集約化農(nóng)牧業(yè)發(fā)展加劇了畜禽糞便和作物秸稈大量堆積造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題。當(dāng)前,有機(jī)廢棄物的無害化處理正在成為世界范圍內(nèi)一個嚴(yán)峻的問題。好氧堆肥是一個微生物主導(dǎo)的將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程,是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物資源持續(xù)利用的重要途徑。生活生產(chǎn)中,常通過好氧堆肥的方式克服單一秸稈堆肥含水率低、孔隙度大等缺陷,將其轉(zhuǎn)化為高值農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料(如食用菌栽培),從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)養(yǎng)分供應(yīng)、改善基質(zhì)生態(tài)、促進(jìn)作物生長。為此,大型真菌種質(zhì)資源與綠色發(fā)展專題攻關(guān)組以通用生物技術(shù)升級和綠色發(fā)展為目標(biāo),進(jìn)行生物質(zhì)廢棄物清潔轉(zhuǎn)化和高值利用研究。
研究利用鏈霉菌-芽孢桿菌合成菌劑(Streptomyces-Bacillus Inoculant,SBI)進(jìn)行牛糞、玉米秸稈堆肥發(fā)酵,以提高有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化效率,減少氨氣等臭味氣體的排放。通過分析堆體理化性質(zhì)(碳氮養(yǎng)分循環(huán)、pH、溫度)、酶學(xué)性質(zhì)(脲酶、過氧化氫酶、纖維素降解酶、木質(zhì)素降解酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶)和微生物群落(細(xì)菌、真菌)的演替規(guī)律,構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation model, SEM),確定引起堆體微生物群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因子,探討高效綠色堆肥發(fā)酵的微生物機(jī)制。
在為期40天的好氧堆肥后,發(fā)現(xiàn)SBI能有效縮短堆肥腐熟時間,高溫期從15天縮短至8天。添加SBI顯著增加了堆肥總氮含量(+47%)和N-還原酶活性(硝酸鹽還原酶:+60%;亞硝酸鹽還原酶:+219%),加快了有機(jī)物質(zhì)的營養(yǎng)轉(zhuǎn)換,增加氮源并提升堆肥產(chǎn)品的肥效,減少了氨氣排放。同時,SBI的加入提升了纖維素分解菌Cupriavidus(+89%),Sorangium (+87%)和固氮菌Agrobacterium (+72%),Pseudomonas (+23%)的相對豐度,并改變了堆肥過程中的C-、N-代謝途徑,促進(jìn)了碳氮轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)腐熟。SEM分析表明,真菌群落對環(huán)境因素的響應(yīng)弱于細(xì)菌,在堆肥過程中,快速繁殖的細(xì)菌群落受到易得營養(yǎng)物質(zhì)的顯著影響,而真菌群落則受到纖維素酶和脲酶的更嚴(yán)格調(diào)控。

圖1 SBI介導(dǎo)牛糞、玉米秸稈共堆肥的養(yǎng)分循環(huán)和微生物群落演替

圖2 堆肥理化性質(zhì)和微生物(a: 細(xì)菌;b:真菌)多樣性的SEM
該工作強(qiáng)調(diào)了SBI加入對植物殘體和牛糞共發(fā)酵的積極影響,經(jīng)過好氧堆肥,牛糞和玉米渣在一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化下形成腐殖質(zhì)產(chǎn)物,這些物質(zhì)肥力穩(wěn)定,富含氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和有益微生物。作為一種高效的有機(jī)質(zhì)在基質(zhì)(如土壤)中適當(dāng)施用,可以影響微生物的多樣性和豐富度,改善孔隙結(jié)構(gòu),增加肥力,減少農(nóng)藥和化肥使用,提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)。
文章以Enhancing C and N turnover,functional bacteria abundance,and the efficiency of biowaste conversion using Streptomyces-Bacillus?inoculation為題在國際經(jīng)典權(quán)威期刊Journal of Environmental Management上發(fā)表。周紫嫣為論文第一作者,劉棟、于富強(qiáng)為論文共同通訊作者。研究得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)(XDA26050302)、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國西南野生生物種質(zhì)資源庫、云南省“興滇英才”青年項目(YNQR-QNRC-2019-025)和云南省科技創(chuàng)新計劃(202205AD160036)的支持。