基于原生嗜热微生物的鸡粪土壤生物改良剂生物技术潜力研究

《Bacteria》：Biotechnological Potential of Native Thermophilic Microorganisms for Creating a Soil Biomeliorant from Poultry Manure Zanilov Amiran Khabidovich, Dudarov Zalim Islamovich, Aznaeva Milana Radievna, Taov Rustam Kharunovich and Dudarova Dinara Gumarbievna

本研究针对鸡粪堆肥效率与品质提升的需求，研究人员从黑钙土中分离鉴定了一系列嗜热/耐热功能微生物菌株，系统评估了它们在鸡粪好氧固态发酵（堆肥）过程中对有机质降解、腐殖化、氮素转化及产物生物改良性能的影响。结果表明，特定功能菌株可显著优化堆肥进程，提高细颗粒比例、腐殖酸和全氮含量，并增强最终堆肥产品的土壤生物改良能力。该研究为开发高效、定向的鸡粪生物堆肥技术提供了关键菌种资源和理论支持。

　　

禽畜养殖业每年产生大量粪便，鸡粪便是其中一种极具农用价值的副产品。然而，其传统处理方式或直接施用常面临效率低、养分损失、环境污染及潜在卫生风险等问题。如何将这类有机废弃物高效、清洁地转化为高价值的土壤改良剂或肥料，是农业可持续发展领域的一大挑战。堆肥（composting）是主流处理技术之一，但其进程缓慢、产物品质不一。近年来，利用特定功能微生物（bioagents）来“定制”和优化堆肥过程，已成为一个热门研究方向。那么，从特定环境中筛选出的本土微生物，是否能在鸡粪堆肥中扮演“高效催化剂”的角色，定向改善堆肥产物的理化与生物肥力呢？这正是发表于《Bacteria》上的这项研究试图解答的核心问题。

为了探究这一问题，研究人员从俄罗斯卡巴尔达-巴尔卡尔共和国长期施肥观测点的普通黑钙土中，分离并鉴定了一系列具有特定功能的嗜热（thermophilic）或耐热（thermotolerant）细菌菌株。研究通过设计严谨的堆肥实验，系统比较了添加不同功能菌株（包括纤维素降解菌、固氮菌、硝化菌）对鸡粪堆肥过程及产物品质的影响，并深入分析了堆肥产物的生物改良潜力。

研究采用了几个关键技术方法：首先，研究者从普通黑钙土中分离了目标功能菌株，包括嗜热纤维素降解菌、嗜热固氮微生物和硝化细菌，并进行了生理生化鉴定与分子鉴定（基于16S rRNA基因序列）。其次，研究设置了田间规模的堆肥试验堆，将不同功能菌株的培养液分别喷施于鸡粪中进行好氧固态发酵，并通过机械翻堆控制进程。再次，研究创新性地采用了分级评估法，将最终堆肥产物按粒径（≤0.25 mm, 0.5 mm, 1.0 mm, ≥2.0 mm）筛分，并分别分析各粒级中有机碳、腐殖酸、全氮、矿质氮等指标。最后，通过盆栽试验评估了不同粒级堆肥对黑钙土的生物改良效应，核心指标为土壤微生物生物量碳和蔗糖酶（invertase）活性。

研究结果如下：

3.1. 分离微生物的培养与生理生化特性

所有分离菌株均为革兰氏阳性菌，分属五个不同属，包括纤维素降解菌株Aeribacillus pallidusKCTC 3564^T，固氮菌株Neobacillus sedimentimangroviFJAT-2464^T、Aeribacillus compostiN.8^T、Caldifermentibacillus hisashiiN-11^T，以及硝化菌株Acinetobacter pittiiCIP 70.29^T和Pseudomonas plecoglossicidaNBRC 103162^T。它们表现出不同的酶活性和最适生长温度。

3.2. 有机质的破碎程度

所有测试菌株均能显著提高堆肥中细颗粒（≤0.25 mm 和 0.5 mm）的比例，表明它们促进了有机质的物理破碎。硝化菌对提高细颗粒比例的效果最为显著。

3.3. 按粒级划分的有机质矿化作用

添加微生物菌株加速了各粒级中有机碳的矿化。硝化菌在所有粒级中均导致有机碳含量显著降低（降幅21.7%至36.9%），表明其强烈的矿化促进作用。

3.4. 按粒级划分的有机质腐殖化作用

腐殖酸（HA, humic acids）的积累因菌株和粒级而异。在最小粒级（≤0.25 mm）中，硝化菌和固氮菌处理的腐殖酸含量最高。在计算了各粒级贡献的总腐殖酸量后，硝化菌在≤0.25 mm粒级、固氮菌在0.5 mm粒级显示出最大积累效应。

3.5. 堆肥各粒级中的全氮含量

固氮菌在≤0.25 mm粒级中使全氮含量提升了20.2%。在计算总氮储量时，固氮菌处理的总氮含量最高（19.73 kg/t）。研究强调，结合粒级比例计算总养分含量（kg/t）能更真实地反映堆肥的肥料价值，相关分析也证实了该方法的优越性。

3.6. 微生物对矿质氮含量的影响

固氮菌能最有效地提高堆肥中总矿质氮含量。硝化菌虽然降低了总矿质氮和铵态氮含量，但显著提高了硝态氮的比例，尤其是在大颗粒（≥2.0 mm）中，这有助于减少以氨气形式损失氮的风险，对气候有利。

3.7. 各堆肥粒级的生物改良特性

评估了堆肥对土壤微生物生物量碳（MBC, microbial biomass carbon）和蔗糖酶活性的影响。在添加最小粒级（≤0.25 mm）堆肥时，固氮菌和硝化菌处理的土壤MBC和蔗糖酶活性均显著高于对照组，显示出最佳的生物改良潜力。纤维素降解菌的效果则相对有限，在某些情况下甚至表现出抑制作用。

研究结论与讨论表明，使用特定的功能微生物菌株（生物制剂）可以定向调控鸡粪生物堆肥过程中的物质转化方向，从而改善最终产品的品质。具体而言，这些菌株能提高有机质的破碎（降解）程度、促进特定粒级中的腐殖化、优化氮素的分布与形态，并最终增强堆肥产物对土壤的生物改良能力。其中，固氮菌和硝化菌在提升堆肥产物的生物活性方面表现突出。研究还方法学上证明，基于粒级分布来评估堆肥质量（如计算各粒级养分贡献的总量）是一种更可靠、信息更丰富的监测手段，其揭示的参数间相关性远优于传统的整体分析。该研究不仅为开发高效的鸡粪生物堆肥技术提供了有潜力的本土菌种资源，也为堆肥工艺的优化和产品质量评估提供了新的视角和理论依据。未来研究可聚焦于探索这些菌株的最佳施用顺序和时间间隔，以进一步优化堆肥进程。