在不同分類水平上的群落組成及相對(duì)豐度。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種菌劑處理下堆體理化性質(zhì)變化

3種菌劑處理下堆體的理化性質(zhì)變化情況如表1所示。由表1可知，3種菌劑處理下的堆體最高溫度分別達(dá)到58.2、54.7和53.7℃，高溫持續(xù)時(shí)間分別達(dá)到9、6和6 d。堆溫反映了堆體中微生物的活性，微生物的活性越高其產(chǎn)熱量越大，表現(xiàn)為堆溫峰值越高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。3種菌劑處理下堆體的溫度峰值與高溫持續(xù)時(shí)間有所不同，表明不同菌劑處理下堆體中的微生物活性有所差別。3種菌劑處理下堆體的有機(jī)質(zhì)降解率有所不同，分別達(dá)到18.87%、24.48%和22.08%，表明不同菌劑處理下堆體中的微生物對(duì)物料的降解活性有所差異，但差異性不是很大。產(chǎn)物C/N比是判斷堆體腐熟的一個(gè)重要指標(biāo)，3種菌劑處理下堆體的C/N比均由初始的30:1降至12:1以下，達(dá)到堆體腐熟的標(biāo)準(zhǔn)[12]。堆體的理化性質(zhì)變化情況表明，3種菌劑對(duì)小麥秸稈均有一定的降解作用，堆體可達(dá)到腐熟要求，而堆體的變化與其中的微生物活動(dòng)密切相關(guān)。在不同的發(fā)酵階段，由于溫度的變化微生物群落發(fā)生交替演變，群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化。研究表明[13]，在好氧堆肥過程中堆肥前期主要以嗜溫微生物為主，高溫期則演變?yōu)槭葻嵛⑸铮笃跍囟认陆凳葴匚⑸镏匦抡紦?jù)主要地位。

表1 不同處理下堆肥理化性質(zhì)變化Table 1 Changes of physical and chemical properties of different treatments during composting

2.2 堆肥過程不同典型發(fā)酵階段微生物多樣性

2.2.1 Alpha多樣性和Beta多樣性

Alpha多樣性用于衡量樣品在局部均勻生境下的物種豐富度和多樣性。通常以 Chao1指數(shù)表征豐富度，以Shannon和Simpson指數(shù)表征多樣性[14]。9組樣品的Alpha多樣性分析結(jié)果如表2所示。

表2 堆肥過程典型發(fā)酵階段的Alhpa多樣性指數(shù)表Table 2 Alhpa diversity index of typical fermentation stages during composting

由表2可知，隨著堆肥過程的進(jìn)行3種菌劑處理下堆體中的物種豐富度和多樣性均呈現(xiàn)出高-低-高的變化趨勢(shì)，在堆肥初期 QD、DH、VT的 Chao1指數(shù)分別為600.61、578.83、1137.13，Simpson指數(shù)分別為 0.98、0.96、0.98，表明3組處理下堆體中的微生物種類和數(shù)量豐富。這是因?yàn)椋臃N菌劑后堆體中的微生物群落結(jié)構(gòu)豐富且多樣化，這有助于堆肥反應(yīng)的啟動(dòng)。進(jìn)入高溫期后，3組處理下堆體中的物種豐富度和多樣性急劇下降，Chao1指數(shù)和Simpson指數(shù)分別降至168.08、152.71、204.02和0.49、0.49、0.66，說明由于堆體溫度的升高，堆體內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，嗜溫微生物活性受到嚴(yán)重影響，嗜熱微生物逐漸取代嗜溫微生物并占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，從而導(dǎo)致堆體內(nèi)的物種豐富度和多樣性降低。在降溫期 3組處理的 Chao1指數(shù)和 Simpson指數(shù)分別為 565.81、330.69、490.11和0.96、0.94、0.95，說明隨著溫度下降堆體中嗜熱微生物的活性下降，嗜溫微生物的活性再次上升，堆體中的物種豐富度和多樣性均有所回升。

Beta多樣性是指在不同環(huán)境的不同群落之間，樣品間物種組成的差異性，通過主成分分析（Principal Co-ordinates Analysis，PCA）可以對(duì)Beta多樣性指數(shù)進(jìn)行解釋。3種菌劑處理下堆肥不同發(fā)酵階段的細(xì)菌和真菌Beta多樣性如圖2a和圖2b所示。由圖2a可知，QD1、DH1和VT1聚為一組，QD2、DH2和VT2聚為一組，QD3、DH3和VT3聚為一組。由圖2b可知，QD1、DH1和VT1之間的距離較近，而其余6個(gè)點(diǎn)位分布較分散，無明顯聚集現(xiàn)象。Beta多樣性分析結(jié)果表明，對(duì)于堆肥過程中的細(xì)菌，同一菌劑處理下不同發(fā)酵階段的細(xì)菌組成存在顯著差異，不同菌劑處理下同一發(fā)酵階段的細(xì)菌組成結(jié)構(gòu)類似，3種菌劑對(duì)小麥秸稈起到降解作用的細(xì)菌功能菌群有相似性，而在不同發(fā)酵階段的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在差異性。對(duì)于堆肥過程中的真菌，在堆肥初期 3種菌劑處理下的菌群結(jié)構(gòu)相似。隨著堆肥過程的進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，相互之間存在顯著差異，表明同一菌劑處理下堆體中的真菌群落在堆肥過程中發(fā)生了較大的交替演變，而不同菌劑處理下堆體中的真菌群落組成有所不同。

2.2.2 OTU聚類分析

對(duì)堆肥各典型發(fā)酵階段的微生物進(jìn)行OTU聚類，可以反映不同處理在相同發(fā)酵階段的物種數(shù)變化。細(xì)菌和真菌的OTU聚類結(jié)果如圖3a和圖3b所示。

由圖3可知，整個(gè)堆肥過程中細(xì)菌共有的OTUs為7個(gè)，真菌共有的OTUs為6個(gè)，表明在堆肥過程中有部分細(xì)菌和真菌自始至終一直存活。在升溫階段細(xì)菌的OTU數(shù)達(dá)到375個(gè)，真菌的OTU數(shù)達(dá)到128個(gè)。進(jìn)入高溫階段后細(xì)菌的OTU數(shù)增加至1 139個(gè)，而真菌的OTU數(shù)減少至76個(gè)。降溫階段時(shí)細(xì)菌的OTU數(shù)繼續(xù)增大至1 665個(gè)，真菌的OTU數(shù)減少至44個(gè)。微生物的OTU數(shù)變化表明，堆肥系統(tǒng)中的細(xì)菌種類不斷增多，且升溫-高溫期的增長(zhǎng)速率大于高溫-降溫期的增長(zhǎng)速率，這是因?yàn)樵诎l(fā)酵初期堆肥系統(tǒng)內(nèi)存在部分廚余垃圾，含有大量的糖類、蛋白質(zhì)等易被細(xì)菌利用的物質(zhì)，細(xì)菌的活性不斷增強(qiáng)，逐漸適應(yīng)環(huán)境并大量繁殖。堆肥系統(tǒng)中的真菌種類不斷減少，且升溫-高溫期的減少速率大于高溫-降溫期的減少速率，這是因?yàn)樵诎l(fā)酵初期部分真菌不適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境而逐漸被淘汰，進(jìn)入高溫期后真菌逐漸適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境并開始大量繁殖。

2.2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

1）細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化與優(yōu)勢(shì)菌群

3種菌劑處理下不同典型發(fā)酵階段在屬水平上的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，在升溫期QD、DH和VT中共有的優(yōu)勢(shì)菌群為片球菌屬（Pediococcus），相對(duì)豐度分別達(dá)到 73.07%、73.54%和59.43%。此外，QD和 DH處理中相對(duì)豐度較高的包括魏斯氏菌屬（Weissella）和乳酸菌屬（Lactobacillus）；VT處理中相對(duì)豐度較高的包括魏斯氏菌屬、乳酸菌屬和好氧芽孢桿菌屬（Aeribacillus）。進(jìn)入高溫期后細(xì)菌的OTU數(shù)大幅度上升，3組處理下堆體的細(xì)菌種類顯著提高。其中，QD處理下的優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)榧冱S色單胞菌屬（Pseudoxanthomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和尿素芽孢桿菌屬（Ureibacillus），相對(duì)豐度分別為27.03%、24.05%和 16.69%；DH處理下的優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)檠挎邨U菌屬和尿素芽孢桿菌屬，相對(duì)豐度分別達(dá)到 41.39%和20.57%；VT處理下的優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)楹醚跹挎邨U菌屬（Aeribacillus）和芽孢桿菌屬，相對(duì)豐度分別為34.03%和24.17%。降溫期時(shí)細(xì)菌的OTU數(shù)繼續(xù)增大，3組菌群的相對(duì)豐度分布較為均勻。QD中相對(duì)豐度較高的主要為綠屈撓菌科（Chloroflexaceae）、固氮螺菌屬（Azospirillum）和假黃色單胞菌屬；DH中相對(duì)豐度較高的主要為螯臺(tái)球菌屬（Chelatococcus）和根瘤菌屬（Chelativorans）；VT中相對(duì)豐度較高的主要為螯臺(tái)球菌屬和芽孢桿菌屬。

結(jié)合 3組處理在不同典型發(fā)酵階段的細(xì)菌群落變化情況，在升溫期3組處理共同的優(yōu)勢(shì)菌群包括片球菌屬、魏斯氏菌屬和乳酸菌屬。其中，片球菌屬在玉米秸稈青貯發(fā)酵過程中對(duì)木質(zhì)纖維素有一定的降解作用，能將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為單糖[15]。魏斯氏菌屬在各類發(fā)酵食品中起到了關(guān)鍵作用，可降解油脂與糖類物質(zhì)[16]，乳酸菌屬則常見于各種酸奶發(fā)酵工藝中。進(jìn)入高溫期后 3組處理共同的優(yōu)勢(shì)菌群包括假黃色單胞菌屬、芽孢桿菌屬和尿素芽孢桿菌屬。其中，芽孢桿菌屬是廣泛存在于糞便堆肥中的微生物，可以降解有機(jī)物，具有一定的木質(zhì)纖維素降解活性[17]。尿素芽孢桿菌屬可以有效地降解纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)物[18]。相關(guān)研究表明[19]，假黃色單胞菌屬對(duì)南方根結(jié)線蟲的防治效果可達(dá)到52.1%，該現(xiàn)象可為減少堆體中的病蟲害提供思路。在降溫期時(shí)共同的優(yōu)勢(shì)菌群包括芽孢桿菌屬、螯臺(tái)球菌屬和根瘤菌屬。其中，螯臺(tái)球菌屬具有降解青霉素的功能[20]。根瘤菌屬是一種好氧反硝化細(xì)菌，對(duì)于EDTA類物質(zhì)有一定的降解作用[21]。

2）真菌群落結(jié)構(gòu)變化與優(yōu)勢(shì)菌群

3種菌劑處理下不同典型發(fā)酵階段在屬水平上的真菌群落結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可知，升溫期時(shí)QD處理下的優(yōu)勢(shì)菌群主要分布在念球菌屬（Candida）和節(jié)擔(dān)菌屬（Wallemia），相對(duì)豐度分別為83.18%和12.13%；DH處理下的優(yōu)勢(shì)菌群主要為曲霉屬（Aspergillus）和節(jié)擔(dān)菌屬，相對(duì)豐度分別達(dá)到79.67%和8.84%；VT處理下的優(yōu)勢(shì)菌群為曲霉屬，相對(duì)豐度為94.20%。進(jìn)入高溫期后QD處理下的優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)榍箤伲鄬?duì)豐度達(dá)到90.67%，并出現(xiàn)了新的菌群橫梗霉屬（Lichtheimia）；DH處理下的優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)楦箤伲≧hizomucor）和嗜熱霉菌屬（Thermomyces），相對(duì)豐度分別為59.31%和33.54%；VT處理下幾乎都為嗜熱霉菌屬，相對(duì)豐度達(dá)到99.88%。在降溫期 QD處理下的優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)槭葻崦咕鷮俸褪葻徭溓蚓鷮伲∕ycothermus），相對(duì)豐度分別為 86.99%和12.72%；DH處理下嗜熱毀絲霉菌屬（Myceliophthora）和嗜熱霉菌屬占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，相對(duì)豐度分別達(dá)到84.84%和10.28%；VT處理下的優(yōu)勢(shì)菌群主要為嗜熱霉菌屬和嗜熱毀絲霉菌屬，相對(duì)豐度分別為67.69%和27.76%。

結(jié)合 3組處理在不同典型發(fā)酵階段的真菌群落變化情況，在升溫期 3組處理共同的優(yōu)勢(shì)菌群包括曲霉屬、念球菌屬和節(jié)擔(dān)菌屬。其中，曲霉屬可以分泌纖維素酶，對(duì)纖維素有較強(qiáng)的降解能力[22-23]；念球菌屬則對(duì)糖類和油脂有著一定的降解能力[24]。進(jìn)入高溫期后 3組處理共同的菌群逐漸演變?yōu)槭葻崦咕鷮佟⑶箤俸透箤佟Ｆ渲校葻崦咕鷮俸透箤賹?duì)纖維素和木聚糖有較強(qiáng)的降解活性[25-26]。在降溫期時(shí) 3組處理中共同的優(yōu)勢(shì)菌群包括嗜熱霉菌屬和嗜熱鏈球菌屬。其中，嗜熱鏈球菌屬對(duì)半纖維素有一定的降解能力[27]。在升溫期微生物種類主要以片球菌屬（Pediococcus）、曲霉屬（Aspergillus）和魏斯氏菌屬（Weissella）為主，相對(duì)豐度分別占細(xì)菌和真菌的 68.68%、59.17%和 12.21%；嗜熱霉菌屬（Thermomyces）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和根毛霉屬（Rhizomucor）在高溫期占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，相對(duì)豐度分別占細(xì)菌和真菌的45.21%、29.87%和19.79%；降溫期優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)槭葻崦咕鷮佟⒕G屈撓菌科（Chloroflexaceae）和嗜熱鏈球菌屬（Mycothermus），相對(duì)豐度分別占細(xì)菌和真菌的79.84%、16.92%和7.97%。

2.3 堆肥過程微生物菌群代謝功能通路

多樣性分析雖然可以揭示微生物群落的演替規(guī)律，但無法準(zhǔn)確說明菌群在堆肥過程中起到的作用及功能。通過代謝組學(xué)檢測(cè)，將結(jié)果與代謝組數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)對(duì)微生物菌群的代謝功能通路進(jìn)行分析，可以明確菌群的代謝功能，從而充分說明菌群在堆肥發(fā)酵過程中起到的作用。其中，KEGG數(shù)據(jù)庫是日本京都大學(xué)和東京大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，可以查詢微生物的代謝途徑、酶、產(chǎn)物等[28]。MetaCyc數(shù)據(jù)庫是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明的生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的代謝通路數(shù)據(jù)庫，可以查詢微生物的初級(jí)和次級(jí)代謝以及相關(guān)代謝物、反應(yīng)、酶和基因[29]。

2.3.1 細(xì)菌菌群代謝功能通路

運(yùn)用KEGG數(shù)據(jù)庫對(duì)細(xì)菌菌群的代謝功能通路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在整個(gè)堆肥過程中細(xì)菌菌群在代謝（Metabolism）上的通路統(tǒng)計(jì)最為豐富。其中，菌群主要對(duì)碳水化合物代謝、氨基酸代謝以及輔酶因子和維生素代謝有著較強(qiáng)的表達(dá)能力，說明細(xì)菌菌群在堆肥過程中對(duì)物料中有機(jī)物有著充分的利用。此外，細(xì)菌菌群對(duì)于萜類和多酮類化合物和聚糖等代謝產(chǎn)物也表現(xiàn)出較強(qiáng)的降解能力，前者在小麥儲(chǔ)藏過程中含量較高[30]，后者則屬于生物可降解部分，說明堆肥物料中的大分子物質(zhì)如淀粉、纖維素等被微生物利用，降解形成了多糖等代謝產(chǎn)物。此外，針對(duì)人類疾病（Human Diseases）的代謝功能通路統(tǒng)計(jì)豐度幾乎為0，這是因?yàn)樵诙逊蔬^程中由于堆溫較高且高溫的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)堆體中的致病性病原菌有較強(qiáng)的殺滅作用，導(dǎo)致堆肥過程堆體中的病原菌數(shù)量極少，可以很好地滿足堆肥無害化的要求[12]。

2.3.2 真菌菌群代謝功能通路

運(yùn)用MetaCyc數(shù)據(jù)庫對(duì)真菌菌群的代謝功能通路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，真菌菌群在前體代謝物和能量產(chǎn)生（Generation of Precursor Metabolite and Energy）代謝通路上，呼吸作用（Respiration）的豐度最大，說明在堆肥過程中堆體的通氣性得到較好的維持，堆體內(nèi)部氧氣提供充足，為微生物提供了適宜生長(zhǎng)的富氧環(huán)境。在生物合成（Biosynthesis）代謝通路上，輔酶因子、輔基、電子載體和維生素的代謝表達(dá)豐度最高，其次是脂肪酸、核苷酸、碳水化合物和氨基酸等，這些產(chǎn)物均為微生物在生命活動(dòng)中產(chǎn)生的各種代謝物質(zhì)。在聚糖通路（Glycan Pathways）上，有一定程度的聚糖生物合成，表明真菌菌群對(duì)堆體中木質(zhì)纖維素的降解有一定的基因表達(dá)，分泌的纖維素酶可以有效降解木質(zhì)纖維素并將其轉(zhuǎn)化為聚糖等物質(zhì)[31]。

表4 堆肥過程真菌菌群MetaCyc部分代謝功能通路特征Table 4 MetaCyc metabolic pathway characteristics of fungi during composting

3 結(jié) 論

本文通過接種 3種菌劑對(duì)小麥秸稈進(jìn)行好氧堆肥處理，使用16s rDNA高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)堆肥過程各典型發(fā)酵階段中的微生物多樣性進(jìn)行了測(cè)試和分析，結(jié)論如下：

1）3種菌劑處理下的堆體性質(zhì)發(fā)生明顯變化，接種的菌劑種類不同導(dǎo)致堆體中微生物的群落結(jié)構(gòu)不一致，對(duì)物料的降解效果不同，在溫度峰值、高溫持續(xù)時(shí)間和VS降解率等方面表現(xiàn)出差異性。

2）3種菌劑處理下堆體的微生物多樣性變化顯著，各典型發(fā)酵階段之間優(yōu)勢(shì)菌群存在差異。在升溫期主要以片球菌屬、曲霉屬和魏斯氏菌屬為主，相對(duì)豐度分別占細(xì)菌和真菌的68.68%、59.17%和12.21%；嗜熱霉菌屬、芽孢桿菌屬和根毛霉屬在高溫期占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，相對(duì)豐度分別占細(xì)菌和真菌的45.21%、29.87%和19.79%；降溫期優(yōu)勢(shì)菌群演變?yōu)槭葻崦咕鷮佟⒕G屈撓菌科和嗜熱鏈球菌屬，相對(duì)豐度分別占細(xì)菌和真菌的79.84%、16.92%和7.97%。

3）在小麥秸稈好氧堆肥過程中，微生物菌群的代謝功能通路豐富。其中，細(xì)菌菌群對(duì)糖類、油脂等物質(zhì)有較強(qiáng)的降解作用，真菌菌群對(duì)木質(zhì)纖維素等相關(guān)的代謝功能突出。

該研究明確了麥秸堆肥過程中的優(yōu)勢(shì)功能菌群，對(duì)這些優(yōu)勢(shì)功能菌群的理化性質(zhì)開展研究，可進(jìn)一步明確其降解功能特性，從而為研制高效降解小麥秸稈的微生物菌劑提供參考，為解決CELSS小麥秸稈等固體廢物的資源化處理問題提供思路。