微生物接种调控牛粪-棉秆堆肥中细菌与自养群落组装以促进碳封存与腐殖化

为解决畜牧业废弃物污染及堆肥过程中碳损失与腐殖化效率低的问题，研究人员通过接种多功能微生物菌剂（TG组），探究其对堆肥中细菌与含cbbL自养（CCA）群落组装的影响。结果表明，接种显著提升β-葡萄糖苷酶、乙酰-CoA合成酶（ACS）等酶活性，最终使总有机碳（TOC）和腐殖质（HS）含量分别增加11.8%和14.8%，并通过调控关键类群（如norank_f_A4b和Paracoccus）驱动群落组装。该研究为定向提升堆肥碳封存与腐殖化效率提供了理论依据。

　　

畜牧业快速发展带来的粪便污染已成为中国农村面源污染的重要来源，尤其在新疆地区，牛粪与棉秆混合堆肥面临有机质矿化无序、碳损失严重及腐殖化效率低等挑战。传统堆肥过程中，微生物群落结构不稳定且功能不可控，导致温室气体（如CO₂和CH₄）排放增加，而腐殖质（HS）形成不足。如何通过微生物调控实现碳的高效固定与定向转化，成为堆肥技术优化的关键。

针对这一问题，新疆农业科学院微生物应用研究所的研究人员开展了一项创新研究，通过接种多功能微生物菌剂（含Sphingobacterium sp S09、Klebsiella sp N107和Paenibacillus illinoisensis SJ36），系统分析了其对牛粪-棉秆堆肥中细菌与含cbbL自养（CCA）群落的影响。研究发现，接种显著提升了β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶（PPO）等关键酶活性，并降低了18.3%的CO₂和30.6%的CH₄累积排放。最终，总有机碳（TOC）和腐殖质（HS）含量分别提高11.8%和14.8%，且腐殖酸（HA）与富里酸（FA）比值（HA/FA）增加8.3%，表明碳封存与腐殖化效率显著提升。该成果发表于《Environmental Technology》，为农业废弃物资源化提供了新思路。

研究采用以下关键技术方法：1）基于实时荧光定量PCR（qPCR）定量功能基因（如cbbL、pmoA）；2）利用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA和cbbL基因测序；3）通过共现网络分析（MENA和Gephi）解析微生物互作；4）结合方差分解分析（VPA）和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）揭示环境因子与群落的因果关系。

3.1 成熟度参数
接种组（TG）在7天内进入高温期，且最终发芽指数（GI）达85.2%，显著高于对照组（CK）的75.5%，证实接种加速堆肥成熟并降低植物毒性。

3.2 温室气体与腐殖化过程
TG组累积CO₂和CH₄排放量分别降低18.3%和30.6%，且TOC损失率（10.5%）显著低于CK（18.6%）。HS含量在TG中始终高于CK，最终达116.0 g/kg，表明接种有效抑制碳损失并促进腐殖质合成。

3.3 碳代谢酶活性
TG组ACS和pmoA（甲烷氧化酶）活性显著提升，而mcrA（甲烷生成酶）活性受抑，解释了其减排效应。PPO和过氧化物酶（POD）活性增强则直接关联腐殖化进程。

3.4 功能基因定量
cbbL基因（编码核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶）丰度在冷却期达峰值，且TG组显著高于CK，表明接种促进自养固碳微生物增殖。

3.5 微生物群落多样性
PCA显示接种显著改变细菌与CCA群落结构。TG组细菌群落组装以确定性过程（60%）主导，而CCA群落则受随机过程（80%）驱动，且接种强化了两者的分异。

3.6 群落组装驱动因素
随机森林分析表明，TOC和HS是影响CCA群落的最主要因子（贡献度分别排名第一、第二），而细菌群落更受C/N和MC调控。

3.7 关键类群动态
norank_f_A4b（Chloroflexi门）和Paracoccus在TG组显著富集，前者与氮转化相关，后者参与甲醇氧化，协同促进碳固定。

3.8 微生物共现网络
TG组网络节点与连接数均高于CK，且模块化程度高（模块性>0.4）。Rhodospirillum（α-变形菌）作为关键类群，通过正互作增强群落稳定性。

结论与意义
该研究首次揭示了微生物接种通过双重调控细菌（确定性）与CCA（随机性）群落组装，促进堆肥碳封存与腐殖化的机制。TOC和HS作为核心驱动因子，通过影响CCA群落的α多样性与关键类群（如Paracoccus）重塑其组装过程。此外，细菌群落可能通过资源竞争间接调控CCA群落，这一发现为设计高效堆肥菌剂提供了新靶点。实践层面，研究证实接种可提升堆肥产物农用价值，同时减少温室气体排放，对推动畜牧业废弃物绿色处理具有重要意义。未来需进一步通过宏基因组学解析功能基因网络，并验证关键菌株的田间应用潜力。