成果一：生物炭添加促進(jìn)堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)合成的機(jī)制
堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)的合成是提高有機(jī)肥品質(zhì)的關(guān)鍵。生物炭已被發(fā)現(xiàn)是一種低成本、環(huán)保和有效的腐殖質(zhì)合成促進(jìn)劑，但在堆肥過(guò)程中，生物炭驅(qū)動(dòng)腐殖質(zhì)合成的機(jī)制尚不清楚。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團(tuán)隊(duì)研究了生物炭添加對(duì)桑枝和豬糞堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)合成的影響（圖1）。利用熒光光譜、高通量測(cè)序、宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)等先進(jìn)技術(shù)，綜合分析了堆肥過(guò)程中真菌群落、功能基因和代謝特征，闡釋了生物炭添加對(duì)腐殖質(zhì)形成的影響機(jī)制。在成熟期，添加生物炭使黃腐酸和腐殖酸的生成效率分別比對(duì)照提高了17.4%和39.4%。添加生物炭顯著提高了溫度、木質(zhì)纖維素降解以及脲酶、過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和木質(zhì)素過(guò)氧化物酶的活性，并改變了真菌群落組成和多樣性，后者與腐植酸含量顯著相關(guān)。真菌群落的改變提升了高溫期和成熟期腐解真菌功能和CAZyme基因的表達(dá)。最終，生物炭添加顯著提高了成熟期外源性物質(zhì)代謝(雙酚類(lèi)代謝和醌類(lèi)生物合成)和氨基酸代謝(色氨酸代謝和酪氨酸代謝)，從而通過(guò)產(chǎn)生喹啉類(lèi)、酚類(lèi)和芳香氨基酸等代謝產(chǎn)物促進(jìn)腐殖質(zhì)物合成。綜上所述，生物炭添加可以通過(guò)選擇性調(diào)節(jié)堆肥過(guò)程中真菌群落和代謝特征，有效促進(jìn)腐殖質(zhì)的合成，從而有利于有機(jī)肥施用后土壤肥力和健康的改善。
本研究以Biochar drives humus formation during composting by regulating the specialized metabolic features of microbiome為標(biāo)題發(fā)表于Chemical Engineering Journal（2023，458:141380）。劉秋梅博士為論文的第一作者，李德軍研究員為通訊作者，王克林研究員和何尋陽(yáng)研究員為共同作者。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2022YFF1300704）和廣西“八桂學(xué)者”項(xiàng)目支持。
圖1 生物炭添加促進(jìn)堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)合成的機(jī)制示意圖
成果二：石灰?guī)r粉末添加促進(jìn)堆肥過(guò)程中病原菌劑清除的機(jī)制
堆肥過(guò)程中病原菌清除對(duì)有機(jī)肥的安全利用和糧食安全至關(guān)重要。然而，用于清除病原菌的簡(jiǎn)單、低成本和生態(tài)友好的技術(shù)極為稀缺。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團(tuán)隊(duì)探討了喀斯特區(qū)豐富的石灰?guī)r(主要成分為碳酸鈣)粉末添加對(duì)堆肥過(guò)程中病原體清除的效果并闡釋了背后的機(jī)制（圖2）。采用高通量測(cè)序和代謝組學(xué)技術(shù)手段分析了碳酸鈣在病原體清除中的效率。添加碳酸鈣顯著降低了病原菌豐度，同時(shí)提高了堆肥的溫度、pH、電導(dǎo)率和胞外酶活性。碳酸鈣添加強(qiáng)烈改變了真菌群落組成，增加了升溫期真菌的Shannon指數(shù)和系統(tǒng)發(fā)育多樣性，Shannon指數(shù)與病原菌豐度呈正相關(guān)。添加碳酸鈣后，植物病原菌的真菌功能在高溫期顯著下降。添加碳酸鈣顯著增加了抗致病性代謝產(chǎn)物，包括脂肪酸降解產(chǎn)生的8-異前列腺素f2 -乙醇酰胺，芳香氨基酸代謝產(chǎn)生的Xanthium、5-(3,4-二羥基芐基)六氫嘧啶-2,4,6-三酮和扁枝衣二酸，這些代謝產(chǎn)物在高溫期負(fù)責(zé)清除鐮刀菌、白粉菌、炭疽菌、假尾孢菌、腐霉菌和輪枝菌。該項(xiàng)研究表明，添加碳酸鈣可有效清除堆肥過(guò)程中的病原菌，從而有利于農(nóng)業(yè)病害防控和糧食生產(chǎn)安全。
本研究以Unearthing the mechanisms underlying calcium carbonate therapies for eliminating pathogens during composting為標(biāo)題發(fā)表于Chemical Engineering Journal（2023，451:139087）。劉秋梅博士為論文的第一作者，李德軍研究員為通訊作者，何尋陽(yáng)研究員參與了該項(xiàng)目工作。研究得到了廣西“八桂學(xué)者”項(xiàng)目支持。
圖2 石灰?guī)r粉末添加促進(jìn)堆肥過(guò)程中病原菌清除的機(jī)制示意圖
成果三：生物炭和石灰?guī)r粉末添加減少堆肥過(guò)程中氧化亞氮排放的機(jī)制
種養(yǎng)廢棄物堆肥是大氣溫室氣體包括氧化亞氮的重要來(lái)源，因此，如何減少堆肥過(guò)程中氧化亞氮排放是兼顧種養(yǎng)廢棄物資源化利用與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)需要回答的重要問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團(tuán)隊(duì)探討生物炭和石灰?guī)r（主要成分為碳酸鈣）粉末添加對(duì)堆肥過(guò)程中氧化亞氮排放的影響機(jī)制。結(jié)合無(wú)機(jī)氮、溶解有機(jī)碳和氮、氧化亞氮來(lái)源和功能基因等指標(biāo)開(kāi)展了系統(tǒng)性研究。與對(duì)照組相比，生物炭和碳酸鈣添加顯著減少了氧化亞氮排放，減少幅度分別為26.5 ~ 47.8%和13.9 ~ 37.4%。氨氧化菌(AOB)和真菌介導(dǎo)的氧化亞氮產(chǎn)生速率減少是導(dǎo)致生物炭和碳酸鈣添加后氧化亞氮排放減少的主要原因。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氨氧化菌(AOB)和真菌介導(dǎo)的氧化亞氮產(chǎn)生速率減少是由于AOB amoA、真菌nirK和P450基因豐度的降低，或者是由于生物炭和碳酸鈣添加后nosZ 和nosZ 基因豐度的增加促進(jìn)了氧化亞氮還原為N2所致。該項(xiàng)研究表明，生物炭或碳酸鈣添加可有效減少堆肥過(guò)程中氧化亞氮的排放，為堆肥過(guò)程中溫室氣體減排提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)選擇。
本研究以Mechanisms of mitigating nitrous oxide emission during composting by biochar and calcium carbonate addition為標(biāo)題發(fā)表于Bioresource Technology（2023，388:129772）。楊馨逸博士為論文的第一作者，李德軍研究員為通訊作者，段鵬鵬副研究員和王克林研究員參與了該項(xiàng)目工作。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2022YFF1300704）和廣西“八桂學(xué)者”項(xiàng)目支持?！ ?/p>
圖3 生物炭和石灰?guī)r粉末添加減少堆肥過(guò)程中氧化亞氮排放的機(jī)制示意圖
成果四：堆肥高溫期負(fù)責(zé)木質(zhì)纖維降解的細(xì)菌群落組成與功能
堆肥過(guò)程中木質(zhì)纖維降解效率直接影響堆肥的品質(zhì)，因此，解析堆肥過(guò)程中負(fù)責(zé)木質(zhì)纖維的微生物群落組成具有重要意義。堆肥過(guò)程中有機(jī)物料的分解轉(zhuǎn)化由各種微生物參與完成。然而，細(xì)菌群落及其功能通常因堆肥物料而異。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團(tuán)隊(duì)研究了桑枝與蠶沙(MSE)、豬糞(MPM)和牛糞(MCD)混合堆肥高溫期的優(yōu)勢(shì)菌屬及其功能。桑枝與牛糞混合堆肥時(shí) -葡萄糖苷酶和內(nèi)切葡聚糖酶活性最高，而與豬糞堆肥時(shí)活性最低。隨機(jī)森林模型和相關(guān)分析表明，無(wú)論堆肥材料如何，寡養(yǎng)單胞菌、芽孢桿菌和中華芽胞桿菌都是參與木質(zhì)纖維素降解的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬。碳水化合物代謝、氨基酸代謝和DNA復(fù)制與修復(fù)是三種堆肥類(lèi)型中細(xì)菌群落的主要功能。針對(duì)木質(zhì)纖維素降解基因的定量分析進(jìn)一步證實(shí)了細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)功能。該項(xiàng)研究為堆肥過(guò)程中降解木質(zhì)纖維的優(yōu)勢(shì)菌屬篩選及堆肥效率調(diào)控提供了科技支撐。
本研究以Deciphering the dominant components and functions of bacterial communities for lignocellulose degradation at the composting thermophilic phase為標(biāo)題發(fā)表于Bioresource Technology（2022，348:126808）。劉秋梅博士為論文的第一作者，李德軍研究員為通訊作者，何尋陽(yáng)研究員和王克林研究員為共同作者。研究得到了國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃和廣西“八桂學(xué)者”項(xiàng)目支持。
圖4 堆肥過(guò)程中寡養(yǎng)單胞菌、芽孢桿菌和中華芽胞桿菌對(duì)木質(zhì)纖維降解作用機(jī)制示意圖
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