基于宏转录组的生物强化堆肥微生物胞外呼吸机理研究

Extracellular respiration is the microbial energy metabolism found in recent years, which plays an important role in the degradation and transformation of pollutants. Now, many studies focus on the role of organic matter on the process of electron transfer during composting, such as humus. However, no report involves in the integrated mechanism in transcriptional level. In this project, metatranscriptomics and bioinformatics would be used as a tool to dig the key genes related to extracellular electron transfer, reveal the variation rules of microbial function community during composting, describe the difference of gene expression and regulation, and construct the map of substance and energy metabolism. In addition, we analysis the physical and chemical indexes of representative sample, detect its electron transfer ability, and characterize the composition and structure of organic matter. Thus, we can find the mechanism of extracellular electron transfer in composting. The result would enhance the theoretical basis of biological composting technology, and supply the scientific basis for the degradation of pesticides, heavy metals and other pollutants. This project has great value in theory and broad application prospects.

胞外呼吸是近年来发现的微生物能量代谢方式，在污染物降解转化过程中具有重要作用。目前，堆肥领域多以腐殖质等有机物为研究对象，阐述其在堆肥电子传递过程中的作用，而基于转录水平的整体机制研究鲜有报道。基于此，本项目拟从胞外电子传递关键基因入手，采用宏转录组学与生物信息学相结合的方法，揭示生物强化堆肥过程中微生物功能群落演替规律，阐明不同阶段功能基因表达差异及基因调控规律，构建物质与能量代谢图谱。综合堆肥不同阶段代表性样品理化性质、电子传递能力及有机物组分和结构的分析与表征，探求堆肥过程中的胞外电子传递机制，为提升生物强化堆肥技术提供理论基础，也为农药、重金属等污染物降解提供科学依据，具有重要的理论价值及广阔的应用前景。

腐殖质呼吸是微生物在厌氧条件下将氧化产生的电子传递给腐殖质，再由腐殖质传递给末端受体的过程，具备这一功能的微生物称为腐殖质呼吸菌。堆肥过程是有机物料逐渐降解并腐殖化的过程，堆肥有机质独特的组分结构使其具备电子转移能力，同时这种电子介导作用的特性又会诱导腐殖质呼吸菌的产生。本研究通过光谱学方法，研究有机质的结构变化，通过电化学方法检测其电子转移能力，并通过醌基模板物驯化分离堆肥中的腐殖质呼吸菌，探究其群落结构和演替规律。研究发现堆肥有机质的电子转移能力总体上呈增加趋势。在堆肥前期类蛋白物质是腐殖质的主要组分，堆肥腐殖质化程度低。随着堆肥进行，类蛋白物质被逐渐降解或转化为类腐殖质物质，其分子量、芳香性和堆肥腐殖质化程度均升高，这些变化使得有机质中醌基团含量增加，而醌基团正是有机质电子转移能力的主要贡献官能团。因此，堆肥后期有机质的电子转移能力增强。此外，堆肥过程中腐殖质还原菌主要分布在Proteobacteria、Firmicutes及Actinobacteria，其中34个腐殖质还原菌属占序列总数的90%。腐殖质还原菌丰度及多样性随堆肥进行呈上升趋势，并且受堆肥物料种类特性的影响。按不同物料堆肥中腐殖质还原菌群落结构，可将七种物料分为四类：第一类为鸡粪和牛粪堆肥（蛋白类）、第二类为杂草和果蔬堆肥（纤维素类）、第三类为枯枝和秸秆堆肥（木质素类）及第四类污泥堆肥类。总有机氮和总有机碳是影响堆肥过程中腐殖质还原菌群分布的关键因子。