堆肥微生物：過去，現在和未來

李季 王祿山

（1. 中國農業大學資源與環境學院 生物多樣性與有機農業北京市重點實驗室，北京 100193；2. 山東大學微生物技術研究院 微生物技術國家重點實驗室，青島 266237）

我國城鄉每年產生大量的有機廢棄物（約55億噸），如何實現這些廢棄物的處理與利用關系到環境治理、土壤健康和農業的可持續發展，也關系到經濟高質量、社會治理一體化和生態碳中和目標的全面實現。據估算，上述有機廢棄物中氮、磷、鉀養分儲量高達7 300萬噸，超過全年化肥養分總量（約6 000萬噸），有機碳相當于10億噸標準煤，約為我國能源消耗總量的1/5。

把大量的城鄉有機廢棄物轉化為有機肥，并長期施用于我國農田土壤，既可實現資源利用和減少環境污染，又可發揮顯著的替代化肥、改良土壤和固碳減排效應。而實現這些目標的主要技術途徑就是好氧發酵技術，也稱堆肥技術。

堆肥（composting），是指在人工控制和一定的水分、碳氮比（C/N）和通風條件下，強化或激發微生物的發酵作用、降解廢棄有機物、生成腐殖質的過程。堆肥過程中的高溫能夠殺滅有機廢棄物中殘留的病原菌、雜草種子等。堆肥也是一種良好的土壤改良劑，能夠一定程度減緩連作障礙、提高土壤蓄水保墑能力和農產品品質，促進農業的可持續發展。

堆肥過程由微生物驅動，根據物料溫度可以分為升溫期、高溫期和降溫期，不同階段驅動堆肥過程的微生物類群存在差異。但是由于影響堆肥過程的微生物具有多樣性，對其探索仍處于初步階段。堆肥的研究技術大致經歷了三個階段：傳統微生物培養、分子生物學和整合多組學。傳統微生物培養階段，主要借助于微生物分離培養和顯微計數等傳統手段，了解堆肥中細菌、真菌和放線菌的數量變化，其操作繁瑣、局限性較大。分子生物學研究階段，主要通過DGGE、PLFA、T-RFLP及高通量測序技術等，揭示堆肥過程中微生物群落的動態演替，但可重復性不強，測序精度一般。整合多組學研究階段，通過整合宏基因組、宏轉錄組、宏蛋白組及宏代謝組等技術，挖掘堆肥過程中微生物物種組成、基因功能、代謝通路、關鍵物質等信息，可更加全面地了解堆肥微生物功能演替的生物學機制。

目前堆肥微生物的研究領域主要聚焦兩個方面，即內源微生物作用機制和外源微生物接種機理。

近年來，高通量測序及宏組學技術已廣泛應用于堆肥領域內源微生物及其影響因素的研究。例如，通過分析堆肥微生物的群落組成及其動態演替過程發現，不同畜禽糞便堆肥具有特定的微生物組成，其變化也不盡相同。對細菌而言，羊糞和牛糞堆肥以變形菌門為主，而雞糞和豬糞堆肥中厚壁菌門占主導地位；對真菌而言，子囊菌門在所有畜禽糞便堆肥中均占主導地位。通過基于宏基因組學分析的PICRUSt和FUNGuild，可預測堆肥中細菌和真菌功能多樣性，發現堆肥過程中纖維素酶活性一般先上升后下降，蛋白酶活性逐漸下降，而脫氫酶活性與微生物活性有關。通過分析高木質纖維素廢棄物堆肥腐殖化過程中真菌群落組成發現，擔子菌門中的白腐真菌能高效降解木質素。對微生物群落組成與理化指標間的相關性研究發現，厚壁菌門在低C/N物料堆肥中占據主導地位，其中以芽孢桿菌最為活躍，而在高C/N物料堆肥中放線菌門占據優勢，Thermobifida fusca被認為是堆肥高溫期唯一的纖維素降解者。

國內外學者在堆肥外源微生物接種方面已取得大量工作進展。堆肥接種是指從多樣化的環境或物料中，分離馴化出具有不同功能的優勢微生物菌株，并通過培養發酵制成菌劑，然后將菌劑接種到堆料中的一類方法。通常將這些用于堆肥接種的單一或復合微生物菌劑稱作“堆肥接種劑”或“發酵接種劑”（inoculant）。20世紀30年代，我國土壤肥料學家彭家元與陳禹平在《元平式速成堆肥》中，根據好熱性纖維素分解菌（現定名為堆肥發酵菌）的特點，提出了農村有機肥的快速堆制發酵方法，并成功富集培養出高溫纖維分解菌，定名為“元平菌”。使用后可促進堆肥升溫，使纖維素成分迅速分解，發酵時間由通常的4、5個月縮減至3周即可完全腐熟，這是我國最早記載的堆肥接種研究。20年后，即1954年，美國加州大學伯克利分校的Clarence G. Golueke教授在西方開展了早期的堆肥研究，通過將微生物培養物和土壤添加到馬糞中進行堆肥，發現盡管接種劑富含大量微生物，但是對堆肥進程和產品質量均無顯著效果。造成無效果的原因一方面可能是堆肥物料中優勢微生物種群數量大，接種的微生物種群還未來得及繁殖成為優勢種，堆肥物料中的已有優勢微生物已迅速繁殖，并對接種的外源微生物產生了抑制；另一方面，可能是堆肥中有機物種類多、成分復雜，已有優勢微生物已經對這些有機物有了較好的適應及分解利用能力，而接種的微生物種群還需適應這些有機物或對這些有機物分解利用不充分，從而無法達到效果。

近年來隨著微生物群落研究的深入以及有機肥企業的快速發展，國內外對堆肥接種研究關注較多。堆肥接種微生物主要涵蓋芽孢桿菌、乳桿菌屬、假單胞菌屬、固氮菌屬等細菌，木霉菌、白腐真菌、毛殼菌等真菌，鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬等放線菌。接種微生物添加量以0.05%-1%居多，添加方式多采用在堆肥初期接種；在接種菌的類型上也分為單一菌劑和復合菌劑，多以復合菌劑為主。已有研究表明，通過堆肥接種，可加快堆體升溫速度、延長高溫持續時間，縮短發酵周期；加速堆體中有機物質的降解，減少氮素損失，提高養分含量，減輕或消除物料臭味；提升微生物種類、數量和群落多樣性，提高纖維素酶、脲酶等酶活性和峰值；此外，還可以加速堆體腐熟，提高堆肥產品質量，提升產品肥效和功能性，降低植物毒性，抑制土傳病害等植物病害。

為推進國內堆肥微生物領域研究進展交流，由微生物技術國家重點實驗室、中國農業大學資源與環境學院主辦，山東大學微生物技術研究院和生物多樣性與有機農業北京市重點實驗室承辦的“2021年首屆堆肥微生物學術研討會” 于2021年8月2-3日在青島鰲山灣畔隆重召開。會議設置了堆肥微生物群落結構研究、堆肥微生物機制研究、功能堆肥微生物的篩選、堆肥微生物接種效果、堆肥與產業政策、堆肥及技術應用6個主題，來自中國科學院、中國農業大學、南京農業大學、福建農林大學、廣東省農業科學院、東北農業大學等10余所高校、研究所及知名企業共20名專家學者，為大會呈現了精彩紛呈的學術報告，討論堆肥微生物的基礎研究和產業應用，實現堆肥過程的高效、高值、低污，提高我國有機廢棄物循環利用效率，提升廢棄物循環利用的產業化水平。會后主辦方與《生物技術通報》編輯部討論決定出版“堆肥微生物專題”，邀請國內相關領域科研團隊，以基于組學技術的堆肥微生物群落及功能微生物為主題，撰寫了6篇研究論文，形成了本專題。內容涵蓋堆肥對根際作物的抑病機理［1］、堆肥微生物群落演替［2］、功能微生物的作用機制［3］、堆肥腐殖化的非生物/生物調控機制［4］、嗜酸性硫桿菌等堆肥接種的應 用等［5-6］。

值此專刊出版之際，謹向所有提供稿件的專家及審稿專家致謝，向《生物技術通報》編輯部致謝，感謝大家為我國堆肥微生物研究成果展示和交流做出的貢獻。