堆肥微生物：過去，現(xiàn)在和未來

李季 王祿山

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100193；2. 山東大學(xué)微生物技術(shù)研究院 微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，青島 266237）

我國城鄉(xiāng)每年產(chǎn)生大量的有機(jī)廢棄物（約55億噸），如何實現(xiàn)這些廢棄物的處理與利用關(guān)系到環(huán)境治理、土壤健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量、社會治理一體化和生態(tài)碳中和目標(biāo)的全面實現(xiàn)。據(jù)估算，上述有機(jī)廢棄物中氮、磷、鉀養(yǎng)分儲量高達(dá)7 300萬噸，超過全年化肥養(yǎng)分總量（約6 000萬噸），有機(jī)碳相當(dāng)于10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約為我國能源消耗總量的1/5。

把大量的城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，并長期施用于我國農(nóng)田土壤，既可實現(xiàn)資源利用和減少環(huán)境污染，又可發(fā)揮顯著的替代化肥、改良土壤和固碳減排效應(yīng)。而實現(xiàn)這些目標(biāo)的主要技術(shù)途徑就是好氧發(fā)酵技術(shù)，也稱堆肥技術(shù)。

堆肥（composting），是指在人工控制和一定的水分、碳氮比（C/N）和通風(fēng)條件下，強(qiáng)化或激發(fā)微生物的發(fā)酵作用、降解廢棄有機(jī)物、生成腐殖質(zhì)的過程。堆肥過程中的高溫能夠殺滅有機(jī)廢棄物中殘留的病原菌、雜草種子等。堆肥也是一種良好的土壤改良劑，能夠一定程度減緩連作障礙、提高土壤蓄水保墑能力和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

堆肥過程由微生物驅(qū)動，根據(jù)物料溫度可以分為升溫期、高溫期和降溫期，不同階段驅(qū)動堆肥過程的微生物類群存在差異。但是由于影響堆肥過程的微生物具有多樣性，對其探索仍處于初步階段。堆肥的研究技術(shù)大致經(jīng)歷了三個階段：傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)、分子生物學(xué)和整合多組學(xué)。傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)階段，主要借助于微生物分離培養(yǎng)和顯微計數(shù)等傳統(tǒng)手段，了解堆肥中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量變化，其操作繁瑣、局限性較大。分子生物學(xué)研究階段，主要通過DGGE、PLFA、T-RFLP及高通量測序技術(shù)等，揭示堆肥過程中微生物群落的動態(tài)演替，但可重復(fù)性不強(qiáng)，測序精度一般。整合多組學(xué)研究階段，通過整合宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、宏蛋白組及宏代謝組等技術(shù)，挖掘堆肥過程中微生物物種組成、基因功能、代謝通路、關(guān)鍵物質(zhì)等信息，可更加全面地了解堆肥微生物功能演替的生物學(xué)機(jī)制。

目前堆肥微生物的研究領(lǐng)域主要聚焦兩個方面，即內(nèi)源微生物作用機(jī)制和外源微生物接種機(jī)理。

近年來，高通量測序及宏組學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于堆肥領(lǐng)域內(nèi)源微生物及其影響因素的研究。例如，通過分析堆肥微生物的群落組成及其動態(tài)演替過程發(fā)現(xiàn)，不同畜禽糞便堆肥具有特定的微生物組成，其變化也不盡相同。對細(xì)菌而言，羊糞和牛糞堆肥以變形菌門為主，而雞糞和豬糞堆肥中厚壁菌門占主導(dǎo)地位；對真菌而言，子囊菌門在所有畜禽糞便堆肥中均占主導(dǎo)地位。通過基于宏基因組學(xué)分析的PICRUSt和FUNGuild，可預(yù)測堆肥中細(xì)菌和真菌功能多樣性，發(fā)現(xiàn)堆肥過程中纖維素酶活性一般先上升后下降，蛋白酶活性逐漸下降，而脫氫酶活性與微生物活性有關(guān)。通過分析高木質(zhì)纖維素廢棄物堆肥腐殖化過程中真菌群落組成發(fā)現(xiàn)，擔(dān)子菌門中的白腐真菌能高效降解木質(zhì)素。對微生物群落組成與理化指標(biāo)間的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門在低C/N物料堆肥中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中以芽孢桿菌最為活躍，而在高C/N物料堆肥中放線菌門占據(jù)優(yōu)勢，Thermobifida fusca被認(rèn)為是堆肥高溫期唯一的纖維素降解者。

國內(nèi)外學(xué)者在堆肥外源微生物接種方面已取得大量工作進(jìn)展。堆肥接種是指從多樣化的環(huán)境或物料中，分離馴化出具有不同功能的優(yōu)勢微生物菌株，并通過培養(yǎng)發(fā)酵制成菌劑，然后將菌劑接種到堆料中的一類方法。通常將這些用于堆肥接種的單一或復(fù)合微生物菌劑稱作“堆肥接種劑”或“發(fā)酵接種劑”（inoculant）。20世紀(jì)30年代，我國土壤肥料學(xué)家彭家元與陳禹平在《元平式速成堆肥》中，根據(jù)好熱性纖維素分解菌（現(xiàn)定名為堆肥發(fā)酵菌）的特點(diǎn)，提出了農(nóng)村有機(jī)肥的快速堆制發(fā)酵方法，并成功富集培養(yǎng)出高溫纖維分解菌，定名為“元平菌”。使用后可促進(jìn)堆肥升溫，使纖維素成分迅速分解，發(fā)酵時間由通常的4、5個月縮減至3周即可完全腐熟，這是我國最早記載的堆肥接種研究。20年后，即1954年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Clarence G. Golueke教授在西方開展了早期的堆肥研究，通過將微生物培養(yǎng)物和土壤添加到馬糞中進(jìn)行堆肥，發(fā)現(xiàn)盡管接種劑富含大量微生物，但是對堆肥進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量均無顯著效果。造成無效果的原因一方面可能是堆肥物料中優(yōu)勢微生物種群數(shù)量大，接種的微生物種群還未來得及繁殖成為優(yōu)勢種，堆肥物料中的已有優(yōu)勢微生物已迅速繁殖，并對接種的外源微生物產(chǎn)生了抑制；另一方面，可能是堆肥中有機(jī)物種類多、成分復(fù)雜，已有優(yōu)勢微生物已經(jīng)對這些有機(jī)物有了較好的適應(yīng)及分解利用能力，而接種的微生物種群還需適應(yīng)這些有機(jī)物或?qū)@些有機(jī)物分解利用不充分，從而無法達(dá)到效果。

近年來隨著微生物群落研究的深入以及有機(jī)肥企業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外對堆肥接種研究關(guān)注較多。堆肥接種微生物主要涵蓋芽孢桿菌、乳桿菌屬、假單胞菌屬、固氮菌屬等細(xì)菌，木霉菌、白腐真菌、毛殼菌等真菌，鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬等放線菌。接種微生物添加量以0.05%-1%居多，添加方式多采用在堆肥初期接種；在接種菌的類型上也分為單一菌劑和復(fù)合菌劑，多以復(fù)合菌劑為主。已有研究表明，通過堆肥接種，可加快堆體升溫速度、延長高溫持續(xù)時間，縮短發(fā)酵周期；加速堆體中有機(jī)物質(zhì)的降解，減少氮素?fù)p失，提高養(yǎng)分含量，減輕或消除物料臭味；提升微生物種類、數(shù)量和群落多樣性，提高纖維素酶、脲酶等酶活性和峰值；此外，還可以加速堆體腐熟，提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品肥效和功能性，降低植物毒性，抑制土傳病害等植物病害。

為推進(jìn)國內(nèi)堆肥微生物領(lǐng)域研究進(jìn)展交流，由微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院主辦，山東大學(xué)微生物技術(shù)研究院和生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)北京市重點(diǎn)實驗室承辦的“2021年首屆堆肥微生物學(xué)術(shù)研討會” 于2021年8月2-3日在青島鰲山灣畔隆重召開。會議設(shè)置了堆肥微生物群落結(jié)構(gòu)研究、堆肥微生物機(jī)制研究、功能堆肥微生物的篩選、堆肥微生物接種效果、堆肥與產(chǎn)業(yè)政策、堆肥及技術(shù)應(yīng)用6個主題，來自中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等10余所高校、研究所及知名企業(yè)共20名專家學(xué)者，為大會呈現(xiàn)了精彩紛呈的學(xué)術(shù)報告，討論堆肥微生物的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)堆肥過程的高效、高值、低污，提高我國有機(jī)廢棄物循環(huán)利用效率，提升廢棄物循環(huán)利用的產(chǎn)業(yè)化水平。會后主辦方與《生物技術(shù)通報》編輯部討論決定出版“堆肥微生物專題”，邀請國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域科研團(tuán)隊，以基于組學(xué)技術(shù)的堆肥微生物群落及功能微生物為主題，撰寫了6篇研究論文，形成了本專題。內(nèi)容涵蓋堆肥對根際作物的抑病機(jī)理［1］、堆肥微生物群落演替［2］、功能微生物的作用機(jī)制［3］、堆肥腐殖化的非生物/生物調(diào)控機(jī)制［4］、嗜酸性硫桿菌等堆肥接種的應(yīng) 用等［5-6］。

值此?？霭嬷H，謹(jǐn)向所有提供稿件的專家及審稿專家致謝，向《生物技術(shù)通報》編輯部致謝，感謝大家為我國堆肥微生物研究成果展示和交流做出的貢獻(xiàn)。