丁建莉,魏丹,金梁,李艷,李樵,吳凱
(北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所,北京100097)
我國每年有9.8億t作物秸稈產(chǎn)生,其中有2.3億t是蔬菜秸稈,蔬菜秸稈和其他作物秸稈最大的區(qū)別是含水量較高、易腐爛,快速資源化利用是解決問題的出路,既解決環(huán)境問題,又充分利用資源。廢棄物肥料化技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)廢物資源化利用的重要技術(shù)之一[1]。國內(nèi)大多數(shù)有機(jī)肥料產(chǎn)品達(dá)到無害化標(biāo)準(zhǔn)需發(fā)酵15~20 d,而優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料發(fā)酵一般需要45~60 d。腐質(zhì)化周期長是堆肥技術(shù)主要瓶頸[1]。傳統(tǒng)堆肥工藝周期長、肥效差,因此亟需縮短發(fā)酵周期、提高腐解品質(zhì)。好氧發(fā)酵過程實質(zhì)是大分子有機(jī)質(zhì)在微生物作用下分解為小分子并形成腐殖質(zhì)的過程。因此,研究快速好氧發(fā)酵過程中有機(jī)物料的微生物群落結(jié)構(gòu)變化,對研究有機(jī)物料快速肥料化具有非常重要的指導(dǎo)意義。
近幾年來關(guān)于有機(jī)物料肥料化過程中微生物群落變化的報道很多,主要是基于宏基因組學(xué),通過高通量測序技術(shù)更精準(zhǔn)、更大通量地解析堆肥生境中群落結(jié)構(gòu)變化。2013 年,F(xiàn)arage 等[2]首次利用高通量測序技術(shù)分析堆肥生境微生物總DNA,獲得3×106條序列,揭示變形菌門的乳酸桿菌在研究樣本中的優(yōu)勢地位,從此拉開對堆肥生境中高效降解菌群及相關(guān)功能基因資源的新認(rèn)識。López-gonzález 等[3]發(fā)現(xiàn)堆肥過程中微生物群落多樣性最高的階段是中期。王秀紅等[4]應(yīng)用高通量測序技術(shù),從門水平上解析了玉米條垛式好氧發(fā)酵過程起關(guān)鍵作用的細(xì)菌菌群。大量報道采用Illumina Miseq 高通量測序研究廢棄物堆肥微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性及其功能[5-6]。然而,宏基因組技術(shù)只能檢測樣本中種群的存在性,而宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)在研究原位微生物功能、發(fā)掘活性微生物資源方面具有天然的技術(shù)優(yōu)勢。
宏轉(zhuǎn)錄組以研究復(fù)雜環(huán)境原位功能微生物總RNA 為研究對象,因此表征的特定微生物處于生理活性狀態(tài)。因此,與宏基因組相比較,宏轉(zhuǎn)錄組具有原位研究的優(yōu)勢[7]。宏轉(zhuǎn)錄組分析采集環(huán)境樣品,提取總RNA,反轉(zhuǎn)錄為cDNA,然后借助二代測序?qū)DNA 進(jìn)行測序。近年來宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)廣泛應(yīng)用到海洋和土壤等生境研究[8],但應(yīng)用宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)分析有機(jī)物料好氧發(fā)酵的微生物群落變化的報道鮮見。本研究以蔬菜秸稈快速腐熟樣品為研究對象,借助宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù),分析活性微生物群落結(jié)構(gòu)變化,旨在更精準(zhǔn)地分析好氧發(fā)酵過程中微生物種群結(jié)構(gòu)變化,為解析發(fā)酵過程中起關(guān)鍵作用的微生物菌群、進(jìn)一步改善發(fā)酵工藝、提高腐殖化效率提供指導(dǎo)依據(jù)。
收集北京市農(nóng)林科學(xué)院院內(nèi)溫室種植的西紅柿秸稈為原料,前期收集的西紅柿秸稈曬到半干狀態(tài),再收集新鮮的西紅柿秸稈,兩者混合一起粉碎至3~5 cm,干濕西紅柿秸稈混合物含水量72.41%。發(fā)酵用牛糞取自北京昌平區(qū)中國農(nóng)機(jī)院生態(tài)農(nóng)業(yè)科技園養(yǎng)牛場,牛糞為半風(fēng)干狀態(tài),含水量50.23%。
有機(jī)廢棄物原料按照一定配比充分混合,C/N 在25~30,含水量控制在55%~60%。借助臥式生物好氧反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行發(fā)酵(哈爾濱華美億豐復(fù)合材料有限公司),設(shè)備容積6 m3,裝料量4 m3左右。設(shè)備參數(shù)設(shè)置:溫度低于40 ℃時,每12 h 通風(fēng)補(bǔ)氧20 min;40~50 ℃時,每8 h 通風(fēng)補(bǔ)氧20 min;當(dāng)50~69 ℃時,每6 h通風(fēng)補(bǔ)氧20 min;當(dāng)溫度高于69 ℃,持續(xù)通風(fēng)補(bǔ)氧。參照文獻(xiàn)Zhu 等[9]和Saludes 等[10]把發(fā)酵進(jìn)程劃分為4個不同時期(升溫期、高溫期、降溫期、腐熟期,在本文中分別縮寫為SW、GW、JW、HS)進(jìn)行取樣,取樣前轉(zhuǎn)動罐體5 min,從罐體前、中、后3 個位置取樣混合均勻;再次轉(zhuǎn)動5 min 后,再次從3 個位置取樣;如此反復(fù)取3 次樣品。每個時期取3 個平行樣品,共12 個樣品。樣品一部分測定理化指標(biāo)和用于發(fā)芽試驗,另一部分-80 ℃保存,待分子生物學(xué)分析。
按照有機(jī)物料與水1∶10 的比例混合,1 h 振蕩并靜止后,檢測pH 值。干燥失重法測定含水量。罐體內(nèi)3個不同部位設(shè)有3個溫度計,每隔1 h采集溫度一次。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機(jī)質(zhì),凱氏定氮法測定全氮[11]。速效磷采用鉬銻抗比色法測定[12]。銨態(tài)氮測定使用靛酚藍(lán)比色法;硝態(tài)氮測定采用紫外分光光度法[13]。發(fā)芽指數(shù)(Germination index,GI)測定參照宋春麗[11]的方法。
使 用PowerSoil?Total RNA Isolation Kit(MoBio)試劑盒,提取樣品總RNA,每個樣品取2 g 用于RNA提取試驗,按試劑盒說明書進(jìn)行操作。上述樣品轉(zhuǎn)錄組總RNA 反轉(zhuǎn)錄后的cDNA 作為模板,利用微生物16S rRNA 基因V3~V4 區(qū)通用引物338F/806R[14-15](引物序列338F:5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′;806R:5′ -GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)進(jìn) 行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)條件如下:94 ℃5 min;94 ℃30 s,55 ℃30 s,72 ℃60 s,30個循環(huán);72 ℃7 min。PCR 產(chǎn)物通過瓊脂糖凝膠電泳和NanoDrop 分析確保樣品總RNA 無污染。取RNA 樣品使用試劑1st Strand cDNA Synthesis Kit(TaKaRa)反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。將反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA 樣品送至北京奧維森基因科技有限公司應(yīng)用Illumina MiSeq平臺測序。
使用SYBR Green 定量PCR 法測定16S rRNA 基因,反應(yīng)在ABI 7500Real-time PCR(ABI,USA)儀器上進(jìn)行,具體方法參照文獻(xiàn)[16]。
利用QIIME軟件對原始序列經(jīng)過去除引物接頭、序列拼接、指控過濾等分析處理之后得到有效數(shù)據(jù)。所有高質(zhì)量序列在97%相似度水平進(jìn)行分析,得到不同操作分類單位(Operational taxonomic unit,OTU)。參照Greengenes 數(shù)據(jù)庫,對OUT 進(jìn)行注釋。應(yīng)用Mothur軟件分析樣品細(xì)菌Alpha多樣性指數(shù)。
采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,使用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,使用CANOCO 5.0 對理化因子和細(xì)菌群落組成進(jìn)行典范對應(yīng)分析(CCA)。
圖1 好氧發(fā)酵溫度變化曲線圖Figure 1 Curve of aerobic fermentation temperature change
好氧發(fā)酵過程中,堆體發(fā)生復(fù)雜的生化反應(yīng)產(chǎn)生自熱效應(yīng),溫度升高越快,說明微生物活性越強(qiáng),有機(jī)質(zhì)降解的速度越快。堆溫取決于環(huán)境溫度、堆體初始溫度和微生物活性。升溫期又叫中溫期,嗜溫微生物活躍;本研究工藝條件下,50 h左右進(jìn)入高溫期,嗜熱微生物主導(dǎo);溫度升至70 ℃以上時,絕大多數(shù)嗜熱微生物失活,有機(jī)物降解緩慢,開始降溫。蔬菜秸稈好氧發(fā)酵不同時期溫度變化曲線見圖1,進(jìn)罐時物料平均溫度為30 ℃,第1 次取樣溫度在45 ℃左右;溫度到達(dá)55 ℃之后至最高溫期間進(jìn)行第2 次取樣;第3 次取樣是降溫期,溫度在45~50 ℃;溫度降到40 ℃左右,趨于穩(wěn)定后進(jìn)行第4次取樣。
發(fā)酵體系內(nèi)理化因子隨著發(fā)酵進(jìn)程的推進(jìn)發(fā)生了差異性變化(見表1),如有效磷和硝態(tài)氮,除了升溫期較高,其余3 個時期未發(fā)生顯著變化;速效鉀除了降溫期,總體呈現(xiàn)增加趨勢。pH 值是影響微觀環(huán)境微生物活性的重要環(huán)境因素之一,堆肥最適pH 為6.5~8.5;高溫期pH 在7.5~8.5 范圍時,微生物分解能力最強(qiáng);腐熟時pH 一般呈弱堿性,在8~9 左右。本研究好氧發(fā)酵蔬菜秸稈的升溫期pH 值為6.26,腐熟時pH 為8.58(表1),符合腐熟堆肥的一般要求。pH 基本呈現(xiàn)從低到高的變化趨勢,可能是因為升溫期微生物反應(yīng)劇烈,產(chǎn)生了大量有機(jī)酸,但隨著試驗條件下通氧充分,有機(jī)酸揮發(fā)使得pH 值逐漸上升;另外,高溫期之后,可能由于物料中微生物分解半纖維素、纖維素和蛋白質(zhì)等有機(jī)物形成了弱堿性物質(zhì),導(dǎo)致pH 上升。發(fā)芽指數(shù)值能有效表征種子生根對堆肥有機(jī)物料的植物毒性物質(zhì)的響應(yīng),能夠反映堆肥腐熟程度,也是較為可靠的生物學(xué)指標(biāo)。發(fā)芽指數(shù)(發(fā)酵初期為61.81%)隨著發(fā)酵時間的增加而增加,腐熟階段達(dá)到94.11%,說明快速好氧發(fā)酵蔬菜秸稈廢棄物達(dá)到了無害化。
表1 不同發(fā)酵時期物料理化因子和發(fā)芽指數(shù)Table 1 Physicochemical factors and GI of organic materials during the different fermentation periods
蔬菜秸稈快速發(fā)酵不同發(fā)酵時期的有機(jī)物料樣品16S rRNA 基因豐度測定結(jié)果如圖2 所示,基因拷貝數(shù)在(2.16~9.88)×1011copies·g-1之間變化,高溫期的基因豐度最高(9.88×1011copies·g-1),升溫期的最低,高溫期比升溫期高出7.72×1011copies·g-1。而降溫期和腐熟期差異不顯著,分別是3.12×1011copies·g-1和3.28×1011copies·g-1。高溫期的基因豐度是升溫期的4.57倍,是降溫期的3.17倍。
高通量Illumina MiseqTM測序16S rRNA 基因分析,經(jīng)過片段拼接和質(zhì)控過濾后,獲得蔬菜秸稈發(fā)酵4 個時期樣品的有效序列覆蓋度均達(dá)到99%以上(表2),說明本研究的測序深度可用于描述整個蔬菜秸稈廢棄物快速好氧發(fā)酵條件下,處于生理活性狀態(tài)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化情況。表2 為基于97%的相似水平分析有效序列的多樣性,不同時期的Chao1 指數(shù)和Shannon 指數(shù)沒有顯著性差異。只有Simpson 指數(shù)不同處理之間存在顯著差異,升溫期Simpson 指數(shù)最低(0.83),即多樣性最高,降溫期(0.87)次之;高溫期(0.92)和腐熟期(0.95)多樣性相對較低。
圖2 不同發(fā)酵時期16S rRNA 基因豐度拷貝數(shù)Figure 2 Copy numbers of 16S rRNA gene during the different fermentation periods detected by real-time PCR
表2 不同發(fā)酵時期微生物多樣性指數(shù)變化分析Table 2 Microbial diversity during the different fermentation periods
在蔬菜秸稈快速好氧發(fā)酵的4 個時期,菌群門類隨著發(fā)酵時間變化逐漸發(fā)生演替變化。在4 個時期,主要優(yōu)勢菌門均是厚壁菌門(Firmicutes),但是相對豐度變化很明顯,升溫期、高溫期、降溫期、腐熟期的相對豐度分別是61.65%、94.37%、95.16%、89.23%。升溫期的放線菌門(Actinobacteria)相對豐度高于變形菌門(Proteobacteria);但高溫期和降溫期正好相反;而腐熟期的第2 高菌門和第3 高菌門分別是Pro?teobacteria 和擬桿菌門(Bacteroidetes)。軟壁菌門(Tenericutes)雖不是優(yōu)勢菌門,但隨著發(fā)酵進(jìn)程的推進(jìn)而發(fā)生了顯著的變化(圖3),從升溫期的0.02%,逐漸升高到0.21%。
整個發(fā)酵期間共檢測到16 個菌門,76 個目,221 個菌屬,挑選4 個不同時期代表性細(xì)菌菌屬74個,相對豐度分析如圖4 所示。不同發(fā)酵時期都存在的菌屬45 個,而主要菌屬(至少在3 個時期相對豐度大于0.1% 的)有13 個,主要是海洋芽孢桿菌屬(Oceanobacillus)、喬治菌屬(Georgenia)、高溫雙岐菌屬(Thermobifida),Sinibacillus、嗜鹽菌屬(Halocella)、Vulgatibacter,Caldicoprobacter、芽孢桿菌屬(Bacillus)等。在升溫期優(yōu)勢菌屬是Oceanobacillus和Gracilibacillus,相對豐度均大于18%;在高溫期與降溫期優(yōu)勢菌屬是Oceanobacillus和Sinibacillus,相對豐度均大于7%;而腐熟期Sinibacillus的相對豐度最高(大于30%以上)。升溫期相對豐度較高,且存在其他時期極低或未檢出的菌屬,如Salinimicrobium、Enteractinococcus、Glycomyces、Truepera。Sinibacillus隨著發(fā)酵時間推移發(fā)生顯著差異變化,相對豐度在升溫期、高溫期、降溫期、腐熟期分別是3.45%、7.31%、9.79%、31.89%。Ba?cillus在升溫期僅有0.91%,而在高溫期和降溫期均達(dá)4%以上,腐熟期又降到2.43%。Caldicoprobacter在升溫期和高溫期均低于0.8%,而降溫期升高到1.56%,腐熟期降到1.07%。Moheibacter在前3 個時期均低于0.3%,但腐熟期豐度達(dá)到1.2%以上,是增幅較大的菌屬。
圖3 不同發(fā)酵時期細(xì)菌群落優(yōu)勢菌門及相對豐度Figure 3 Bacterial community composition and relative abundance of dominant phylum during different fermention periods
通過CCA 分析不同時期樣品細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與理化因子之間的關(guān)系(圖5),發(fā)現(xiàn)高溫期與降溫期的群落結(jié)構(gòu)最相似,升溫期與其他幾個時期的群落結(jié)構(gòu)相距最遠(yuǎn)。參與分析的環(huán)境因子合計解釋量為90.0%,說明理化因素顯著影響好氧發(fā)酵過程中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu),Axis 1 和Axis 2 排序軸解釋量分別為57.14%和23.30%。各個因子影響順序:pH>速效鉀>有機(jī)質(zhì)>硝態(tài)氮>總氮>有效磷>銨態(tài)氮,其中pH 解釋量為54.0%(P=0.006),速效鉀解釋量為17.9%(P=0.004)。由此可知,發(fā)酵體系中的pH 變化是影響體系內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素,也是影響發(fā)酵速率的關(guān)鍵因素之一,在發(fā)酵工藝過程中調(diào)控發(fā)酵體系pH,可能是提高發(fā)酵速率的一個有效途徑。
圖4 不同發(fā)酵時期物料細(xì)菌群落主要菌屬組成及相對豐度Figure 4 Bacterial community composition and relative abundance at genus level during different fermentation periods
圖5 不同發(fā)酵時期微生物群落與理化因子的CCA分析Figure 5 CCA analysis between physic-chemical parameters and microorganisms
通過定量PCR 技術(shù)分析16S rRNA 基因豐度,可知不同時期細(xì)菌豐度存在顯著差異,高溫期細(xì)菌豐度顯著高于其他時期,是升溫期的4.6 倍。研究結(jié)果表明隨著溫度的升高,細(xì)菌生長能力增強(qiáng),在高溫期達(dá)到峰值;隨著發(fā)酵進(jìn)程的推進(jìn),部分嗜溫細(xì)菌將會死亡,所以降溫期細(xì)菌豐度明顯低于高溫期;而降溫期和腐熟期的細(xì)菌豐度相對穩(wěn)定。Tang 等[17]借助醌類圖譜法研究牛糞和稻草堆肥時也發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后期細(xì)菌數(shù)明顯低于高溫期的現(xiàn)象。微生物數(shù)量的變化可以間接地表征堆肥腐熟度,可作為參考指標(biāo)[18],本研究發(fā)酵過程中微生物數(shù)量經(jīng)歷了從低到高,再由高降低,最后趨于穩(wěn)定的變化過程,對應(yīng)的有機(jī)物料在微生物作用下,經(jīng)歷了一個快速腐解的變化過程。
與宏基因組相比,宏轉(zhuǎn)錄組具有原位研究的優(yōu)勢[7],本研究基于宏轉(zhuǎn)錄組分析,挖掘原位活性微生物。細(xì)菌多樣性變化的分析結(jié)果表明,Chao1 指數(shù)、Shannon 指數(shù)不同溫度時期差異性不大,這與滑留帥等[19]在研究牛糞發(fā)酵過程中細(xì)菌多樣性分析結(jié)果一致。而Simpson 指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)升溫期的多樣性最高,隨著溫度升高多樣性降低,當(dāng)高溫期到降溫期時,細(xì)菌多樣性再次升高,到腐熟階段多樣性逐漸降低。徐小楠[20]和郭亞萍等[21]研究發(fā)現(xiàn)堆肥不同時期微生物的多樣性總體趨勢是從高到低,腐熟階段的多樣性指數(shù)最低,這與本研究結(jié)果(總體趨勢是高-低-高-最低)基本一致,活性細(xì)菌菌群多樣性變化結(jié)果顯示,隨著溫度升高只有耐高溫細(xì)菌有活性,所以高溫階段活性細(xì)菌多樣性指數(shù)有所下降,宏轉(zhuǎn)錄組分析相對傳統(tǒng)方法研究結(jié)果更有針對性,溫度的變化促使活性細(xì)菌菌群多樣性在不斷演變。
不同發(fā)酵時期,有機(jī)物料中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化,不同時期的相對豐度最高的菌門均為Firmicutes,但豐度值差異很大,這一發(fā)現(xiàn)與牛糞秸稈堆肥體系中應(yīng)用高通量測序技術(shù)檢測到升溫期和高溫期最高優(yōu)勢菌門均為Proteobacteria 的結(jié)果不同[22],這種不同可能是分析手段不同所致,報道是基于DNA 水平分析,而本研究方法基于RNA 水平。此外,F(xiàn)irmicutes 更適合高溫,在快速發(fā)酵體系內(nèi),代謝活性較強(qiáng),在纖維素降解過程中發(fā)揮著重要作用[23]。Pro?teobacteria 是各時期優(yōu)勢菌門,但在各時期的地位存在一定差異,這個發(fā)現(xiàn)與王秀紅等[4]研究結(jié)果相同。Bacteroidetes 在4 個階段,經(jīng)歷了升高到減少、再升高的變化,在腐熟階段成為優(yōu)勢菌門。Ma 等[24]報道在豬糞和小麥秸稈堆肥發(fā)酵過程中Firmicutes、Proteo?bacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Tenericutes 和芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)6 個優(yōu)勢菌門,在本研究中Gemmatimonadetes 不是優(yōu)勢菌門,可能與發(fā)酵的原料不同有關(guān)系,也可能是因為宏基因組檢測到的優(yōu)勢菌門在活性細(xì)菌中并非優(yōu)勢菌門。非優(yōu)勢菌門在數(shù)量上也發(fā)生著成倍數(shù)的增減變化,比如Tenericutes的相對豐度在腐熟期是高溫期的10.5倍,說明菌群結(jié)構(gòu)隨著發(fā)酵進(jìn)程推進(jìn)發(fā)生著群落演替?;趯偎椒治霭l(fā)現(xiàn)菌屬類別和相對豐度也發(fā)生了顯著差異變化。研究發(fā)現(xiàn)在蔬菜秸稈快速好氧發(fā)酵過程中,Oceanobacillus是優(yōu)勢菌屬,前人研究發(fā)現(xiàn)Oceanoba?cillus具有分泌嗜堿胞外酶和特殊活性脂肪酸的潛力[25],蔬菜秸稈有機(jī)物料腐解過程pH 分析結(jié)果表明,發(fā)酵體系處于Oceanobacillus菌屬適合生長的弱堿性環(huán)境,利于此菌屬發(fā)揮分泌特殊的有機(jī)酸和酶類的作用,因此可能加速發(fā)酵進(jìn)程和提高腐殖化程度,但具體還需要進(jìn)一步研究驗證。以后可嘗試把此菌屬作為腐熟劑接種到有機(jī)物料堆肥體系中。通過對不同發(fā)酵時期的菌群結(jié)構(gòu)分析,為提高發(fā)酵速率和有機(jī)物料腐熟品質(zhì)方面的研究提供理論依據(jù)。
通過對蔬菜秸稈快速好氧發(fā)酵過程中活性細(xì)菌菌群豐度、多樣性、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析,可知菌群數(shù)量、多樣性、組成和相對豐度均有顯著變化。細(xì)菌數(shù)量在高溫期最高,升溫期最低;細(xì)菌多樣性除Simpson 指數(shù)外,其余指數(shù)總體差異性不顯著;不同時期豐度最高的菌門均為Firmicutes,但相對豐度差異顯著;不同時期菌屬組成和相對豐度之間有明顯差異,升溫期存在其他時期檢測不到的菌屬;通過CCA 分析可知pH是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因子。