豬糞輔料促進(jìn)茄果類蔬菜廢棄物堆肥品質(zhì)的微生物機(jī)理

陸曉林，楊玉欣，2，洪春來，朱為靜，朱鳳香，姚燕來，洪磊東，王衛(wèi)平*

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

隨著全球人口和設(shè)施園藝作物種植面積的持續(xù)增長，大量蔬菜類廢棄物的產(chǎn)生對(duì)自然環(huán)境造成了潛在風(fēng)險(xiǎn)。我國蔬菜類廢棄物年產(chǎn)生量超過3.6 億t并呈連年遞增的趨勢(shì)。高水分含量的蔬菜廢棄物若未得到合理處置將引發(fā)一系列生態(tài)安全問題。茄果類蔬菜作物富含維生素、酚和抗氧化劑等營養(yǎng)物質(zhì)，在我國各地被廣泛種植，因此茄果類蔬菜廢棄物在整個(gè)設(shè)施蔬菜廢棄物中占比巨大。堆肥被認(rèn)為是處理茄果類蔬菜廢棄物并將其轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥的有效手段。

自然堆肥條件下蔬菜秸稈料堆土著微生物的代謝活性低，限制了物料的降解效率，造成發(fā)酵周期較長。大量研究表明，在秸稈堆肥系統(tǒng)中接種適量的外源性動(dòng)物糞便能夠顯著提高堆肥產(chǎn)品的穩(wěn)定性和安全性。從養(yǎng)分特性和糞源微生物特性出發(fā)，豬糞是性能較好的輔料。國內(nèi)外學(xué)者在畜禽糞便輔料改善蔬菜類廢棄物的堆肥腐熟度方面進(jìn)行了研究，例如高寧等以番茄秸稈廢棄物為原料開展堆肥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)豬糞輔料的添加能夠提高堆體發(fā)酵溫度并延長高溫期。MENG 等發(fā)現(xiàn)豬糞輔料的添加有利于堆肥品質(zhì)的提高。而堆肥效率與品質(zhì)常取決于嗜熱期微生物的群落功能。PICRUSt 可以用來預(yù)測(cè)堆肥過程中微生物群落的代謝功能，且準(zhǔn)確度較高。因此，闡明微生物代謝及其生化特性有利于解析微生物行為下驅(qū)動(dòng)料堆基質(zhì)高效轉(zhuǎn)化和快速穩(wěn)定化的工作機(jī)制。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)微生物在感知堆肥環(huán)境的變化后可通過調(diào)控新陳代謝的多樣性來促進(jìn)自身的生長，這種代謝功能多樣性上的差異更會(huì)影響堆肥進(jìn)程。然而目前從微生物代謝角度分析豬糞輔料促進(jìn)茄果類蔬菜廢棄物堆肥腐熟的機(jī)理鮮有報(bào)道。

本研究設(shè)置了兩組茄果類蔬菜廢棄物堆肥試驗(yàn)，其中處理組添加新鮮豬糞，通過測(cè)定堆肥過程中理化指標(biāo)評(píng)價(jià)堆肥腐熟度和肥效，并運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)堆肥過程中微生物群落結(jié)構(gòu)演替進(jìn)行分析，用PICRUSt 和相關(guān)性熱圖分析不同處理下堆肥微生物組代謝功能特性及其影響因素。研究結(jié)果加強(qiáng)了對(duì)堆肥系統(tǒng)代謝組學(xué)的認(rèn)識(shí)，并為動(dòng)物糞便添加促進(jìn)堆肥品質(zhì)提供了新的視角。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為茄果類蔬菜廢棄物（以番茄秸稈殘?bào)w為主）和新鮮豬糞。番茄秸稈殘?bào)w取自浙江省杭州市當(dāng)?shù)厥卟朔N植基地，將秸稈粉碎為粒徑2～5 cm 的小段后混勻待用。豬糞取自浙江省杭州市蕭山匯仁肥料公司，將收集的豬糞統(tǒng)一混勻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆肥試驗(yàn)于2018年7—9月在蕭山匯仁肥料公司中試車間進(jìn)行，持續(xù)45 d。試驗(yàn)分為兩組：處理一（E處理），180 kg番茄秸稈自然堆肥處理；處理二（E-PM處理），180 kg番茄秸稈中加入豬糞輔料，輔料添加量為總堆體質(zhì)量的10%。供試材料和各試驗(yàn)處理的初始理化性質(zhì)見表1，均符合堆肥要求。將物料混勻后制堆，長×寬×高為0.9 m×0.8 m×0.8 m。為了確保堆料獲得充足的氧氣和把物料充分混勻，采用人工翻堆的方式進(jìn)行翻堆，一周2次，即堆肥第0、3、6、9、10、12、15、18、21、23、25、28、32、36、40、44 天分別翻堆，并在堆肥第10天和第23天對(duì)各堆體進(jìn)行表面噴施補(bǔ)水2 kg。在堆肥第0、2、9、16、23、31、38、45 天取樣，將整個(gè)條垛平均分成3 段，每段采取等深度等量取樣法，在每段的3 個(gè)位點(diǎn)（20～60 cm）隨機(jī)采集等量樣品，混合均勻后，為保證取樣的代表性，采用四分法多次分取樣品600 g（鮮質(zhì)量）左右。樣品分為3 份，其中一份于4 ℃保存并盡快測(cè)定含水率（Moisture content，MC）、pH、電 導(dǎo) 率（Electrical conductivity，EC）、發(fā)芽指數(shù)（Germination index，GI）和酶活性，一份于-80 ℃保存用于分析微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)，第三份自然風(fēng)干，粉碎后用于理化性質(zhì)的測(cè)定。

表1 供試材料的理化性質(zhì)Table 1 Properties of the raw materials used in composting

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 堆肥不同時(shí)期理化指標(biāo)的測(cè)定

堆體溫度和環(huán)境溫度的測(cè)定：將已校準(zhǔn)的酒精溫度計(jì)垂直插入堆體內(nèi)部（約30 cm）測(cè)定堆體溫度的變化，于每日8：00—9：00檢測(cè)3次并取平均值記錄。含水率采用105 ℃烘干稱質(zhì)量的方法測(cè)定。堆肥有機(jī)質(zhì)（Organic matter content，OM）、全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）和全鉀（Total potassium，TK）含量采用《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）中的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。新鮮樣品與蒸餾水按照1∶10（/）混勻后用于pH 和電導(dǎo)率的測(cè)定。碳氮比為同一樣品的總有機(jī)碳和全氮的比值。蘿卜種子（浙農(nóng)白雪春2號(hào)）用于測(cè)定堆肥鮮樣的發(fā)芽指數(shù)。

1.3.2 堆肥過程中酶活性的測(cè)定

堆肥新鮮樣品蛋白酶活性、纖維素酶活性及多酚氧化酶活性分別采用茚三酮比色法、水楊酸比色法及鄰苯三酚比色法進(jìn)行測(cè)定。蛋白酶活性以每日每克測(cè)定樣品中生成氨基氮的毫克數(shù)表示（mg·g·d）。纖維素酶活性以每日每克測(cè)定樣品中生成葡萄糖的毫克數(shù)表示（mg·g·d）。多酚氧化酶活性以每日每克測(cè)定樣品中生成鄰苯三酚的毫克數(shù)表示（mg·g·d）。

1.3.3 堆肥過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定

采用PowerSoil DNA Isolation Kit 提取堆肥樣品中總DNA。PCR 產(chǎn)物使用1%瓊脂糖凝膠和NanoDrop 2000 分光光度儀（Thermo Fisher Scientific，Waltham，MA，美國）進(jìn)行DNA 濃度、純度及完整性檢測(cè)。隨后分別使用引物338F-806R 和ITS1F-ITS2R 對(duì)細(xì)菌16S rRNA 和真菌18S rRNA 擴(kuò)增，采用Illumina MiSeq PE300平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。所有的PCR 擴(kuò)增、文庫準(zhǔn)備與檢測(cè)及上機(jī)測(cè)序分析均由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。此外，OTU分析和測(cè)序數(shù)據(jù)分析均在生物信息學(xué)云平臺(tái)上（http：//www.cloud.majorbio.com）完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 17.0 和Originpro 2017c 對(duì)堆體理化性質(zhì)和酶活性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪圖。同一取樣時(shí)間下，不同數(shù)據(jù)組間的差異顯著性采用Student's two-sample檢驗(yàn)（＜0.05 表示差異顯著）。PICRUSt2和KEGG數(shù)據(jù)庫用來預(yù)測(cè)細(xì)菌群落的代謝功能。Spearman 相關(guān)性分析用于鑒定相對(duì)豐度前10的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌門與環(huán)境因子和群落代謝功能之間的相關(guān)性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差（=3）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬糞添加對(duì)茄果類蔬菜廢棄物堆肥理化性質(zhì)和發(fā)芽指數(shù)的影響

2.1.1 豬糞添加對(duì)堆肥溫度和發(fā)芽指數(shù)的影響

兩個(gè)處理的堆體建立時(shí)，初始的堆體溫度和環(huán)境溫度均為36 ℃（圖1a），但堆溫上升較快。E-PM 處理的堆溫在第1 天可達(dá)到60 ℃，而E 處理在第2 天堆溫才達(dá)到60 ℃。此外，E-PM 處理和E 處理的嗜熱期（＞60 ℃）分別為12 d和8 d，且E-PM 處理的堆溫大于E處理的時(shí)間為35 d，兩者的最高堆溫分別為66 ℃和65 ℃。伴隨翻堆，整個(gè)堆肥過程存在二次發(fā)酵的現(xiàn)象，最終在剛進(jìn)入降溫期（＜50 ℃）時(shí)，E-PM 處理堆體溫度下降幅度較大，由51 ℃降低至41 ℃，而E處理僅從50 ℃降低至48 ℃。在堆肥前16 d，發(fā)芽指數(shù)一直小于60%（圖1b），在第45 天，E-PM 處理的發(fā)芽指數(shù)達(dá)到82.11%，且顯著高于E 處理（＜0.05），這一現(xiàn)象充分證明添加豬糞后堆肥產(chǎn)品浸提液的促生能力提高。

圖1 堆肥過程中溫度和發(fā)芽指數(shù)的變化Figure 1 Changes of temperature and germination index during composting process

2.1.2 豬糞添加對(duì)堆肥理化性質(zhì)的影響

圖2a 表明，由于堆肥前期反應(yīng)劇烈，有機(jī)物水解生成的水分高于蒸發(fā)的水分，所有處理堆肥前期（0～16 d）的含水率均有上升的趨勢(shì)，隨后呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。最終E-PM 和E 處理的含水率分別為60.49%和61.11%，需要進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)品脫除水分從而達(dá)到土地利用要求。電導(dǎo)率在堆肥初期有一個(gè)短暫的下降階段，隨后呈先上升后降低的趨勢(shì)（圖2b）。與E處理相比，添加豬糞顯著降低了茄果類蔬菜廢棄物堆肥過程中的電導(dǎo)率（＜0.05）。E-PM 處理和E處理初始堆體的pH 分別為9.31 和9.24，隨后總體呈先降低后上升的趨勢(shì)（圖2c），添加豬糞對(duì)堆肥后期（在31～45 d）的pH 無顯著影響（＜0.05）。從圖2d 可知，在堆肥初期，E-PM 處理和E 處理的有機(jī)質(zhì)含量分別為77.63%和79.28%；堆肥至第23 d，其有機(jī)質(zhì)含量分別為75.24%和82.82%；而堆肥結(jié)束時(shí)，其有機(jī)質(zhì)含量分別67.84%和69.71%。因此，相比于堆肥前，E-PM 處理和E 處理有機(jī)質(zhì)平均降解率分別為12.61% 和12.07%，這一結(jié)果表明添加豬糞可加快堆肥早期有機(jī)質(zhì)的降解并促進(jìn)整個(gè)堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的降解。所有處理全氮含量的變化總體呈先降低后上升的趨勢(shì)（圖2e），E-PM 處理在0～23 d 全氮含量均顯著高于E 處理（＜0.05），最終E-PM 和E 處理的全氮含量分別為2.66%和2.68%（＞0.05）。圖2f表明添加豬糞顯著降低了第0～23 d 的料堆碳氮比（＜0.05）。初始的全磷和全鉀含量在處理之間無顯著差異（圖2g 和圖2h），這主要受到供試原料、料堆含水率、料堆密度、質(zhì)地及采樣等多因素影響。但隨著堆體原料被微生物不斷分解，E-PM和E處理的料堆體積不斷減小，堆體中全磷和全鉀的相對(duì)含量逐步增加，出現(xiàn)典型的“富集效應(yīng)”。堆肥過程中處理之間的全磷和全鉀含量差異顯著（＜0.05），在堆肥結(jié)束時(shí)，E-PM處理的全磷和全鉀含量均顯著高于E 處理（＜0.05），分別高達(dá)1.22%和2.99%，表明豬糞的添加顯著提高了肥效。

圖2 不同處理下茄果類蔬菜廢棄物堆肥過程中理化性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic of physicochemical parameters during solanaceous vegetable wastes composting under different treatments

2.2 豬糞添加對(duì)茄果類蔬菜廢棄物堆肥酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 豬糞添加對(duì)堆肥酶活性的影響

總體來說，所有處理堆肥后期蛋白酶活性均高于堆肥前期（圖3a）。伴隨著堆肥的進(jìn)行，E-PM 處理和E 處理的蛋白酶活性均呈先降低后升高的趨勢(shì)，且在嗜熱期（第2 天和第9 天）均表現(xiàn)為E-PM 處理顯著高于E 處理（＜0.05）。值得注意的是，在腐熟期E-PM處理的蛋白酶活性顯著低于E 處理（＜0.05）。EPM 和E 處理的多酚氧化酶活性在堆肥過程中總體呈先升高后降低再升高的趨勢(shì)（圖3b），最大值分別出現(xiàn)在第2 天（1.725 mg·g·d）和第38 天（1.974 mg·g·d）。類似地，豬糞的添加也僅促進(jìn)了堆肥嗜熱期多酚氧化酶的活性，這有利于加速堆料的腐殖化進(jìn)程。對(duì)于堆體纖維素酶活性，相比于E 處理，豬糞添加顯著促進(jìn)嗜熱期纖維素酶活性的升高（＜0.05），且所有處理纖維素酶活性最大值均出現(xiàn)在第9 d（圖3c）。而隨著堆體溫度的降低，E-PM 處理的纖維素酶活性顯著低于E處理。

圖3 堆肥過程中蛋白酶活性、多酚氧化酶活性和纖維素酶活性的變化Figure 3 Changes of protease activity，polyphenol oxidase activity，and cellulase activity during composting process

2.2.2 豬糞添加對(duì)堆肥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

由表2 可知，對(duì)于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和真菌群落結(jié)構(gòu)，E-PM 處理和E 處理的Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù)在第2天和第23天均無顯著差異。在第38天，相比E處理，E-PM 處理僅顯著促進(jìn)了Shannon 指數(shù)的增加（＜0.05），這表明豬糞添加對(duì)腐熟期微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性有顯著影響，而對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的豐富度無顯著影響。

表2 堆肥過程中所觀測(cè)到的OTU數(shù)和微生物群落的α多樣性指數(shù)Table 2 Observed OTU number and Alpha diversity indices in three sampling stages with different treatments

為了尋找微生物在屬水平上各組樣本之間優(yōu)勢(shì)物種的差異，選取在屬分類水平上平均相對(duì)豐度前15 的物種，見表3。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在堆肥第2 天，E 處理和E-PM 處理相對(duì)豐度最高的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌均為（芽孢桿菌屬，22.7%～23.7%），優(yōu)勢(shì)真菌均為（曲霉菌屬，74.4%～80.7%）。此外，相比于E 處理，此階段（梭菌屬）的相對(duì)豐度在E-PM 處理中顯著提高，而（糖多孢菌屬）的相對(duì)豐度顯著降低（＜0.05）。在堆肥第23 天，所有處理中和的相對(duì)豐度明顯降低，（枝頂孢霉菌屬）的相對(duì)豐度大幅增加（17.6%～58.0%）。值得注意的是，豬糞添加顯著提高了此階段下（大洋芽孢桿菌屬）、和的相對(duì)豐度，卻顯著降低了（微囊菌屬）和的相對(duì)豐度（＜0.05）。在堆肥第38 天，、、（纖細(xì)芽孢桿菌屬）、（嗜熱霉菌屬）和在E-PM 處理的 相 對(duì)豐度顯著 高于E 處理（＜0.05），而（糖單胞菌屬）、、、（遠(yuǎn)洋桿菌屬）、和的相對(duì)豐度顯著低于E處理（＜0.05）。

表3 堆肥過程中優(yōu)勢(shì)菌群在屬水平的相對(duì)豐度（%）Table 3 The relative abundance of dominant bacterial community at the genus level during composting process（%）

2.3 基于PICRUSt 探索微生物功能代謝對(duì)豬糞添加的響應(yīng)

本研究利用不同處理下嗜熱期細(xì)菌群落生物化學(xué)代謝途徑和細(xì)菌代謝功能來探索堆肥物料有機(jī)物質(zhì)降解的潛在機(jī)制（圖4 和圖5）。由圖4a 可知，豬糞添加對(duì)嗜熱期茄果類蔬菜廢棄物堆肥系統(tǒng)中的微生物生物代謝具有明顯的促進(jìn)作用。與此同時(shí)，基于KEGG 代謝通路進(jìn)行預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，被注釋到代謝和細(xì)胞進(jìn)程的基因序列豐度在E-PM 處理中有所提高，較E處理分別增幅5.68%和10.26%。此外，由圖4b 可知，在KEGG 二級(jí)函數(shù)水平下，相比于E 處理，20 條代謝功能譜相關(guān)序列的豐度在E-PM 處理組更高，特別是代謝通路下的碳水化合物代謝和氨基酸代謝相關(guān)序列的豐度。在基因信息處理、環(huán)境信息處理和細(xì)胞進(jìn)程下的多條代謝功能譜相關(guān)序列的豐度同樣在EPM 處理中明顯增加。這些結(jié)果表明，添加豬糞較快地改善了微生物細(xì)胞的加工功能，包括轉(zhuǎn)錄、翻譯及復(fù)制等強(qiáng)大功能，這有助于具有纖維素降解能力和氨基酸代謝能力的細(xì)菌生長繁殖，還有利于膜轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)代謝活性的增強(qiáng)。

圖4 堆肥過程中細(xì)菌功能譜差異的PICRUSt分析Figure 4 Variation in bacterial function profiles during composting process analyzed by PICRUSt

KEGG 途徑分析表明（圖5a），與E 處理相比，所選擇的7 種與有機(jī)物質(zhì)降解相關(guān)的功能酶序列豐度在E-PM 處理組明顯富集。因此，E-PM 處理下堆肥嗜熱期內(nèi)產(chǎn)生的酶量較多，這有利于堆肥物質(zhì)的高效降解，從而產(chǎn)生更多有效的活性養(yǎng)分促進(jìn)微生物菌群的生長。此外，對(duì)嗜熱期產(chǎn)溫室氣體甲烷（CH）的潛力功能進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明（圖5b），輔酶420-0 氫化酶的序列豐度在E-PM 處理組低于E 處理，而另外3種酶的序列豐度在E-PM 處理組高于E 處理。因此，可以推測(cè)施加豬糞降低了嗜熱期產(chǎn)甲烷的酶數(shù)量并提高了氧化甲烷的酶數(shù)量，從而可能有效減少堆肥化進(jìn)程中甲烷的排放。

圖5 相關(guān)酶基因豐度的PICRUSt預(yù)測(cè)Figure 5 Abundance of related enzymes predicted by PICRUSt

2.4 優(yōu)勢(shì)菌門分布及其與環(huán)境因素和代謝功能的相互關(guān)系

相關(guān)性分析（圖6b）表明，堆肥發(fā)芽指數(shù)、含水率和全氮含量均與Bacteroidetes（擬桿菌門）、Deinococcus-Thermus 和Planctomycetes（浮霉菌門）之間呈正相關(guān)（＜0.05）。此外，與含水率、pH 和全磷含量之間呈顯著正相關(guān)（＜0.05）的Proteobacteria（變形菌門）和Chloroflexi（綠灣菌門）又與氨基酸代謝、碳水化合物代謝、能量代謝和脂類代謝之間呈極顯著正相關(guān)（＜0.001），表明含水率、pH 和全磷含量對(duì)這些菌群的代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。特別地，多種代謝通路均與Proteobacteria 和Chloroflexi 等8 個(gè)菌門之間呈顯著正相關(guān)，而Firmicutes（厚壁菌門）等2 個(gè)菌門卻與這些代謝功能特性之間呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.001），表明代謝能影響細(xì)菌群落的變化。因此，相比于Firmicutes，嗜熱期獨(dú)特的堆肥環(huán)境促進(jìn)了E-PM處理中Proteobacteria和Chloroflexi的大量生長（圖6a），而這些優(yōu)勢(shì)菌又參與了多條代謝途徑并有助于茄果類蔬菜廢棄物的高效堆肥。

圖6 優(yōu)勢(shì)菌門的分布特征及其與環(huán)境因子和代謝功能的相關(guān)性分析Figure 6 Analysis of distribution characteristics of dominant phylum and their correlation with environmental factors and metabolic function

3 討論

3.1 糞源輔料促進(jìn)料堆堆肥品質(zhì)及其微生物學(xué)機(jī)制

相比于單一物料自然堆肥，多種原料復(fù)配進(jìn)行共堆肥通?？梢源龠M(jìn)堆肥物料的降解并提高堆肥的品質(zhì)，這得益于共堆肥體系下微生物總量的多樣化和適合微生物生長的養(yǎng)分更加全面。本試驗(yàn)結(jié)果表明，豬糞的添加促進(jìn)了物料嗜熱期的酶活性和有機(jī)物質(zhì)的生物降解率，進(jìn)而加速堆體腐熟并提高產(chǎn)品肥效。已有研究也表明，蚓糞的接種顯著增加了麥秸料堆早期Firmicutes 和Betaproteobacteria 的相對(duì)豐度，改善了關(guān)鍵種的生存環(huán)境，并且增加了與碳水化合物代謝、氨基酸代謝和能量代謝相關(guān)基因的相對(duì)豐度。MENG 等研究發(fā)現(xiàn)，在菌糠和稻殼的共堆肥中豬糞的添加提高了堆體（假單胞菌屬）的多樣性和和的相對(duì)豐度，這些菌群在促進(jìn)堆肥基質(zhì)有效降解和降低物料植物藥害性上發(fā)揮著重要作用。此外，碳水化合物代謝和氨基酸代謝處于細(xì)菌群落代謝功能譜的中心環(huán)節(jié)，細(xì)菌在嗜熱期常分泌多種水解酶用于底物的生物降解。本研究發(fā)現(xiàn)添加豬糞提高了嗜熱期菌群的代謝能力并促進(jìn)了有機(jī)碳的分解。對(duì)此相應(yīng)潛在的微生物機(jī)制可能是：作為能源和碳源的氨基酸在堆肥物料降解過程中產(chǎn)生，一方面氨基酸被微生物攝取助其活性的提高，另一方面氨基酸提前參與腐殖質(zhì)的合成并改善堆肥養(yǎng)分狀況。

3.2 糞源輔料對(duì)堆肥土著菌群的影響及其影響因素

據(jù)報(bào)道，新鮮豬糞攜帶了高豐度的Firmicutes、、、和優(yōu)勢(shì)生理群，進(jìn)而對(duì)茄果類秸稈堆肥過程中的土著菌群造成顯著影響。因此，相比于E 處理，可能來源于豬糞的___在E-PM 處理嗜熱期顯著富集（＜0.05）。除此之外，嗜熱期Proteobacteria 和Chloroflexi的相對(duì)豐度同樣在E-PM 處理中較高，而Firmicutes 的相對(duì)豐度卻有所下降。據(jù)報(bào)道，Proteobacteria、Chloroflexi 和均有效參與木質(zhì)纖維素的生物降解途徑并使料堆品質(zhì)提高，這些高代謝活性的微生物生理群可能在E-PM 處理的早期顯著促進(jìn)了堆體有機(jī)質(zhì)的降解。在堆肥后期，豬糞的添加顯著增加了、___和的 相 對(duì) 豐度，但由于堆體腐熟度的差異使E-PM 處理的菌群代謝活力和酶活性低于E處理。此外，包含多種植物病原菌的的相對(duì)豐度在E-PM 處理顯著低于E處理，表明添加豬糞有助于提升后期產(chǎn)品的安全性。相關(guān)性分析表明，關(guān)鍵的菌群代謝功能譜主要由Proteabacteria 和Chloroflexi 主導(dǎo)，并且這些微生物物種的生長代謝受到水分、pH 和全磷含量的調(diào)控。譬如堆體pH 的變化會(huì)改變養(yǎng)分的有效性，進(jìn)而影響Proteabacteria 和Chloroflexi 的豐度。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)豬糞的添加降低了堆體嗜熱期的pH 以及Firmicutes 的相對(duì)豐度，先前研究表明低pH 可減少氨揮發(fā)并降低Firmicutes 與氨氣排放兩者之間的正相關(guān)關(guān)系，因而解釋了E-PM 處理在第2 天至第9 天料堆全氮含量顯著高于E處理的原因。

3.3 糞源輔料調(diào)控菌群代謝功能譜

碳水化合物代謝和氨基酸代謝為微生物的生長提供了能源和碳源，并高效驅(qū)動(dòng)著堆肥基質(zhì)中木質(zhì)纖維素的分解和腐殖質(zhì)的合成。本試驗(yàn)結(jié)果表明，豬糞的添加極大地促進(jìn)了嗜熱期堆體微生物群落中與碳水化合物代謝和氨基酸代謝相關(guān)的序列豐度，其有利于茄果類蔬菜廢棄物有機(jī)物質(zhì)的降解和腐殖質(zhì)的合成。β-葡萄糖苷酶（EC：3.2.1.21）、β-半乳糖苷酶（EC：3.2.1.23）、α-淀粉酶（EC：3.2.1.1）、寡-1，6-葡萄糖苷酶（EC：3.2.1.10）、纖維素酶（EC：3.2.1.4）、內(nèi)切-β-1，4-木聚糖酶（EC：3.2.1.8）和葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)酶（EC：5.3.1.9）與生物聚合物、纖維素及半纖維素的降解密切相關(guān)。輔酶420-0 氫化酶（EC：1.12.98.1）通常促進(jìn)甲烷的生成，而甲烷單加氧酶（EC：1.14.13.25）、腺苷硫酸鹽還原酶（EC：1.8.99.2）和硫化氫還原酶（EC：1.8.99.3）促進(jìn)甲烷的氧化。通過PICRUSt預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在嗜熱期與有機(jī)質(zhì)降解相關(guān)功能酶的序列豐度和與甲烷氧化相關(guān)功能酶的序列豐度在E-PM 處理中均大幅提高，這進(jìn)一步表明豬糞添加不僅有利于物料基質(zhì)的快速降解，而且有利于甲烷的減排。隨著堆肥的進(jìn)行，E-PM 處理在第23天和第38天的菌群代謝活性和堆體酶活性均低于E處理（圖3 和圖4a）。本研究認(rèn)為動(dòng)物糞便的添加提前促進(jìn)了堆體的腐熟，因此微生物菌群活性在堆體穩(wěn)定時(shí)并未表現(xiàn)較高的水平，這與在麥秸堆肥系統(tǒng)中蚓糞添加抑制了后期微生物菌群的碳源代謝活性相一致。由于物料氮硫轉(zhuǎn)化顯著影響著堆體質(zhì)量，后續(xù)的研究一方面應(yīng)更關(guān)注工藝上的優(yōu)化（如超高溫堆肥），并積極探索在豬糞與蔬菜秸稈復(fù)混體系下通過光譜及電鏡技術(shù)研究氮素與硫素等相關(guān)環(huán)境廢氣減排機(jī)制，另一方面應(yīng)聯(lián)合運(yùn)用多組學(xué)的手段解析物料中復(fù)雜生物有機(jī)物質(zhì)的降解途徑。

4 結(jié)論

（1）添加豬糞有效增加了茄果類蔬菜廢棄物早期堆肥中Proteobacteria 和Chloroflexi 的相對(duì)豐度，進(jìn)而促進(jìn)了堆肥升溫，延長嗜熱期，最終顯著提高產(chǎn)品的安全性。

（2）豬糞的加入能夠有效提高堆體嗜熱期細(xì)菌群落的代謝活性及有機(jī)質(zhì)的降解率，促進(jìn)堆體的快速腐熟。