细菌在鸡粪堆肥过程中通过外源添加剂的资源分配策略，以减少二氧化碳排放并提高碳转化效率

《Environmental Research》：Bacterial resource allocation strategies to reduce CO 2 emission and enhance carbon conversion by exogenous additives in chicken manure composting

堆肥过程中添加malonic acid（MA）和biochar（BR）可显著降低CO?排放（分别减少33.1%和37.9%），通过调控细菌群落结构及资源利用策略促进有机碳转化与腐殖质合成。MA通过抑制TCA循环关键酶（如琥珀酸脱氢酶）将碳流导向腐殖质前体，BR则通过物理吸附和微环境优化增强功能菌群活性。二者均扩大了关键菌属的丰度，并重塑了微生物协同网络，其中稀有物种在腐殖质合成相关途径中发挥核心作用。研究揭示了添加剂通过差异化的代谢调控和微环境优化机制影响碳转化效率的生物学原理。

　　近年来，随着农业和畜牧业的快速发展，有机废弃物的产生量日益增加。其中，畜禽粪便作为一种重要的有机资源，其处理方式直接影响到资源的循环利用以及生态环境的保护。传统的堆肥技术虽然能够有效降解有机物并形成腐殖质，但在实际应用中存在一些问题，例如碳损失过多、堆肥周期较长、腐殖质含量偏低等，这些因素在一定程度上限制了堆肥技术的效率和可持续性。因此，研究如何通过外源性添加剂优化堆肥过程，提高腐殖质合成效率，成为当前环境科学和微生物学领域的重要课题。

本研究聚焦于两种常见的外源性添加剂——丙二酸（MA）和生物炭（BR），探讨它们在堆肥过程中对有机碳转化和腐殖质合成的促进作用。通过分析微生物群落结构的变化和资源利用策略，揭示这两种添加剂在不同阶段对堆肥系统的影响机制。研究结果表明，与对照组（CK）相比，MA和BR的添加显著降低了二氧化碳（CO?）的排放量，分别减少了33.1%和37.9%。这一变化不仅有助于减少温室气体的排放，还对提高堆肥质量具有积极作用。

微生物群落的结构和功能在堆肥过程中起着至关重要的作用。在MA和BR处理组中，微生物群落表现出不同的特性。MA通过抑制特定的代谢途径，改变了微生物之间的相互作用，从而提高了资源的利用效率。BR则通过优化微生物的生长环境，促进优势菌群的增殖，减少微生物之间的竞争，使微生物能够更有效地参与有机物的分解和腐殖质的形成。这种差异性的调控机制使得两种添加剂在堆肥系统中发挥了不同的作用。

在研究过程中，我们利用共现网络分析和腐殖质合成相关的微生物群落特征，发现添加剂的引入不仅改变了微生物群落的组成，还增加了关键微生物的种类和数量。这些关键微生物在堆肥过程中起到了重要的作用，有助于提高腐殖质的合成效率。此外，通过Mantel检验和Procrustes分析，我们进一步发现稀有微生物在腐殖质合成过程中也具有不可忽视的作用。这表明，在堆肥系统中，无论是优势菌群还是稀有菌群，都对腐殖质的形成和质量提升做出了贡献。

本研究的发现为理解外源性添加剂在堆肥系统中的作用提供了新的视角。通过分析不同添加剂对微生物群落结构和功能的影响，我们不仅揭示了其在有机碳转化和腐殖质合成中的具体机制，还为优化堆肥技术提供了理论依据。研究结果表明，丙二酸和生物炭在不同的环境条件下具有不同的作用效果，它们通过不同的方式影响微生物的代谢活动和群落组成，从而达到提升堆肥质量的目的。

此外，本研究还关注了微生物在堆肥过程中的生存策略。微生物群落中存在一些具有广泛适应性的“一般主义者”和一些对特定环境条件高度敏感的“专门主义者”。一般主义者能够在变化的环境中保持较高的生存和繁殖能力，而专门主义者则更容易受到环境变化的影响，但它们在特定的生态位中具有较强的竞争力。这种生存策略的差异性，使得微生物群落在堆肥过程中能够动态调整，以适应不同的资源利用需求和环境条件。

在实际应用中，如何确定最优的添加剂添加比例，是一个关键问题。研究表明，生物炭和丙二酸在堆肥中的添加比例因它们的物理和化学特性而有所不同。生物炭需要较高的添加比例（例如5%-15%）才能充分发挥其物理结构优化和吸附作用，而丙二酸则在较低的添加比例（例如0.5%-1%）下就能有效调节微生物的代谢活动。这种差异性的添加策略，使得两种添加剂在不同的堆肥阶段能够发挥不同的作用，从而达到最佳的处理效果。

本研究还发现，微生物群落的多样性对于堆肥过程的稳定性具有重要影响。在MA和BR处理组中，微生物群落的多样性较对照组有所提高，这表明添加剂的引入有助于促进微生物的协同作用，增强堆肥系统的稳定性。此外，微生物群落的多样性还与腐殖质的合成效率密切相关，这为优化堆肥技术提供了新的思路。

通过本研究，我们不仅揭示了外源性添加剂在堆肥过程中的作用机制，还为提高堆肥质量提供了科学依据。研究结果表明，丙二酸和生物炭在不同的环境条件下具有不同的作用效果，它们通过不同的方式影响微生物的代谢活动和群落组成，从而达到提升堆肥质量的目的。这些发现对于推动堆肥技术的发展，提高有机废弃物的资源利用效率，以及减少环境污染具有重要意义。

本研究的结论表明，外源性添加剂能够有效重塑微生物群落，促进与腐殖质合成相关的微生物增殖，并提高有机碳的转化效率。丙二酸通过调节微生物的代谢活动和群落结构，将碳流向向腐殖质合成的方向引导；而生物炭则通过优化微生物的生长环境，促进腐殖质合成相关微生物的积累，从而提高堆肥质量。这些机制的发现，不仅有助于理解外源性添加剂在堆肥系统中的作用，还为优化堆肥技术提供了理论支持。

在实际应用中，如何根据不同的环境条件和资源利用需求，选择合适的添加剂及其添加比例，是提高堆肥效率的关键。本研究通过实验分析，揭示了不同添加剂对微生物群落结构和功能的影响，为优化堆肥系统提供了科学依据。这些研究成果可以为农业和环境管理部门提供参考，帮助他们在实际操作中更好地利用外源性添加剂，提高堆肥的资源利用效率和环境效益。

此外，本研究还强调了微生物群落的动态变化对于堆肥过程的重要性。微生物群落的结构和功能在堆肥过程中不断调整，以适应不同的资源利用需求和环境条件。这种动态变化不仅有助于提高堆肥效率，还对维持堆肥系统的稳定性具有重要作用。因此，深入研究微生物群落的动态变化，对于优化堆肥技术具有重要意义。

综上所述，本研究通过实验分析和理论探讨，揭示了外源性添加剂在堆肥过程中的作用机制，为提高堆肥质量提供了科学依据。研究结果表明，丙二酸和生物炭在不同的环境条件下具有不同的作用效果，它们通过不同的方式影响微生物的代谢活动和群落组成，从而达到提升堆肥质量的目的。这些发现不仅有助于理解外源性添加剂在堆肥系统中的作用，还为优化堆肥技术提供了理论支持，对推动农业可持续发展和环境保护具有重要意义。