《Microorganisms》：Effects of Exogenous Inoculation on Microbial Community Dynamics and Maturation Process in Cattle Manure Composting
Yufu Hu,
Yilin Yuan,
Sen Qi,
Shuaiqi Feng,
Jiamin Yin,
Zhuo Xin,
Hongyan Zhao,
Xin Wang and
Zongjun Cui
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本研究通过对比自研木质纤维素降解菌剂(MC1)与商用菌剂(BS1)，系统探究了外源微生物接种对牛粪-玉米秸秆混合堆肥过程的影响。结果表明，MC1菌剂可更有效地促进堆体提前进入高温期（>50°C），并通过富集关键微生物门（如子囊菌门(Ascomycota)、厚壁菌门(Firmicutes)）来加速木质纤维素降解，最终将堆肥腐熟周期缩短了8天，显著提升了农业废弃物堆肥的效率和品质。这为开发高效微生物菌剂以优化堆肥工艺提供了理论与技术依据。
1. 引言
随着畜牧业的快速发展，畜禽粪便的处理与资源化利用已成为关乎环境与农业可持续发展的重大挑战。全球每年产生的畜禽粪便近63亿吨，其中中国牛粪年产量就高达13.8亿吨，占全球总量五分之一以上。目前，对这类废弃物的处理多以堆积为主，易造成严重的水体、土壤和空气污染。因此，有效管理牛粪对推动中国畜牧业发展至关重要。微好氧堆肥是牛粪资源化利用的重要途径，其能促进粪便堆肥中木质纤维素的降解，并将其转化为腐殖质和养分。然而，牛粪和玉米秸秆中均含有大量难降解的有机碳成分，如木质纤维素组分（半纤维素、纤维素和木质素）。作为木质纤维素的主要组分，纤维素和半纤维素的降解是制约生物堆肥大规模工业应用的关键障碍。因此，增强木质纤维素的生物降解对于提高堆肥质量和效率具有重要意义。
2. 材料与方法
本研究在位于温带半湿润气候区的延边大学进行。以新鲜牛粪和玉米秸秆按3:1的质量比混合并充分均质化制备堆肥基质。设立三个处理组：不接种的对照组(CK)，以及分别接种自研木质纤维素降解复合菌剂(MC1)和商用微生物菌剂(BS1)的处理组。其中，MC1主要由变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、担子菌门(Basidiomycota)和放线菌门(Actinobacteria)的成员组成。商用菌剂BS1含有枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)(>1×1010CFU g?1)和酵母菌(>3×109CFU g?1)。每个堆体体积为2 m3，高约1米，在自然发酵条件下进行。堆肥过程持续49天，分别在初始阶段（第0天）、高温阶段（第21天）和腐熟阶段（第49天）采样，用于后续理化性质和微生物群落分析。每日监测堆体温度，并测定pH、电导率(EC)、有机质(OM)、总氮(TN)等多种理化参数，同时通过二代测序技术分析细菌和真菌的群落动态。
3. 结果
3.1. 堆肥过程中的温度变化
结果显示，接种外源微生物的处理组(MC1, BS1)性能均优于CK组。在升温阶段，各组温度均迅速上升。MC1处理组在第6天进入高温期(>50°C)，持续31天；BS1处理组在第7天进入高温期，持续30天。MC1和BS1处理组均在第37天进入降温期，比CK组早两天。MC1处理组比BS1处理组更快进入并维持了更长时间的高温期。
3.2. 堆肥过程中的理化性质变化
堆肥过程中，pH值呈现先下降后上升的趋势，最终形成弱碱性环境(7.5–8.2)。电导率(EC)先升后降，结束时各处理EC值均低于4 ms/cm的安全标准。有机质(OM)含量先增加后减少，MC1处理的OM分解率最高，达到BS1处理的1.44倍和CK对照的2.48倍。碳氮比(C/N)持续下降，堆肥结束时，MC1和BS1处理的C/N比均降至成熟标准20以下。MC1处理显著促进了OM分解，降低了C/N比，并增强了氮、磷等养分的保留与转化。
3.3. 堆肥过程中木质纤维素含量的变化
木质纤维素含量随发酵时间延长呈下降趋势。堆肥结束时(第49天)，MC1、BS1和CK组的木质纤维素降解率分别为46.25%、37.5%和29.8%。MC1处理组的降解率分别是BS1和CK组的1.23倍和1.55倍。纤维素和半纤维素的降解主要发生在升温和高温阶段，表明嗜热微生物在其分解中起关键作用。堆肥结束时，MC1处理的纤维素、半纤维素和木质素含量较堆肥前(第0天)分别降低了51.27%、56.23%和41.32%；BS1处理分别降低了66.51%、56.00%和17.07%；CK组则分别降低了33.69%、29.46%和28.65%。
3.4. 微生物群落的门水平组成分析
子囊菌门(Ascomycota)是整个堆肥过程中的优势真菌门。接种MC1和BS1显著提高了子囊菌门的相对丰度。外源微生物的添加同时增加了木质纤维素降解率，这与子囊菌门丰度的增加相伴发生，表明子囊菌门可能在堆肥过程中观察到的微生物群落动态中扮演重要角色。厚壁菌门(Firmicutes)在整个堆肥过程中也表现出较高的丰度。这些微生物具有耐热和嗜热特性，能在极端环境中生长，并在降解纤维素和半纤维素方面表现出卓越能力。在堆肥升温和高温早期(0–21天)，子囊菌门内的降解微生物分泌漆酶、锰过氧化物酶和过氧化物酶等胞外氧化酶系统，这些酶负责攻击和分解木质素复杂的芳环结构，从而暴露纤维素和半纤维素，促进以厚壁菌门为代表的纤维素降解菌的增殖。第21天时，MC1处理的子囊菌门丰度最高(44.31%)，而BS1和CK处理分别为28.6%和20.84%。
3.5. 结构方程模型分析
结构方程模型(SEM)分析表明，MC1对厚壁菌门(路径系数0.62, p<0.05)和子囊菌门(路径系数0.72, p<0.05)具有显著的正向驱动效应。BS1也对这两个菌门有显著正向驱动效应，但路径系数较低(分别为0.42和0.35)。这表明外源微生物添加优化了堆体内的微生物群落结构，促进了子囊菌门和厚壁菌门的富集。子囊菌门与纤维素(?0.45)、半纤维素(?0.30)和木质素(?0.68)含量呈显著负相关。厚壁菌门与纤维素(?0.51)和半纤维素(?0.31)呈显著负相关，而对木质素的影响不显著(?0.15)。SEM分析进一步揭示了子囊菌门在木质素降解中的核心作用。总之，木质纤维素降解菌剂MC1在木质纤维素降解性能上优于商用菌剂BS1。
4. 讨论
4.1. 堆肥过程中理化性质的变化
本研究发现，外源微生物的施用显著影响了堆肥过程中的理化性质，并促进了有机质(OM)转化，这与堆肥系统内微生物群落的动态变化密切相关。所有处理的pH值在7.5至8.2之间波动，为微生物生长提供了有利的弱碱性环境。pH值先降后升的现象与有机酸产生和氨化作用有关。各处理的OM含量总体呈现先增加后减少的趋势，这与前人研究结果一致。添加MC1菌剂表现出优于商用菌剂BS1的降解效果，这可能归因于所接种微生物更高的木质纤维素降解能力，加速了纤维素和半纤维素等顽固碳组分的分解。
4.2. 堆肥过程中木质纤维素的变化
木质纤维素是牛粪、玉米秸秆等堆肥基质中有机质的主要部分，本身不易被微生物降解。堆肥过程中，微生物活动通过分泌胞外酶（包括纤维素酶、半纤维素酶和木质素降解氧化酶）逐步分解木质纤维素组分。随着堆肥进行，所有处理的木质纤维素含量均下降，但处理间降解效率存在显著差异。商用菌剂BS1表现出强大的纤维素降解能力，这可能与含有枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)等能够分泌纤维素酶的纤维素分解菌有关。然而，BS1处理中观察到的木质素降解相对较低，表明其微生物群落缺乏高效的木质素分解微生物，限制了整体木质纤维素降解效率。相比之下，MC1处理显示出增强的木质素降解能力，表明可能存在能够产生木质素降解酶的微生物。在MC1处理中富集的子囊菌门成员，是已知能够产生漆酶和过氧化物酶等催化木质素氧化解聚的酶类的生产者。木质素的分解尤为重要，因为木质素形成了一个复杂的保护性基质，包裹着纤维素和半纤维素，限制了微生物对这些多糖的接触。因此，MC1处理中高效的木质素解聚很可能破坏了这种结构屏障，增加了纤维素和半纤维素对微生物酶的可及性，从而促进了整体木质纤维素的转化。
4.3. 堆肥过程中微生物群落的变化
堆肥是一个动态的、微生物驱动的生态演替过程，微生物群落的变化直接影响有机质转化和堆肥腐熟。先前研究表明，外源微生物接种可以通过富集特定功能类群来重塑微生物群落结构，从而改善降解途径。木质纤维素降解菌剂(MC1)在升温和高温阶段增加了变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度。变形菌门通常在有机质丰富的环境中含量很高，常与有机质转化相关。厚壁菌门的许多成员是兼性或专性厌氧的纤维素分解菌，能够在堆肥系统常见的微厌氧条件下降解纤维素和半纤维素，其在升温和高温阶段相对丰度的增加与基于纤维素的组分的快速消耗有关。子囊菌门在整个堆肥过程中是优势真菌类群。SEM分析表明，与BS1相比，MC1对子囊菌门具有更强的正向效应(路径系数0.72 vs 0.35)。子囊菌门成员被广泛认为是堆肥系统中木质素降解的重要贡献者。这些真菌能够通过分泌漆酶和锰过氧化物酶等木质素降解酶来降解木质素，且在本研究中与木质素含量呈显著负相关(路径系数?0.68)。高效的木质素降解可能增强了纤维素和半纤维素对其他微生物（包括放线菌门成员）后续降解的可及性。总体而言，添加MC1促进了与木质纤维素降解相关的关键功能微生物类群（特别是木质素降解微生物）的富集，从而促进了整体木质纤维素的转化并加速了堆肥腐熟过程。
5. 结论
本研究表明，接种木质纤维素降解微生物(MC1)和商用微生物菌剂(BS1)改善了牛粪和玉米秸秆的堆肥性能。在各处理中，MC1在促进木质纤维素降解和加速堆肥腐熟方面表现出更优的效果。MC1处理优化了微生物群落结构，特别是通过富集与木质纤维素分解和木质素降解酶产生密切相关的子囊菌门和厚壁菌门。MC1处理中增强的木质素降解很可能促进了后续纤维素和半纤维素的分解，从而提高了堆肥过程中木质纤维素整体转化效率。包括温度、C/N比、pH和EC在内的理化指标表明，经MC1改良的堆肥比BS1处理和对照组更早达到腐熟，表明堆肥过程被加速。总之，这些发现强调了具有强大木质素分解潜力的微生物群落对于克服堆肥系统中木质纤维素材料顽固性的重要性。研究结果为开发有效的微生物菌剂以提高农业废弃物堆肥的效率和可持续性提供了理论基础和实践指导。
