科研 | 生物炭影响稻草堆肥过程中微生物群落的演替和代谢功能（国人作品）
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生物炭作为一种良好的增溶剂，具有良好的稳定性，降低堆肥过程中氨气排放等优点。为了探究稻草堆肥过程中细菌群落组成的演替规律及不同生物炭改良剂对腐熟堆肥品质影响，作者添加不同生物炭改良剂，采用小麦和玉米秸秆进行为期42天堆肥处理。通过研究发现添加生物炭可以影响堆肥过程中微生物群落结构和代谢特性，其中，显著增加了Actinobacteria门的相对丰度以及其中的Saccharomonospora属的相对丰度，同时，随着生物炭的加入，与氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢有关的细菌基因丰度也随之增加。这些结果表明，生物炭的添加提高了堆肥产品的成熟度和肥力，并显著地影响了堆肥过程中的微生物群落结构和功能。
论文ID
原名：Biochar influences the succession of microbial communities and the metabolic functions during rice straw composting with pig manure
译名：生物炭影响稻草堆肥过程中微生物群落的演替和代谢功能
期刊：Bioresource Technology
IF：5.807
发表时间：2018年
通信作者：Xiuwen Qiu
通信作者单位：九江学院
实验内容
1 堆肥过程中温度的变化
不同原料的理化参数如表1所示。整个堆肥过程中不同处理的温度在堆肥初期均快速上升，其中空白组在第5天进入第一次高温期，但仅持续了2天，而处理组在第3天进入高温期并持续了5-6天。小麦秸秆生物炭处理组（WB）和玉米秸秆生物炭处理组（MB）最高温出现在第5天，分别为59.8°C和61.2°C，随后在第6天下降，在13天时进入第二次高温期，此时WB和MB两组最高温持续了3-4，最高温分别为54.8°C和57.8°C，显著高于空白组（最高温为49.4°C）。这些结果表明，生物炭的加入提高了温度，并保持了较长的高温期。
表1 不同原料理化性质
图1 堆肥过程中种子发芽指数（GI），电导率（EC），pH以及温度的变化
2 堆肥过程中不同理化参数的变化
在pH变化方面，如图1所示，CK，WB和MB的初始pH值分别为6.8，6.9，7.3，在堆肥前7天，由于有机酸的消耗，三组样本pH值逐渐升高，但随后由于有机酸的产生导致pH值下降，到堆肥末期，CK，WB和MB得pH值分别为6.1，6.2，6.9。
在电导率（EC）方面，WB和MB的初始电导率在5.3-5.6ms cm-1范围内（图1），在堆肥初期（前7天），由于NH4+和NO3ˉ的转化，两组的EC呈现下降趋势，但随后升高。而空白组中EC值变化与处理组不同，其EC值在初始阶段增加但随后逐渐降低。整个堆肥过程中，WB和MB的EC值均低于CK，由于EC的增加会对土壤和植物产生植物抑制作用[1]，而添加生物炭降低了堆肥样本中的EC值，由此认为添加生物炭可以有效的提高堆肥品质。
在种植发芽指数（GI）方面（图1），随着堆肥进行，所有实验组中的GI指数均表现出增加的趋势。和空白组相比，添加生物炭的处理组显著提高了GI值。在堆肥结束时WB，MB以及CK的GI值分别为84%，89%和66%。基于GI指数我们发现，添加生物炭后，可以更快地获得质量更佳的腐熟堆肥。
在可溶性有机碳（DOC）变化方面（图2），堆肥初期（第1天），CK，WB以及MB的DOC分别为24.6，17.6和16.6 g kg-1。到堆肥第21天时，WB和MB的DOC分别下降到5.6和4.4 g kg-1，并显著低于空白组。生物炭可作为微生物的C源，促进微生物对有机物的降解[2]，此外生物炭具有高阳离子交换量和多孔性的特点[3]，可以增加微生物活性，从而增加DOC分解。此外DOC在前21天快速分解也有可能是由于堆体高温所导致。
在总氮以及NO3ˉ变化方面（图2），添加生物炭的处理组其TN含量显著高于空白，截止到堆肥末期，WB，MB和CK的TN含量分别为2774，3142和1775 g kg-1。处理组TN在培养初期先升高，随后快速下降，这可能是由于高温所导致。NO3ˉ在培养初期三组实验中先缓慢升高，随后在第21天时在处理组中快速上升。由于硝化细菌在高温会受到抑制[4]，因此研究预测硝化作用主要发生在21天后的成熟阶段。添加生物炭可解释NO3ˉ含量较高的原因，即生物炭为硝化细菌以氨为底物生产硝酸盐提供了适宜的环境[5]。
图2 堆肥过程中DOC，TN，NO3-的变化
3 生物炭处理对细菌群落的影响
通过测序共获得288294条序列，以97%相似性作为阈值，共获得10130个不同的OTU序列。从多样性指数可以发现，添加生物炭的处理组中其细菌多样性显著高于空白组（表2）。在整个堆肥过程中，Firmicutes，Actinobacteria以及Proteobacteria为主要细菌门（图3a）。
Firmicutes在第21天时在所有样本中为主要优势细菌门（78.27 - 96.94%），但在培养末期时其相对丰度有所下降（20.36 - 60.76%）。Firmicutes被认为可以在高温期形成耐热的内生孢子[6]，因此其相对丰度在21天时有所上升，但在42天时下降。在Firmicutes中，由于纤维素的降解[7]，Bacillaceae科在第21天时在所有样本中均为优势细菌科。
除了Firmicutes外，Actinobacteria为另一个优势细菌门（图3a）。堆肥21天时其相对丰度在WB 和MB组中分别为20.64%和9.90%，而在CK组中仅为1.24%。Actinobacteria被认为是堆肥过程中对有机底物的分解具有良好的效果[8-9]，因此截止到堆肥42天时，Actinobacteria成为WB 和MB组中主要优势细菌门，相对丰度分别为63.27%和45.31%。截止到堆肥42天时，在Actinobacteria细菌门中Thermomonosporaceae，Nocardiopsaceae和Pseudonocardiacea为主要优势细菌科。此外在属水平上，Actinomadura，Saccharomonospora在处理组中显著高于空白组（图3b）。
此外，Proteobacteria相对丰度在培养初期较低，随后逐渐升高（图3a）。截止到堆肥末期（42 d），其相对丰度在WB（14.6%）和MB（8.20%）中要高于CK（7.4%）。Proteobacteria在降解堆肥过程中植物秸秆具有关键性的作用[10]，此外，Proteobacteria细菌门中很多细菌被认为与C，N循环相关[6]，因此，添加生物炭可以通过调节秸秆堆肥过程中微生物的生长，影响堆肥的碳氮转化。
表2 不同堆肥处理中微生物OTU数及多样性指数
图3 堆肥过程中门水平（a）及属水平（b）上细菌群落变化。图中列出前10种主要细菌，其中CK21代表空白样本21天数据，WB21代表小麦秸秆生物炭处理的样本21天数据，MB21代表玉米秸秆生物炭处理的样本21天数据。CK42代表空白样本42天数据，WB42代表小麦秸秆生物炭处理的样本42天数据，MB42代表玉米秸秆生物炭处理的样本42天数据。
4 堆肥过程中微生物代谢功能
基于KEGG代谢通路进行预测发现，多数代谢通路被注释到代谢（44.58-54.54%），基因信息处理（14.61-18.80%），环境信息处理（13.67-18.07%）以及细胞进程（1.82-4.85%）（图4a-b）。其中添加生物炭的两组处理都显着地增加了氨基酸代谢和碳水化合物代谢相关序列的丰度，说明添加生物炭后，具有氨基酸代谢能力的细菌数量增加，导致氨基酸的产生和腐殖质的合成加速[11]。
此外，在level 3水平上，对比CK组中，WB和MB处理组中丁酸、乙醛酸和丙酸盐代谢的序列丰度相对丰度增加。同时，在整个过程中，WB和MB中与谷氨酸、亮氨酸、赖氨酸和异亮氨酸降解相关的基因丰度以及与甘氨酸、丝氨酸、精氨酸和脯氨酸代谢有关的基因丰度均高于对照（图4c-d）。基于以上数据可以推测，生物炭的添加可以提高蛋白质的合成和微生物的活性。此外，对比与空白组，添加生物碳还增加了参与能量代谢的基因的丰度，包括原核生物的固碳途径（1.10-1.24%）、甲烷代谢（1.05-1.10%）。
图4 基于功能预测对堆肥过程中细菌功能谱的变化分析。A，B分别代表21天及42天生化代谢途径，C，D分别代表21天及42天在level3水平上的正交函数对20种代谢功能丰度的预测。
5 细菌群落结构与环境因子的关系
实验结果表明，细菌群落结构与环境因子之间存在显著的相关性。基于Spearman相关性分析得分从最高到最低如下：TN(P< 0.001)，pH(P< 0.001), 温度(P<0.001)，NO3ˉ(P< 0.05)和DOC(P< 0.05)。基于CCA分析发现，WB和MB与CK具有不同的的分散类群（图5）。添加生物炭可提高堆肥的全氮含量和pH值，从而影响堆肥的细菌群落组成。此外，有机肥和生物炭可以提高一些寡营养生物利用难降解有机物的活性，因此，我们所观察到氮含量与细菌群落组成之间的紧密联系不足为奇。除氮含量外，pH等其它特征还与细菌群落结构有关，其中WB和MB与pH相关性更大。从图5 中可以发现，主要细菌门与环境因子(如TN、pH)之间存在相关关系。其中Bacteroidetes，Proteobacteria和Gemmatimondetes与pH密切相关，表明在堆肥过程中，添加生物炭可能影响堆肥进程或通过影响pH值进而影响堆肥进程。
图5 堆肥参数影响的CCA分析。
网络边缘主要由强的正相关组成，其中主要的OTU分属于Firmicutes，Actinobacteria和Alphaproteobacteria（图6a）。总氮与一些特定的分类群有很大的关联，生物碳的加入使某些分类群显着地富集。根据图6可以发现，在堆肥过程中TN与Saccharomonospora呈极强的负相关关系，由于Saccharomonospora可以将酚类化合物水解成无毒的产物[12]，因此说明TN可以影响堆肥过程中Saccharomonospora的解毒作用。此外，TN与Firmicutes中的Bacillaceae中一个成员表现出显著的负相关关系，同时与Bacillales中的两个成员表现出非线性关系（图6b）。上述结果表明，土壤养分含量与细菌群落有很强的相关性，特别是添加生物炭堆肥显著富集了一些特定的类群。
图6 细菌与堆肥参数之间的网络分析。灰实线、蓝实线和红破折线分别表示强正线性(r>0.8)、强负线性(r<−0.8)和强非线性(MIC-ρ2>0.8)关系。有颜色的节表示相应的微生物，其中图a表示堆肥过程中共生富集的微生物类群，b表示与TN相关子网络图，图中1，2，3，4，5分别表示Saccharomonospora，unclassified Bacillaceae，unclassified Bacillales，Saccharomonospora以及unclassified Bacillales
结 论
本研究表明，生物炭的添加对稻草堆肥的不同理化性质有显著的影响，并提高了稻草堆肥的稳定性和肥料效率。处理组中，MB的最高温度、TN浓度和GI值均优于WB。此外，MB由于其丰富的基本养分供应而表现出比WB更高的微生物多样性。微生物群落的潜在功能在WB和MB堆肥中表现出相似的模式。同时，在堆肥过程中，TN浓度对细菌群落组成的影响最大。
评 论
秸秆的直接燃烧等不当的处理方式，不仅会造成环境污染同时会造成资源浪费，堆肥化进程可以有效的对农业废弃物进行资源化再利用，同时，在堆肥过程中通过添加生物炭可以有效降低氨气的排放。作者在堆肥过程中添加不同的生物炭，基于高通量测序对堆肥过程中微生物多样性及微生物代谢进行分析。通过分析发现，添加生物炭可以通过对堆肥过程中微生物造成影响，提高蛋白质的合成和微生物的活性，进而有效的提高腐熟堆肥的稳定性及品质。基于作者的研究，揭示堆肥过程中添加生物炭对细菌群落和代谢功能的影响，为今后有效提高腐熟堆肥品质提供数据支撑。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
参考文献（本部分参考文献均采自文章原文）：
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