2018-08-10
正文
近期，派森诺生物与华东师范大学合作，在《Bioresource Technology》（影响因子5.807）发表论文，通过研究不同堆肥阶段的微生物群落组成与理化性质，探究以玉米秸秆为材料的堆肥过程中，微生物群落结构的动态变化及其产生的影响，以及相关细菌群落的代谢功能。
研究背景
作为一种环境友好型技术，堆肥可以实现生物转化，是农业残留物处理的方法之一，也是实现农业副产品可持续管理的重要策略之一。堆肥是一个因微生物群落改变而产生的有氧过程，包括升温阶段（mesophilic）、高温维持阶段（thermophilic）和腐熟阶段（mature phase）。微生物种群的演变是堆肥过程中的一个重要特征，而营养来源与氧气利用率则是微生物组成发生变化的主要影响因素，除此之外，原材料和填充材料的类型也被认为是在堆肥过程中影响微生物群落的相关因素。
玉米秸秆是一种植物纤维原料，可再生，且成本低，它的分解，在碳循环中也有着非常重要的作用。目前，人们对玉米秸秆堆肥的产热过程中微生物群落的变化、理化性质和微生物群落之间的关系，以及细菌群落的代谢过程仍知之甚少。因此，深入研究在堆肥过程中微生物群落的变化对提高堆肥的效率有重要作用，阐明玉米秸秆堆肥过程中主要细菌类群的潜在功能，对堆肥系统的代谢组研究有重要价值。
研究目的
① 揭示在不同堆肥阶段，与腐殖质相结合的腐殖酸（HAs）和富里酸（FAs）的变化趋势，并鉴定主要的微生物群落，以研究在玉米秸秆堆肥的主要阶段下，微生物群落结构的动态变化及其产生的影响；
② 探究在不同堆肥阶段细菌的代谢功能；
③ 分析微生物群落与理化性质和微生物代谢的关系。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3-V4区测序
实验对象：以玉米为主要材料的堆肥系统
实验设计：在堆肥系统中安置温度计，对不同阶段的堆肥材料采样，一部分样品用于理化性质测定，一部分通过Illumina MiSeq高通量测序平台鉴定各样品中的微生物群落组成，并利用PICRUSt预测微生物群落的功能组成，采样情况如下：
组名 | 取样时期 |
C0 | Day 0（对照组） |
S2 | Day 2（升温阶段，45℃） |
S7 | Day 7（高温维持阶段，55℃以上） |
S11 | Day 11（降温阶段，45℃） |
S15 | Day 15（腐熟期，35℃） |
研究结果
1. 堆肥过程中的理化性质改变
随着堆肥开始，堆肥材料内部的温度快速升高，总氮（TN）含量迅速增加，有机碳含量降低，C/N降低，总磷（TP）下降，而有效磷（AP）增加；
堆肥过程中的理化性质改变
2. 腐殖质分析
在松结态腐殖质中，腐殖酸（HA1）含量增加，而富里酸（FA1）含量降低；在稳结态腐殖
质中，腐殖酸（HA2）含量增加，而富里酸（FA2）含量则是先降低后增加。
松结态和稳结态腐殖质中HA和FA含量的变化
3. 细菌群落演变
堆肥开始后，由于环境条件的变化，细菌群落多样性降低，群落组成变得更加特化更加均匀；同时，堆肥开始前，堆肥材料中的细菌主要属于四个门，即Firmicutes（90.4%），Proteobacteria（5.2%，Actinobacteria（1.5%）和Fusobacteria（1.4%）；堆肥开始后，堆肥材料中的主要细菌门类变为了Firmicutes，Proteobacteria，Bacteroidetes和Actinobacteria，且随着堆肥的进行，这些细菌的丰度也发生了显著变化，其中Firmicutes的相对丰度从最开始的76.7%降低到了5.7%，而其余三个门类细菌的相对丰度却一直增加。
堆肥过程中菌群的变化
4. 堆肥过程中的微生物代谢
通过PICRUSt对微生物群落进行代谢功能预测后发现：
①在堆肥的过程中，氨基酸代谢相关的能力普遍增加，碳水化合物代谢相关的能力也显著增高，这表明，在玉米秸秆堆肥的过程中，碳水化合物代谢在纤维素与半纤维素的降解上起着至关重要的作用；
②细菌功能效率在整个堆肥过程中也发生了改变，ABC转运蛋白的相对丰度从4.36%（S2）降低到了3.14%（S15），而与精氨酸和脯氨酸代谢、甘氨酸丝氨酸及苏氨酸代谢有关的功能水平分别由1.18%和0.81%增加到了1.26%和0.99%。另外，与染色体、DNA复制相关蛋白、核糖体、核糖体生物合成、氨酰-tRNA生物合成、转录机制、嘌呤代谢、嘧啶代谢、氨基酸相关酶、原核生物的碳固定通路、甲烷代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢，以及丙酸代谢有关的基因在前三个阶段（S2-S11）都有所增加，但在第四阶段有略微回降。
堆肥菌群的微生物代谢功能预测分析
1. 微生物群落与理化性质和微生物代谢之间的关系
通过关联网络分析对堆肥过程中的细菌群落进行分析后发现，堆肥过程中的主要细菌属在网络分析中被分为了如下五个集群：
①TP相关细菌：此集群中，只有Pseudomonas与TP呈正相关，其余细菌属都与TP呈负相关，这表明，TP作为一种营养物质，在很大程度上影响到了许多细菌的生长。不过，就TP的利用而言，这个集群中的其余细菌都和Pseudomonas呈竞争的关系；
②HA1和FA1相关细菌包括Staphylococcus，Cellulosimicrobium和Ochrobactrum，这些菌可能参与了将简单分子（FA1）转换到复杂分子（HA1）的过程中；
③与C/N和HA2有关的细菌：堆肥材料的C/N能影响到微生物群落的组成，在这个集群中，Sporosarcina、Ignatzschineria和Agrobacterium都与C/N呈正相关，只有Luteimonas与C/N呈负相关，然而，这些细菌却都与HA2呈负相关；
④与FA2有关的细菌：这个集群只有Thermobifida和Caldicoprobacter，且都与FA2呈负相关；
⑤与AP有关的细菌：只有Erysipelothrix，且与AP呈负相关。
同时，在环境信息的处理方面，与环境信息处理呈正相关的有三个属，呈负相关的有六个属；除此之外，Myroides与遗传信息处理的过程有显著的正相关；值得注意的是，与代谢有关的细菌和细胞进程也有联系，即一些主要细菌类群都会与不同的生化代谢途径相联系，这表明，堆肥过程中的一些细菌类群会影响多种代谢通路。
微生物群落与理化性质和微生物代谢的关联网络分析
总结
本文通过研究不同堆肥阶段的微生物群落组成与理化性质，探究以玉米秸秆为材料的堆肥过程中，微生物群落结构的动态变化及其产生的影响，以及相关细菌群落的代谢功能，并得到以下结论：首先，堆肥的整个过程中，一些关键细菌类群能够影响多种代谢通路；同时，理化性质能够影响堆肥过程中的主要细菌类群，这表明这些细菌的生存需要一个非常复杂的环境；其次，在本研究所测的所有理化性质中，对C/N、AP和腐殖质影响最大的因素是TP；此外，关联网络分析，是研究微生物群落与理化性质和微生物代谢之间关系的一种有效工具。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
Wei, Huawei, et al. "Succession of the functional microbial communities and the metabolic functions in maize straw composting process." Bioresource Technology 256(2018).
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852418302347
