畜禽粪便堆肥氮素转化微生物群落动态结构及功能研究

Nitrogen is emitted into the air in form of gaseous ammonia、nitrous oxide、element nitrogen during composting of animal manure, which leads to tremendous loss of nitrogen fertilizer resources, environmental pollution and greenhouse gas emission. Studies dedicated to nitrogen conversion in composting has focused on the control of nitrogen loss so far. However, there has been rarely research published on microbial community which is the intrinsic factor responsible for nitrogen conversion in composting. Considering that the mechanism driving the conversion of nitrogen in composting is not well understood, all the related researches are conducted without the guide of pertinent theory. In this research the genes in charge of nitrogen conversion(amoA、nosZ、hzo,et al) is utilized in the PCR-DGGE and Real-time PCR analysis to investigate structure and succession of the microbial community related to nitrogen conversion during composting， offering means to study cultivation-independent microorganisms. Dynamic of nitrgen conversion is to be illustrated, function of the above-mentioned microbial community and the inherent microbiological mechanism concerning nitrogen conversion in composting is to be revealed. This research is of theoretial significance for future study on nitrogen cycling and techniques of controlling nitrogen loss during composting. The work is also constructive for improving the theoretical system of global nitrogen cycling. In addtion, this research is going to provide microbiological evidence for answering the ecologially important question, "Is there anammox in composting"

畜禽粪便堆肥过程中氮素通过气态氮（氨气、一氧化二氮、氮气）流失，造成巨大的氮素资源浪费、污染环境且产生温室气体。目前关于堆肥中氮素转化的研究主要集中在氮素流失的控制方面，而对于引起氮素流失的"内因"- - -微生物研究很少，没有揭示氮素转化的内在驱动机制，致使相关研究缺乏有针对性的理论指导。本项目突破了堆肥中不可培养微生物研究的技术瓶颈，以氮素转化主要功能基因（amoA、nosZ、hzo等）作为分子标记基因，利用PCR-DGGE、Real-time PCR等技术，探索堆肥过程中氮素转化微生物群落结构及演替规律，阐明氮素动态变化规律，揭示氮素转化微生物群落的功能及氮素转化的内在生物学规律，为堆肥氮素循环研究及控制氮素流失技术提供具体的理论指导，对丰富全球氮素循环理论体系的内涵具有积极意义。另外，本项目还将从微生物学角度回答"堆肥中是否存在厌氧氨氧化过程?"这一重要的生态学问题。

堆肥是处理有机固体废弃物的主流技术，堆肥中氮素转化是自然界中氮素循环的重要组成部分。目前国际上关于氮素循环的研究主要集中在土壤、水体和其他自然生态系统中，很少涉及堆肥。本项目研究堆肥氮素转化与微生物的关系，研究内容具有学科前沿性，对加深对自然界中氮素循环的认识具有科学价值。. 一、项目完成情况. 完成了项目计划任务书中的各项计划内容。重点开展了以下工作：. 分别以牛粪鸡粪为堆肥发酵原材料在人为控制条件下模拟自然堆肥过程进行发酵，建立标准堆肥发酵体系及温度曲线。对氨化、硝化及反硝化细菌进行分离纯化、测数，研究功能性微生物的生物学特性，进行16SrRNA分类鉴定。. 以氮素转化主要功能基因---amoA（硝化作用）、nosZ（反硝化作用）、hzo（厌氧氨氧化）等作为分子标记基因，通过PCR-DGGE技术对硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化细菌进行分类地位鉴定并分析群落结构组成，分析微生物群落演替规律。同时，测定了肥过程中不同阶段氨态氮、硝态氮的含量，分析堆肥过程中硝化作用、反硝化作用的强度变化规律及2种作用间的相互偶联机制，研究微生物与氮素转化之间的互作机制，揭示堆肥过程中氮素转化的内在生物学规律。. 二、取得的成果. （一）研究发现. 1、初步建立起了通过功能基因来研究堆肥中硝化、反硝化菌群及其他菌群的实验平台，为下一步深入研究堆肥中复杂的微生物群落提供良好的技术条件。. 2、对堆肥过程中硝化、反硝化菌群的动态变化规律、多样性的研究取得了显著进展，测定出堆肥过程中不同形态氮素的变化动态，为从生物学角度揭示堆肥氮素转化（硝化、反硝化）规律提供了证据。. （二）论文、专利和人才培养. 1、共计发表（录用）论文8篇，其中SCI收录论文2篇，EI收录1篇（附录用证明），核心期刊论文5篇（其中3篇已发表，2篇录用（附录用证明））。. 2、申请国家发明专利1项。. 3、培养在读博士后1人，博士2人，在读硕士6人，毕业硕士2人。