《Science of The Total Environment》：Shaping soil fungal communities: How swine waste treatment systems and geography drive fungal community shifts
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猪粪有机肥处理系统对土壤真菌群落的影响研究。采用metagenomic方法分析巴西五个州43个猪场样本，发现CLB（厌氧消化）和BSP（好氧稳定）系统对废料中真菌多样性影响不显著，但显著改变土壤真菌群落结构，CLB系统中Sugiyamaella lignohabitans丰度特高，Fusarium和Rhizophagus呈相反响应。地理和土壤理化性质是真菌群落分异的主因。
卡米拉·迪尔（Camila Diehl）| 加布里埃拉·梅克尔·布雷耶尔（Gabriela Merker Breyer）| 玛里亚娜·科斯塔·托雷斯（Mariana Costa Torres）| 卡米拉·罗萨娜·瓦登（Camila Rosana Wuaden）| 拉奎尔·雷贝拉托（Raquel Rebelatto）| 简娜伊娜·帕斯托雷（Janaina Pastore）| 罗德里戈·达·席尔维拉·尼科洛索（Rodrigo da Silveira Nicoloso）| 马西奥·多恩（Marcio Dorn）| 贾卢萨·迪昂·基奇（Jalusa Deon Kich）| 弗朗西埃莱·马博尼·西凯拉（Franciele Maboni Siqueira）
南里奥格兰德联邦大学（Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS）兽医学院临床病理学系兽医细菌学实验室，地址：巴西里约格兰德州阿雷格里市（Porto Alegre）阿格罗诺米亚区（Bairro Agronomia），本托·贡萨尔维斯大道（Avenida Bento Gon?alves）9090号，42704号楼
摘要
将猪粪作为有机肥料在可持续农业中是一种重要的做法。本研究旨在评估两种常见的猪粪处理系统——覆盖式泻湖生物消化器（Covered Lagoon Biodegester, CLB）和废物稳定池（Waste Stabilization Pond, WSP）对土壤中真菌群落结构的影响。样本来自巴西五个州的养猪场，这些地区具有不同的气候、土壤类型和植被。我们采用了宏基因组学方法来分析样本中的真菌群落。研究结果表明，使用猪粪作为肥料并未显著影响真菌群落的整体多样性，尽管在施肥和未施肥的土壤之间观察到了群落组成的差异。值得注意的是，仅从废物稳定池样本中检测到了属于的真菌。这表明这种环境可能有利于与木质纤维素降解相关的真菌类群。此外，Fusarium和Rhizophagus这两个真菌属对施肥的反应相反：Fusarium在施肥土壤中更为丰富，而Rhizophagus的丰度则有所下降。还观察到了真菌群落组成的地理变异，这种变异与土壤的物理化学性质相关。这些发现表明，在我们的数据集中，废物处理系统对废物样本中的真菌多样性影响较小，而使用猪粪作为肥料则会导致真菌群落组成的显著变化，尤其是在分类结构方面。
引言
将猪粪用作肥料在农业中是一种常见做法，尤其是在那些旨在减少合成肥料使用和减轻环境影响的系统中（Hollas等人，2023年）。猪粪富含氮、磷和钾等必需的常量和微量营养素，这些元素可以促进植物生长（ASHRAF等人，2023年；Yuan等人，2024年）。此外，猪粪还为土壤提供了有机物质，改善了土壤结构，增强了保水能力，并刺激了微生物活动（ASHRAF等人，2023年；Yuan等人，2024年）。
在巴西，通常采用两种处理系统来实现这一目的：覆盖式泻湖生物消化器（Covered Lagoon Biodegester, CLB）和废物稳定池（Waste Stabilization Pond, WSP）（Kunz等人，2009年）。CLB系统是封闭结构，猪粪在其中进行厌氧消化，这一过程将有机物质转化为沼气和富含营养的固体副产品（Clarke和Alibardi，2010年）。这种消化途径通常会导致氧气供应减少，并将碳和氮转化为不同的化学形式，最终产生可用作肥料的物质（Giwa等人，2020年）。产生的沼气作为一种可再生能源，进一步提高了系统的可持续性（Ribeiro等人，2018年）。相比之下，WSP系统则是在富氧和温度受控的条件下进行堆肥处理的设施，产生的有机堆肥能够改善土壤结构和肥力（Deng等人，2023年）。由于WSP依赖有氧分解，它们可能更有利于与有机物质氧化相关的真菌类群（Bekoe等人，2018年；Semenov等人，2022年）。这两种系统在农场废物管理中发挥着关键作用，既减少了环境污染风险，又支持了更可持续的农业实践（Giwa等人，2020年；Kunz等人，2009年）。
土壤中的真菌群落在陆地生态系统中起着重要作用，它们通过分解有机物质、循环养分以及形成共生关系来促进土壤结构（Frac等人，2018年；Jin等人，2024年）。当土壤富含有机肥料（如来自猪粪的有机物质）时，微生物群落（包括真菌）的组成和多样性会发生显著变化（Schlatter等人，2023年；Yuan等人，2024年）。尽管人们对废物对真菌群落的影响尚未完全了解，但已知它能够改变这些群落的结构，使某些真菌属比其他属更占优势。这种动态非常重要，因为真菌不仅分解有机物质，还与植物形成共生关系，促进了磷和氮等必需养分的交换（Ashraf等人，2023年）。因此，维持真菌群落与其他微生物之间的平衡关系对于确保土壤的可持续性和肥力至关重要（Han等人，2022年；Sun等人，2017年）。尽管人们对可持续废物处理的兴趣日益增长，但大多数研究主要关注细菌群落对猪粪的反应，而很少研究真菌动态。此外，比较不同废物处理系统下的真菌群落的研究也很少，尤其是在结合广泛且环境异质性的采样设计的情况下。
猪粪处理系统的比较基于它们不同的分解机制，这些机制决定了最终产物的物理化学性质，从而影响了接收这些产物的土壤环境（Cheng等人，2020年；Liu等人，2024年）。不同的处理过程会产生特征性的养分谱、氧化还原条件、有机物质组成和残留的微生物输入，所有这些因素都作为生态过滤器影响真菌群落的组成（Cheng等人，2020年）。有氧和厌氧废物处理系统在氧气供应、分解途径和微生物群落方面存在根本差异，这些因素又决定了土壤微生物群落（包括真菌）所处的生化环境。厌氧系统有利于严格厌氧的细菌和古菌群落，这些群落负责水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成，将有机物质转化为挥发性脂肪酸、二氧化碳（CO?）和甲烷等还原产物（Cheng等人，2018年）。这些过程通常会导致部分稳定的有机化合物积累、较低的氧化还原电位以及氮形态的变化，这些条件会在有机物质施用于土壤后改变下游微生物的定殖（Cheng等人，2020年；Clarke和Alibardi，2010年）。相比之下，有氧处理依赖于依赖氧气的微生物途径，这些途径促进有机物质的更完全氧化、复杂聚合物的更大降解以及抑制性中间产物的减少积累（Bekoe等人，2018年；Deng等人，2023年）。除了处理方式本身的影响外，我们假设这两种废物处理系统会对土壤真菌群落施加不同的选择压力，即使总体多样性保持稳定，也会导致分类结构的可测量变化。此外，我们预计地理差异会进一步调节不同地点的真菌组成。因此，在本研究中，我们评估了使用来自不同处理方法（CLB和WSP）的猪粪对土壤真菌群落的影响。我们采用宏基因组学方法分析了来自巴西不同地区养猪场的土壤样本中的真菌群落，旨在探讨气候、土壤类型和植被等因素如何影响这些有机肥料对微生物群落结构的影响。此外，我们还研究了每种废物处理方法对这些农场废物样本中真菌群落结构的影响，并将这些影响与土壤施肥的结果进行了关联。这种综合设计使我们能够评估处理方式和生物地理因素对大规模且环境异质数据集中真菌群落动态的影响。
样本采集
样本来自三个不同地理区域的43个养猪场：20个使用WSP系统的农场位于巴西南部地区，包括南里奥格兰德州（Rio Grande do Sul, RS）和圣卡塔琳娜州（Santa Catarina, SC）；23个使用CLB系统的农场位于中部和南部地区，包括南马托格罗索州（Mato Grosso do Sul, MS）和戈亚斯州（Goiás, GO），以及东南部地区的米纳斯吉拉斯州（Minas Gerais, MG）（图1）。共有80个样本来自使用WSP系统的农场，92个样本来自...
施肥和废物处理系统对真菌多样性和群落组成的影响
我们对样本的整体结构进行了全面分析。我们发现，废物输入样本和输出样本之间的香农多样性指数（Shannon diversity index）没有显著差异（p值 = 0.77；图2a）。同样，未施肥土壤和施肥土壤之间的整体真菌群落结构也没有显著变化（p值 = 0.29；图2b），这表明土壤施肥并未显著影响真菌群落结构。
讨论
尽管许多研究表明土壤和猪粪环境中的细菌多样性发生了显著变化（He等人，2019年；Torres等人，2024年；Zheng等人，2022年），但由于真菌的生态重要性，它们仍然相对被忽视。本研究的结果显示，不同类型的废物处理系统和地理位置导致了真菌群落的显著差异。
结论
本研究表明，像CLB和WSP这样的废物处理系统对废物样本中的真菌多样性影响有限，尽管某些真菌属的丰度在不同系统之间可能会发生变化。另一方面，使用WSP系统进行的施肥在改变土壤真菌组成方面更为有效。地理变异和土壤物理化学性质的差异在塑造真菌群落结构中起着关键作用。
作者贡献声明
卡米拉·迪尔（Camila Diehl）：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、研究实施、数据分析、概念化。加布里埃拉·梅克尔·布雷耶尔（Gabriela Merker Breyer）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论设计、研究实施、数据分析、概念化。玛里亚娜·科斯塔·托雷斯（Mariana Costa Torres）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论设计、研究实施、数据分析、概念化。卡米拉·罗萨娜·瓦登（Camila Rosana Wuaden）：资源获取、研究实施、概念化。拉奎尔·雷贝拉托（Raquel Rebelatto）：资源获取、研究实施
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家科学技术发展委员会（CNPq）——关于猪粪处理过程在控制农业系统中抗微生物药物耐药性传播方面的贡献（项目编号：408693/2022-3和386063/2024-9），以及巴西农业研究公司（EMBRAPA，猪和禽类部门的支持。FMS获得的CNPq资助编号为305939/2022-0。
