堆肥中碳代谢功能微生物群落动态结构及功能研究

This study investigated the temporal and spatial Variation of microbial succession of specific functional groups during a composting process by PCR- denaturing gradient gel electrophoreses(DGGEs), targeting β-glucosidase genes. Furthermore Real-time PCR and Real-time RT-PCR methods were utilized for accurate quantification of gene copy numbers and gene expression level of β-glucosidase gene, respectively. In order to illustrate enzymology of cellulose degradation, particularly characterize the role of β-glucosidase, the cellulase and β-glucosidase activities and the change of cellulose, cellobiose and glucose were evaluated. The goal of this study was to characterize the work of functional community in cellulose degradation during the composting. Future research would include a closer investigation the role of different functional community of cellulose-degrading microorganisms in the process of composting, these results here provide a theoretical foundation for composting technology optimization.

本项目以β-葡萄糖苷水解酶基因为分子标记基因,利用PCR- DGGE技术研究堆肥中具有参与纤维素降解的β-葡萄糖苷水解酶基因阳性的特异性功能微生物群落在堆肥过程中不同时间、空间的多样性组成、演替，在此基础上结合real-time PCR和real-time RT-PCR方法对主要组成微生物的β-葡萄糖苷水解酶基因数量及转录水平进行定量研究。同时测定堆肥过程中纤维素酶和β-葡萄糖苷水解酶的酶活性，以及纤维素和纤维二糖，葡萄糖等代谢产物的含量，分析纤维素降解的酶学特性，特别是β-葡萄糖苷水解酶的效应机制。综合上述的研究结果，分析堆肥生产过程中功能性微生物降解纤维素的作用机制。以期进一步了解纤维素降解功能性微生态群落组成及其演替对促进堆肥腐熟的功能与机制，并为优化堆肥控制技术提供理论依据。

碳循环是生物地球化学循环的重要环节，纤维素物质的微生物降解研究是研究碳循环过程中的重要内容之一，在自然环境中，即非实验室条件下，因复杂的理、化及微生物等因素的相互影响，制约了对这一过程的深入解读。近年来，以宏基因组学等为代表的高通量测序技术的应用推动了在大尺度范围内对参与这一过程的复杂微生物的了解，但还缺少在更小的尺度下详细的分析功能微生物与纤维素的降解的互作机制。本项目以β-葡萄糖苷水解酶基因为分子标记基因,将研究限定在一个较小的尺度范围内，利用PCR-DGGE，及克隆文库技术研究堆肥中具有参与纤维素降解的β-葡萄糖苷水解酶基因阳性的特异性功能微生物群落在不同处理的堆肥过程中时空特性，在此基础上结合real-time PCR和real-time RT-PCR方法对主要组成微生物的β-葡萄糖苷水解酶基因数量及转录水平进行定量研究。同时测定堆肥过程中纤维素酶和β-葡萄糖苷水解酶的酶活性，以及纤维素和纤维二糖，葡萄糖等代谢产物的含量，分析纤维素降解的酶学特性，特别是β-葡萄糖苷水解酶的效应机制。通过代谢底物（纤维素）、代谢产物（纤维二糖，葡萄糖），酶活性和产酶微生物这几个要素的变化规律，综合分析堆肥生产过程中功能性微生物降解纤维素的作用机制。. 在自然堆肥的降温腐熟阶段，出现了β-葡萄糖苷水解酶及CMC酶活显著的减低并伴随堆肥中纤维二糖和葡萄糖的积累，导致浓度的显著升高现象。在接种菌剂堆肥的高温阶段细菌来源的GH1家族β-葡萄糖苷水解酶在酶活性的升高并导致纤维素大量分解方面起到重要的作用。比较不同处理的堆肥过程，我们发现高拷贝的功能基因处于较低转录水平产生的酶活性作用要大于具有高转录水平的较低拷贝功能基因。这些结果为进一步了解纤维素降解功能性微生态群落组成及其演替对促进堆肥腐熟的功能与机制，并为优化堆肥控制技术提供理论依据。