外源微生物菌剂调控功能基因与细菌群落动态降低农业秸秆堆肥中N2O排放的机制研究

为解决农业堆肥过程中N2O排放导致的氮素损失和温室效应问题，研究人员通过接种嗜热菌（THB）和分解剂（DPA），探究其对堆肥理化性质、功能基因（如amoA、nirS）及细菌群落（如Proteobacteria）的调控机制。结果表明，THB+DPA联合接种可使N2O排放降低50.8%，并通过改变氮循环功能基因表达和微生物群落结构优化堆肥过程，为农业废弃物资源化及温室气体减排提供理论支持。

　　

随着中国果蔬种植面积的扩大，农林废弃物堆积引发的环境问题日益严峻。堆肥虽能实现废弃物资源化，但其过程中释放的强效温室气体N₂O（全球增温潜势为CO₂的265-298倍）不仅加剧气候变化，还导致堆肥氮素损失。N₂O的产生与硝化（ammonia oxidation）和反硝化（denitrification）过程密切相关，其中功能基因如氨单加氧酶基因（amoA）、亚硝酸盐还原酶基因（nirS）及微生物群落（如Proteobacteria）起关键作用。尽管已有研究尝试通过添加矿物或生物炭减少N₂O排放，但外源微生物菌剂因其低成本、高效且无二次污染的特性，成为更具潜力的调控手段。

为此，来自湖南的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，以瓜果蔬菜秸秆和蘑菇渣为原料，接种嗜热菌（Geobacillus kaustophilus复合菌，THB）和商业分解剂（含Bacillus subtilis和Aspergillus oryzae，DPA），通过监测堆肥温度、氮形态转化、功能基因丰度及细菌群落结构，揭示微生物菌剂对N₂O排放的调控机制。研究采用定量PCR分析功能基因（amoA、nxrA、nirS等），结合高通量测序和偏最小二乘路径模型（PLS-PM），解析多因素交互作用。

主要研究结果

1. 温度与氮转化动态：THB+DPA处理（T3）使堆体最高温度达67°C，延长高温期，NH₄⁺-N和NO₃^--N含量显著降低，减少氮损失底物。
2. N₂O减排效果：THB单独接种（T1）和THB+DPA联合接种（T3）分别减少N₂O排放33.3%和50.8%。
3. 功能基因调控：amoA基因丰度与N₂O排放呈极显著正相关（P<0.001），Proteobacteria作为关键功能基因宿主，显著影响nxrA和nirS表达（P<0.01）。
4. 微生物群落演变：接种菌剂提升Bacteroidota相对丰度，抑制反硝化菌活性，从而降低N₂O生成。

结论与意义
该研究证实外源微生物菌剂通过三重路径实现N₂O减排：①直接优化堆肥理化性质（如延长高温期）；②调控功能基因（如抑制amoA表达）；③重塑细菌群落结构（如富集Proteobacteria和Bacteroidota）。THB+DPA联合接种的协同效应尤为突出，为农业废弃物堆肥的绿色升级提供了可推广的技术方案。研究成果不仅深化了对堆肥氮循环微生物机制的理解，也为全球温室气体减排目标提供了科学依据。