畜禽粪便堆肥中脱氮基因时空分布及脱氮作用分子生态学机制研究

Composting is the main technology of disposing animal manure. During composting nitrogen removal leads to not only nitrogen loss but also air pollution and greenhouse effects caused by the emission of the intermediate nitrous oxide. Therefore it necessary to control nitrogen removal in composting. However, up to now the knowledge of nitrogen removal is too limited to guide the related scientific research and composting practice. In this study, nitrogen-removing genes(nirK、nirS、nosZ、hzo) are used as molecular markers to investigate temporal and spatial patterns of the functional genes, which may give indications of the precise location of nitrogen-removing microbial populatlion and nitrogen-removing process. Total potential denitrificaiotn and potential anammox activity are determined using stable isotope N analysis. Molecular ecological mechanism of nitrogen removal in animal manure composting is revealed through analyzing the relationship between the functional genes, nitrogen-removing process and environmental factors. This study is of scientific significance to enrich the theory of nitrogen removal and the theory of nitrogen cycle in composting and to guide composting practice. In addition, this study is to provide furhter scientific evidence for anammox process in annimal manure composting and to expound the its role in nitrogen removal in compost.

堆肥是处理畜禽粪便的主流技术。堆肥过程中，脱氮作用不仅导致氮素资源损失，而且产生的中间产物一氧化二氮造成空气污染、加剧温室效应，因此，需要对脱氮作用加以控制。然而，目前关于堆肥脱氮作用的理论知识有限，不能有效指导科研和生产。本项目以脱氮作用主要功能基因（nirK、nirS、nosZ、hzo等）作为分子标记基因，利用PCR、Real-time PCR等技术探索畜禽粪便堆肥过程中脱氮基因时空分布规律，准确定位堆肥中脱氮微生物和脱氮作用发生的部位和时间。利用稳定同位素N分析测定堆肥反硝化脱氮潜力和厌氧氨氧化脱氮潜力，通过分析脱氮基因、脱氮作用和环境条件三者关系，揭示堆肥脱氮作用分子生态学机制。本研究对丰富堆肥脱氮作用理论及氮素循环理论的内涵、指导堆肥生产具有科学价值。另外，本研究将进一步提出“厌氧氨氧化过程（anammox）”在畜禽粪便堆肥中存在的科学证据，并阐明其在堆肥脱氮作用中扮演的角色。

我国畜禽养殖业的迅速发展产生大量畜禽粪便，不仅污染环境，造成农业面源污染，也会滋生人畜病原菌。堆肥是处理畜禽粪便的主流技术。但堆肥过程中，脱氮作用不仅导致氮素资源损失，而且产生的中间产物一氧化二氮造成空气污染、加剧温室效应，因此，需要对脱氮作用加以控制。然而，目前关于堆肥脱氮作用的理论知识有限，不能有效指导科研和生产。本项目以脱氮作用主要功能基因（nirK、nirS、nosZ、hzo等）作为分子标记基因，利用PCR、Real-time PCR等技术探索畜禽粪便堆肥过程中脱氮基因时空分布规律，通过分析脱氮基因、脱氮作用和环境条件三者关系，明确了主要脱氮基因、相关微生物群落及其对氮循环的影响规律，阐明了主要功能微生物群落演替、群落间互作关系及群落内关键菌群，分析了脱氮相关基因与理化因子的相关性。研究发现，1、功能基因在堆肥氮素转化过程中表现为协同作用，而且硝化作用、厌氧氨氧化作用和反硝化作用三者之间的关系是同步存在而非依次进行；2、堆肥中微生物群落的演化是多种外界因素（变量）的相互作用的结果，而非单因素或几个因素（变量）之间两两作用的结果，因此，探讨多因素互作对揭示堆肥微生物群落演替规律和堆肥过程更具有学术价值和现实意义；3、堆肥是一个异常复杂的生态系统，堆肥过程中微生物群落演替进程存在很大的不确定性。因此，对堆肥固体发酵过程中微生物群落调控是一个具有挑战性又十分重要的研究课题，在该领域研究的突破，将对微生态学理论和生产实践均产生巨大推动作用。综上，本研究从分子生态学角度揭示了堆肥脱氮作用的机制，对丰富堆肥氮素循环理论和指导堆肥生产具有科学价值。