易腐有机固废堆肥腐殖酸形成功能微生物微生境调控机制研究

How to shorten the composting time is more concerned by researchers, instead, how to increase the content and optimize the humification degree of humus have seldom been considered. Therefore, the purpose of this item is to improve the efficient use of compost according to the amount of humus by regulating the key influence factors of main microorganism communities. In this item, the correlation will be clarified between precursors and microorganisms based on the statistics and chemometrics analysis method, and targeted precursors and microorganism will be further selected. Based on above, the metabolic pathways of polyphenols formation, polyphenols derived quinones, condensation between quinones and other precursors will be studied, then the main microorganism communities and the key enzymes at the relative metabolic nodes would be determined according to gene network analysis and metaproteomics. The factors contributions to the amounts of main microorganism communities and the key enzymes during composting will be calculated, and the optimal combination of factors modified by composting will also be suggested. Finally, a regulation pathway considering the key influence factors of main microorganism communities and the key enzymes would be built to improve humus amount during composting by monitoring the dynamics of functional microorganisms, key enzymes and humus concentration, which can inform technique for organic waste utilization.

针对易腐有机废弃物堆肥研究重视快速稳定化，而对腐殖酸类物质形成、调控机制研究相对不足等问题，项目拟通过腐殖酸形成功能微生物微生境影响因子调控，达到提高堆肥产品高质资源化的目标。项目采用统计学、化学剂量学方法，阐明堆肥过程中腐殖酸形成前体物、功能微生物之间响应关系，优选前体物及其代谢相关微生物类群。以多酚形成、多酚氧化为醌、醌与其它前体物缩合为重点研究途径，采用基因共表达网络分析、元蛋白质组学分析等技术，确定各途径代谢节点功能微生物类群及其代谢关键酶。探讨堆肥微生境因子对功能微生物、关键酶活性的贡献率并优选最佳因子组合。在此基础上，开展功能微生物微生境影响因子调控堆肥模拟研究，通过堆肥过程中功能微生物及关键酶活性、腐殖酸数量动态监测，反馈率定微生境影响因子参数，建立微生境影响因子-功能微生物-腐殖酸前体物-腐殖酸堆肥过程调控技术体系，为有机废弃物分质资源化利用提供技术支撑。

一、项目背景：.由于堆肥过程中腐殖酸形成与有机物料组成、理化特性互动关系；堆肥过程中功能微生物结构组成与腐殖酸形成的响应关系；功能微生物-关键影响因子-腐殖酸形成调控机制等诸多科学问题尚需进一步明确，同时也限制了易腐有机固废堆肥产品高质化的进程。针对上述问题，项目将腐殖酸前体物质与功能微生物、功能微生物与堆肥微生境之间响应关系作为主要的研究对象，构建生物强化堆肥高质资源化腐殖酸调控方案。.二、主要研究内容.（1）有机固体废弃物堆肥过程中莽草酸途径解析.（2）不堆肥微生物莽草酸途径关键驱动因素识别.（3）堆肥过程中功能材料添加对莽草酸代谢产物的固定效果研究.（4）生物强化堆肥腐殖酸增质调控方法优化及验证.三、重要结果.1）解析模拟堆肥系统内莽草酸途径终产物酪氨酸、色氨酸以及苯丙氨酸生成效率，明确堆肥过程中微生物群落变化特征，解析莽草酸代谢核心微生物分布特征，识别了影响莽草酸代谢环境限制因子，阐明了推动堆肥莽草酸代谢环境机制。2）探究不同物料堆肥过程中理化因子及莽草酸途径代谢产物（莽草酸、原儿茶酸和没食子酸）的变化规律及特点。构建网络分析，确定参与莽草酸途径的核心菌群，发掘可以影响代谢产物的关键驱动因子，为提高堆肥过程中莽草酸途径代谢强度提供理论依据。3）分析不同物料堆肥过程中有机组分和莽草酸途径产物对腐殖酸含量变化的影响，明确不同物料堆肥过程中细菌群落结构动态变化以及莽草酸途径关键微生物及关键基因对腐殖酸形成的影响。4）比较鸡粪堆肥过程中功能材料添加（生物炭、蒙脱石及生物炭-蒙脱石联合添加）对胡敏酸及其前体物含量的影响。构建结构方程模型及核心菌群主坐标分析，证实功能材料添加对莽草酸途径中胡敏酸形成的潜在影响。5）明确莽草酸途径在影响胡敏酸形成过程中的功能性微生物，结合莽草酸途径与基因热图，确定关键基因，构建网络分析，明确关键菌群。阐明参与莽草酸途径的功能性微生物对胡敏酸形成的贡献，解析功能微生物在胡敏酸形成过程中的作用。.四、科学意义.阐明了腐殖酸前体物质与功能微生物、功能微生物与堆肥微生境之间响应关系，揭示了典型前体物质、特定功能微生物代谢机制及关键影响因子，最终通过反馈机制，建立关键影响因子-功能微生物-腐殖酸前体物-腐殖酸形成的调控技术体系，研究成果可为堆肥产品分质资源化高效利用提供技术支撑，具有极其重要的理论与实际意义。