陸曉林，楊玉欣，2，洪春來(lái)，朱為靜，朱鳳香，姚燕來(lái)，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(zhǎng)，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(guó)蔬菜類廢棄物年產(chǎn)生量超過(guò)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(wèn)題。茄果類蔬菜作物富含維生素、酚和抗氧化劑等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在我國(guó)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(zhǎng)。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(guó)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(kāi)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(zhǎng)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(lái)預(yù)測(cè)堆肥過(guò)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(guò)調(diào)控新陳代謝的多樣性來(lái)促進(jìn)自身的生長(zhǎng)，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(guò)測(cè)定堆肥過(guò)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(guò)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(jiàn)表1，均符合堆肥要求。將物料混勻后制堆，長(zhǎng)×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(guò)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(guò)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(guó)）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(kù)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(kù)用來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)顯著影響。

表2 堆肥過(guò)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(jiàn)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)。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(zhǎng)（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(zhǎng)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(guò)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(guò)程中的土著菌群造成顯著影響。因此，相比于E 處理，可能來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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。