农业废弃物好氧堆肥过程中生物群落多样性及演替规律研究

Composting of agricultural wastes is essentially a biooxidative process, which is firstly controlled by microbial. However, other organisms such as protozoa and nematode play an important role during the process through regulating the microbial community. Up to the present, only the succession of microbial community have been thoroughly investigated. Research concerning the role of protozoa and nematode in composting processes, the structure and function of compost foodweb are completely lacking. In this study, we investigated the change of protozoa and nematode community, besides the microbial community, under the control factors of composting of microbial inoculation, carbon/nitrogen ration, raw materials and moisture. The structure and function of compost foodweb were analyzed by soil foodweb mode and stable isotope probing technique, also the key functional groups of composting process were identified. The aims of this study were to further understand the biological process of composting and the mechanism of compost maturing.

农业废弃物好氧堆肥本质上是一个生物氧化过程，微生物在这个过程中起着决定性的作用，其他生物类群如原生动物、线虫通过调控微生物群落在堆肥过程中也起着重要作用。目前堆肥过程中生物群落多样及演替规律的研究主要集中在微生物上，对原生动物、线虫群落的研究较少，更缺乏对由各种生物组合而成的堆肥食物网结构及功能的研究。本项目在研究各种堆肥控制因素（接种微生物、碳氮比、水分及原料特性）下微生物群落多样性及演替规律基础上，进一步研究原生动物、线虫群落多样性及演替规律，并借助于土壤食物网模型和同位素探针技术，分析堆肥食物网结构及功能，确定堆肥过程中关键功能群，从而深入认识堆肥生物学过程，了解堆肥腐熟机理。

好氧堆肥是由堆肥生物驱动的有机物降解和腐殖质合成过程。参与堆肥过程中的生物除微生物外，还有小型动物（原生动物和线虫），中型动物（微节肢动物等）和大型动物（甲虫、蚯蚓、蜈蚣、马陆和苍蝇等）等生物。由于微节肢动物和大型堆肥动物对高温环境比较敏感，普遍存在于各种类型堆肥和堆肥所有阶段的是原生动物和线虫等食微动物。目前国内对堆肥微生物研究较多，较少关注原生动物和线虫。本项目在堆肥微生物基础上，重点关注堆肥动物，首次提出堆肥微食物网（底物-微生物-原生动物-线虫）的概念，并描述了各种堆肥控制因素如原料（尾菜、猪粪、污泥等）、初始含水量、碳氮比、发酵菌剂、堆肥工艺等对堆肥微食物网主要群落（微生物、原生动物、线虫）及整体结构的影响。此外，也以辣椒秸秆堆肥为例，探讨了堆肥微生物及关键功能基因在堆肥温室气体（N2O、CH4、CO2）和NH3排放中的作用。结果表明，堆肥微食物网是一个高度复杂的网络，随着堆肥过程的进行，堆肥微食物网快速演替。不同原料的堆肥微食物网群落组成差异较大，堆肥原生动物、线虫群落演替趋势与堆肥温度相反，在堆肥成熟期线虫数量急剧升高；初始含水率55%时，堆肥细菌、真菌、原生动物更有利于堆肥进程；低碳氮比（C/N=20、C/N=30）细菌、真菌、原生动物群落结构之间较类似，但与高碳氮比（C/N=56）之间差异较大，碳氮比对堆肥后期的线虫群落数量没有显著影响；接种发酵菌剂对堆肥生物群落影响的主要在堆肥前期，在堆肥后期效果不显著。但各种类型堆肥和堆肥所有阶段中，堆肥微食物网的能量通道以细菌能量通道为主，调节方式以自下而上方式为主。总之，堆肥微食物网的研究仍处于初级阶段，且主要集中在结构研究，今后的研究应将高通量测序及稳定同位素技术相结合，以便深入了解堆肥微食物网的结构与功能。项目发表文章4篇，接收论文1篇，其中SCI论文3篇，获批专利3项，投稿3篇，预计还能投稿论文2-4篇。