盧鈺升 ，顧文杰 ，徐培智 ，解開治 ，石超宏 ，楊少海

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省土壤微生物與耕地保育工程技術(shù)研究中心，廣東，廣州 510640；2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室茂名分中心，廣東 茂名 525000；3.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣東 廣州 510640）

有機(jī)固體廢棄物伴隨著人類生產(chǎn)、生活而產(chǎn)生，包括畜禽糞便、作物秸稈、廚余垃圾、城市生活垃圾以及市政污泥等，產(chǎn)生量巨大，對(duì)環(huán)境造成的壓力與日俱增。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生量極其巨大。數(shù)以幾十億噸計(jì)的農(nóng)業(yè)廢棄物已經(jīng)成為中國(guó)最大的污染源。2016年經(jīng)國(guó)家農(nóng)業(yè)部、住建部的估算，全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污3.8×109t，綜合利用率不到60%；每年產(chǎn)生秸稈近9×108t，未利用的約2×108t；城市污泥產(chǎn)生量達(dá)到約3.5×107t，處置率在50%～70%；城市生活垃圾產(chǎn)生量達(dá)到1.8×108t。依據(jù)2020年第二次全國(guó)污染普查公報(bào)顯示，畜禽糞污化學(xué)需氧量的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國(guó)工業(yè)廢水和生活廢水的排放量之和，占比全部排放量的49.8%。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，有機(jī)固體廢棄物的產(chǎn)生量越來越大。特別是，畜禽糞污成為我國(guó)最大的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染源和有機(jī)固體廢棄物，且養(yǎng)殖規(guī)模仍在持續(xù)擴(kuò)大，排放總量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，大量產(chǎn)生和累積所帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與資源循環(huán)利用等問題尤為突出。有研究測(cè)算，我國(guó)有6個(gè)省市是畜禽糞便污染較重的區(qū)域，單位農(nóng)田面積的畜禽糞便總氮磷負(fù)荷超過歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)［1］。近年來，我國(guó)陸續(xù)發(fā)布了畜禽糞污資源化利用的相關(guān)指導(dǎo)文件，旨在推動(dòng)畜禽糞污的綜合利用與無害化處理，防治畜禽養(yǎng)殖污染。好氧堆肥技術(shù)由于具有無害化、資源化程度高，減量化效果明顯，成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為有機(jī)固體廢棄物無害化和資源化的最有發(fā)展?jié)摿Φ姆绞街弧１姸鄬?shí)踐表明，好氧堆肥技術(shù)是促進(jìn)畜禽糞污資源化利用，解決畜禽糞污處理的重要技術(shù)途徑［2-4］。

好氧堆肥的生物轉(zhuǎn)化過程本質(zhì)上是一個(gè)以碳氮硫（C、N、S）富營(yíng)養(yǎng)的有機(jī)物為底物的生物化學(xué)多因素共同影響下，在劇烈的水熱氣變幅條件下，多種功能微生物協(xié)同、競(jìng)爭(zhēng)或耦合等作用下的復(fù)雜過程，最終形成穩(wěn)定的產(chǎn)物—有機(jī)肥。微生物在好氧堆肥過程中扮演著分解者的角色，由于好氧堆肥體系的復(fù)雜性，蘊(yùn)含著復(fù)雜多樣的微生物群體在好氧堆肥體系的不同時(shí)間、空間發(fā)揮作用，不同生態(tài)位的微生物對(duì)不同的物質(zhì)組分進(jìn)行著礦化作用，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢棄物的整體礦化［5］。因此，微生物是決定有機(jī)固體廢棄物的好氧堆肥過程中生物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，起到至關(guān)重要的作用［6］。

在好氧堆肥體系中，驅(qū)動(dòng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物過程會(huì)產(chǎn)生大量的氮、硫惡臭氣體，造成氮素?fù)p失和惡臭環(huán)境污染，其中，NH3、N2O的排放損失可達(dá)到24%～77.4%、0.2%～9.9%的好氧堆肥初始總氮量［7］，N2O作為一種重要的溫室效應(yīng)氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的296倍。全球每年畜禽糞便好氧堆肥過程產(chǎn)生的N2O更是達(dá)到了1.2×106t［8］。惡臭硫氣體（硫化氫、甲硫醚、甲硫醇、二甲基二硫等）排放則成為限制好氧堆肥技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)境因素，硫素?fù)p失可占好氧堆肥初始總硫量的8%～26%，以硫化氫的排放通量最大，其次是甲硫醇、甲硫醚［9］。因此，由功能微生物驅(qū)動(dòng)的氮硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化是好氧堆肥過程的關(guān)鍵物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，既與最終產(chǎn)品（有機(jī)肥）的品質(zhì)密切相關(guān)，也關(guān)系到惡臭氣體排放等次生環(huán)境污染問題，是開展好氧堆肥技術(shù)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。堆肥微生物主要是受到了堆肥的通氣情況、C/N、濕度、溫度、pH等因素的影響，針對(duì)影響堆肥微生物的因素進(jìn)行調(diào)控，可有效提升好氧堆肥處理效率［7,10-11］。

近年來，隨著分子生物學(xué)、高通量測(cè)序技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，大大促進(jìn)了對(duì)環(huán)境中未培養(yǎng)的微生物的研究深度，使我們能夠深入探索環(huán)境微生物的多樣性及其潛在作用機(jī)制。本文就好氧堆肥過程中的微生物多樣性以及氮硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程微生物作用機(jī)制進(jìn)行綜合評(píng)述，為進(jìn)一步研究有機(jī)固體廢棄物生物轉(zhuǎn)化的微生物過程、調(diào)控好氧堆肥技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 好氧堆肥過程的微生物多樣性

在好氧堆肥的生物轉(zhuǎn)化過程中，有機(jī)物質(zhì)都要經(jīng)過微生物礦化作用，這就是微生物對(duì)物質(zhì)循環(huán)起著關(guān)鍵作用的原因，提升相關(guān)功能微生物的代謝活性則能更好地促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化作用。由于堆肥過程存在劇烈的溫度變化階段（大致包括升溫-高溫-降溫3個(gè)階段）以及堆體表層-內(nèi)部的氧氣不均一性形成氧氣差異，從而引起微生物群落的演替變化，因此時(shí)間與空間異質(zhì)性顯著影響著微生物的分布及其生化反應(yīng)過程［12］。

好氧堆肥中普遍存在細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物，其數(shù)量級(jí)可分別達(dá)到 109～1010、103～107、105～108CFU/g［13］。在整個(gè)堆肥過程中，相對(duì)于真菌、放線菌，細(xì)菌數(shù)量占據(jù)著顯著的優(yōu)勢(shì)，其代謝能力及多樣性也更加豐富［14］。

1.1 好氧堆肥過程的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

細(xì)菌由于具備耐高溫、易于利用多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是整個(gè)堆肥過程中最主要的降解者。不同堆肥原料的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在一定的差異，基于細(xì)菌高通量測(cè)序的研究顯示，堆肥過程中主要細(xì)菌門類包括了擬桿菌門（Bacteroides）、變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）［15］，綠彎菌門（Chloroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）有時(shí)候也會(huì)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位［16-17］。值得注意的是，驅(qū)動(dòng)氮循環(huán)中硝化作用的關(guān)鍵微生物主要是變形菌門，驅(qū)動(dòng)反硝化作用的關(guān)鍵微生物包括了變形菌門和厚壁菌門，驅(qū)動(dòng)厭氧氨氧化作用的關(guān)鍵微生物則是浮霉菌門［18-19］，而放線菌門能夠產(chǎn)生木質(zhì)纖維素水解酶負(fù)責(zé)纖維素降解等參與碳素轉(zhuǎn)化過程［15］。

隨著堆肥過程的推進(jìn)，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受到溫度、深度、氮素轉(zhuǎn)化過程的影響而發(fā)生演替。在牛糞與稻草混合堆肥過程中，擬桿菌門（Bacteroides）和變形菌門（Proteobacteria）是最豐富的門，而放線菌門（Actinobacteria）僅在升溫階段占主導(dǎo)，浮霉菌門（Planctomycetes）數(shù)量則在降溫期大幅提升，這提示了堆肥后期可能發(fā)生厭氧氨氧化作用［16］。而在玉米秸稈堆肥的高溫階段，占據(jù)優(yōu)勢(shì)的放線菌門（Actinobacteria）則在促進(jìn)纖維素的降解方面發(fā)揮了重要作用［15］。針對(duì)堆肥不同深度的菌群結(jié)構(gòu)分析仍不多見，現(xiàn)有研究顯示，受堆肥深度顯著影響的細(xì)菌屬水平上物種包括了Planifilum、Thermopolyspora、Truepera、Streptomyces、Pseudoxanthomonas等，且細(xì)菌群落多樣性差異在高溫階段受到了深度和堆肥時(shí)間的影響而在降溫階段則是與堆肥深度顯著相關(guān)［17］。從以上的菌群結(jié)構(gòu)演替過程可知，堆肥體系中特定微生物種群變化是隨著堆肥中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和多種環(huán)境因子變化等復(fù)雜因素的適應(yīng)性過程。

1.2 好氧堆肥過程的真菌群落結(jié)構(gòu)變化

真菌是堆肥微生物菌群的重要組成部分，堆肥過程中主要真菌門類包括了子囊菌門（Ascomycota）、擔(dān)子菌門（Basidiomycota）［20-21］。針對(duì)雞糞好氧堆肥的真菌群落結(jié)構(gòu)時(shí)空演替研究中，堆肥升溫期主要是酵母菌屬（Saccharomycetalessp.），堆肥高溫期主要是糞殼菌屬（Sordarialessp.）、嗜堿枝頂孢菌（Acremonium alcalophilum） 、酵 母 菌 屬 （Saccharomycetalessp.）、Scedosporium minutisporum，堆肥降溫期則是Scedosporium minutisporum；在堆肥降溫期不同深度的真菌群落相對(duì)豐度更均勻，且Scedosporium minutisporum是受到堆肥深度顯著影響的真菌群落［21］。同時(shí)，溫度、水分、pH和氧化還原電位等環(huán)境條件均是影響真菌群落結(jié)構(gòu)的重要因子，在對(duì)豬糞好氧堆肥的研究顯示，溫度是影響真菌多樣性的重要因素，而氧化還原電位、水分、灰分則影響堆肥中優(yōu)勢(shì)真菌的豐度［22-23］。

堆肥中嗜熱性真菌的多樣性及其纖維素降解活性等方面也受到廣泛關(guān)注，特別是嗜熱性真菌通過分泌各種類型的纖維素分解酶和木質(zhì)素分解酶來促進(jìn)有機(jī)物的降解，這些具有在高溫下保持活性的酶得以幫助嗜熱性真菌在堆肥高溫期進(jìn)行代謝活動(dòng)［24-25］，曲霉菌屬（Aspergillussp.）、毛殼屬（Chaetomiumsp.）、腐質(zhì)霉屬（Humicolasp.）、毛霉屬（Mucorsp.）、青霉屬（Penicilliumsp.）和嗜熱屬（Thermomycessp.）是堆肥系統(tǒng)的主要活躍真菌種群［25］。

2 好氧堆肥過程的氮素轉(zhuǎn)化

好氧堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化涉及到若干個(gè)生化反應(yīng)，包括了硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用等（圖1）。參與硝化作用和反硝化作用的生物學(xué)過程是較早被研究的氮素轉(zhuǎn)化過程［7,26］，厭氧氨氧化作用則是較晚發(fā)現(xiàn)的氮素轉(zhuǎn)化過程，相關(guān)酶基因如氨單加氧酶（amoA）、亞硝酸鹽氧化還原酶（nxrAXB）、硝酸鹽還原酶（narG）、亞硝酸鹽還原酶（nirK、nirS）、氧化亞氮還原酶（nosZ）、聯(lián)氨合成酶（hzsABC）和聯(lián)氨氧化酶（hzo）是評(píng)估氮素轉(zhuǎn)化和氮素?fù)p失情況的重要分子指標(biāo)［27］。

2.1 硝化作用

圖1 好氧堆肥中由微生物驅(qū)動(dòng)的氮硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑Fig. 1 Pathway of nitrogen-sulfur conversion driven by microorganisms in aerobic composting

氨氧化作用（Ammonia oxidation）是硝化過程的限速步驟，由氨單加氧酶（amoA）催化NH4+向羥胺（NH2OH）轉(zhuǎn)化，研究參與氨氧化作用的微生物菌群是解析銨硝轉(zhuǎn)化的首要問題,也是影響堆肥中NH3排放的主要生化反應(yīng)，且氨氧化過程中間產(chǎn)物羥胺的分解是產(chǎn)生N2O的其中一條途徑。長(zhǎng)期以來，催化氨氧化反應(yīng)的氨單加氧酶（amoA）被普遍認(rèn)為是變形菌綱的氨氧化細(xì)菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）［28］，研究者發(fā)現(xiàn)在海洋、土壤等自然環(huán)境中廣泛分布著另一類具有氨氧化能力的微生物—氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA），AOA的發(fā)現(xiàn)，極大的促進(jìn)了圍繞AOA、AOB在不同生態(tài)環(huán)境中的發(fā)揮氨氧化作用的微生物學(xué)研究［29］，進(jìn)一步有研究者發(fā)現(xiàn)海洋中氨氧化古菌具有產(chǎn)生N2O的能力［30］。利用PCR-DGGE技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，堆肥中同樣存在著大量的AOA，堆體溫度、全氮、NO2-和NO3-等堆肥理化指標(biāo)對(duì)AOA群落演替有著顯著的影響［31］。Zeng等［32］報(bào)道，在堆肥中增加有機(jī)物料降低了AOB基因拷貝數(shù)，提高了AOA基因拷貝數(shù)。堆肥體系中，AOB也受到高溫、氧氣含量等條件的影響，特別是在高溫階段的活性受到抑制［7］，AOB可能在堆肥腐熟階段發(fā)揮作用［33］，AOA基因豐度則可能在高溫和高濃度NH4+條件下占據(jù)優(yōu)勢(shì)［34］。這些研究結(jié)果表明，在堆肥過程中，AOA、AOB有可能分別在堆肥的不同階段發(fā)揮著氨氧化作用，實(shí)現(xiàn)NH4+向NO3+的轉(zhuǎn)化。在對(duì)牛糞好氧堆肥中AOA、AOB的微生物群落多樣性研究中發(fā)現(xiàn)，AOB的系統(tǒng)發(fā)育多樣性高于AOA，氧氣、硝態(tài)氮、pH、水分、C/N等環(huán)境因子與AOB的多樣性有顯著的相關(guān)性，但與AOA無關(guān)。這一研究顯示AOB對(duì)牛糞堆肥過程中硝化作用更為重要［35］。針對(duì)亞硝酸鹽氧化還原酶（nxrAXB），是隨著氨氧化作用之后負(fù)責(zé)催化NO2-向NO3-轉(zhuǎn)化的功能酶，在堆肥過程中的研究較少，僅有一些研究結(jié)果顯示，堆肥中nxrA的基因拷貝數(shù)在腐熟階段呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且與NO3-的積累有關(guān)［33］，這與在土壤中的研究結(jié)果相一致。

2.2 反硝化作用

參與氮循環(huán)反硝化作用的功能基因包括了硝酸鹽還原酶（narG）、亞硝酸鹽還原酶（nirK/nirS）、一氧化氮還原酶（norB）、氧化亞氮還原酶（nosZ）等，分別負(fù)責(zé)催化NO3-—NO2-—NO—N2O—N2轉(zhuǎn)化。其中，nirK/nirS、nosZ是最常用于開展反硝化研究的主要分子標(biāo)記基因。通過PCRDGGE技術(shù)和熒光定量PCR技術(shù)的分析，堆肥中各個(gè)時(shí)期普遍存在nirK/nirS、nosZ［36］，而研究nirK/nirS在堆肥中反硝化作用的相對(duì)貢獻(xiàn)率，既是影響溫室氣體N2O排放的重要因素，也是理解堆肥中氮素轉(zhuǎn)化機(jī)制的關(guān)鍵問題。有研究者在堆肥中添加生物炭，發(fā)現(xiàn)nirK基因豐度受到抑制，并且N2O的排放顯著減少［37］。新近研究結(jié)果則更加明確了nirK/nirS的相對(duì)貢獻(xiàn)率，通過采用選擇性抑制劑以及同位素比率法測(cè)定了牛糞堆肥中細(xì)菌nirK/nirS、真菌nirK的反硝化活性，從而明確了在牛糞堆肥過程中，細(xì)菌nirK的反硝化活性是N2O排放的關(guān)鍵功能酶，但參與編碼nirK的反硝化細(xì)菌種類繁多，仍然需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究［38］。而也有研究表明不同堆肥階段的narG，nirS和nosZ的基因表達(dá)與N2排放顯著相關(guān)［39］。因此，不同堆肥條件下，闡明參與反硝化作用的功能微生物群落結(jié)構(gòu)及其如何影響N2O排放，與堆肥環(huán)境因子的作用機(jī)制等仍是有待的深入探索。

2.3 厭氧氨氧化作用

厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation,Anammox）則是繼硝化、反硝化后被發(fā)現(xiàn)的由微生物介導(dǎo)的氮素轉(zhuǎn)化過程，由于厭氧氨氧化過程與反硝化過程對(duì)NO-2的競(jìng)爭(zhēng)作用會(huì)引起N2O、N2排放的差異，最終將影響堆肥過程的溫室氣體N2O的排放。厭氧氨氧化細(xì)菌普遍存在于自然環(huán)境中，主要是在高氮、缺氧或好氧/缺氧的交界面環(huán)境條件中生存，在許多生態(tài)系統(tǒng)中是主要的氮損失途徑［18］，不同生態(tài)系統(tǒng)中具有不同優(yōu)勢(shì)類群的厭氧氨氧化細(xì)菌，在堆肥體系中的研究則剛剛起步。

2.3.1 厭氧氨氧化的關(guān)鍵酶基因分子標(biāo)記研究 參與Anammox過程的微生物組成、關(guān)鍵酶基因、生態(tài)分布等基因組學(xué)信息被科學(xué)家逐步認(rèn)知［40-42］，這主要依賴于分子標(biāo)記手段進(jìn)行研究。由于厭氧氨氧化細(xì)菌16S rRNA基因序列存在特異性不足的問題，研究者對(duì)參與Anammox過程關(guān)鍵功能酶及其編碼基因進(jìn)行深入研究，這包括亞硝酸鹽還原酶（Nir），聯(lián)氨合成酶（HZS）和聯(lián)氨氧化酶（HZO）及其編碼基因（包括了nirS、nirK、hzs、hzo基因）可更好地應(yīng)用于多樣性研究中［43］。但不同功能基因在用于評(píng)估厭氧氨氧化細(xì)菌的多樣性和群落結(jié)構(gòu)的研究中實(shí)際效果仍有不同。采用這些功能基因的研究仍處于初步的階段，研究發(fā)現(xiàn)nirS基因并非存在于所有厭氧氨氧化細(xì)菌，部分厭氧氨氧化細(xì)菌只檢測(cè)到了nirK基因［44］?，F(xiàn)有的研究結(jié)果顯示，nirS不適于單獨(dú)作為厭氧氨氧化細(xì)菌群落分析的特異性分子標(biāo)記，而應(yīng)用hzsA、hzsB、hzo基因獲得的分析結(jié)果與16S rRNA基因的研究結(jié)果具有較好的一致性，且hzs、hzo基因具有更高特異性［43］。

2.3.2 不同生境的厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)及其環(huán)境影響因子 目前，對(duì)厭氧氨氧化過程的研究主要集中在不同類型生境的細(xì)菌群落演化，包括海洋、淡水、陸地生態(tài)系統(tǒng)等。研究發(fā)現(xiàn)，CandidatusScalindua 屬通常在海洋生態(tài)系統(tǒng)的高鹽度環(huán)境中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)［45］，河口生態(tài)系統(tǒng)中以C a.Scalindua、Ca. Brocadia、Ca. Kuenenia為主，污水廠、反應(yīng)器等工程生態(tài)系統(tǒng)中以Ca. Brocadia、Ca.Kuenenia和Ca. Jettenia為主，農(nóng)田土壤中則以Ca.Brocadia、Ca. Kuenenia為主［46］。鹽分、氮素養(yǎng)分、溫度、溶解氧等均是影響厭氧氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子。Ca. Scalindua適應(yīng)高鹽度的海洋環(huán)境主要是通過表達(dá)一種對(duì)具有高親和力的蛋白質(zhì)［47］。而Ca. Brocadia通常生長(zhǎng)于淡水生態(tài)環(huán)境且傾向于在高濃度的環(huán)境中占據(jù)優(yōu)勢(shì)［48］。針對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，與厭氧氨氧化細(xì)菌多樣性正相關(guān)，而有機(jī)質(zhì)含量則是負(fù)相關(guān)［49］。另外，厭氧氨氧化細(xì)菌可以在寬泛的溫度中生存，從高寒環(huán)境到深海熱液，群落結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生演化。Ca. Kuenenia對(duì)溫度變化具有很好的適應(yīng)性，而Ca. Scalindua則能夠在80 ℃的環(huán)境中生存［50］。

2.3.3 好氧堆肥中厭氧氨氧化菌群研究 在好氧堆肥過程中，由于存在著微環(huán)境局部厭氧條件，已有研究發(fā)現(xiàn)在牛糞堆肥過程中的檢測(cè)出厭氧氨氧化細(xì)菌，并研究了厭氧氨氧化細(xì)菌群落多樣性［27］。研究者采用聚合酶鏈反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）技術(shù)對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌16S rRNA基因擴(kuò)進(jìn)行增，分析了牛糞堆肥過程中厭氧氨氧化細(xì)菌多樣性，結(jié)果顯示厭氧氨氧化細(xì)菌存在于整個(gè)堆肥過程，Ca. Brocadia、Ca. Kuenenia 和Ca.Scalindua3個(gè)屬為優(yōu)勢(shì)菌屬，且多樣性隨著不同堆肥階段變化，高溫期和降溫期的多樣性較高；與其他生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果不同的是，在堆肥高溫期的優(yōu)勢(shì)菌屬是Ca. Brocadia［27］。而針對(duì)不同堆肥原料的好氧堆肥過程中，厭氧氨氧化細(xì)菌多樣性是否具有一致性，群落結(jié)構(gòu)組成對(duì)堆肥環(huán)境條件異質(zhì)性的響應(yīng)，以及環(huán)境因子驅(qū)動(dòng)厭氧氨氧化的作用機(jī)制等內(nèi)容仍有待于進(jìn)一步的開展。

3 好氧堆肥過程的硫素轉(zhuǎn)化

在硫素代謝方面，堆肥中惡臭硫氣體的排放，盡管排放通量較低，但其嗅閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于NH3［51］，成為限制堆肥技術(shù)發(fā)展的主要次生環(huán)境污染問題。硫素生物轉(zhuǎn)化過程（圖1）中，如硫化氫在好氧條件下可被硫氧化細(xì)菌氧化形成硫酸鹽［52］，而在厭氧條件下硫酸鹽則被還原為H2S等惡臭硫氣體［53］。硫氧化細(xì)菌普遍存在于自然生境體系中，硫氧化途徑，包括：（1）硫化物氧化途徑，黃素細(xì)胞色素c硫化氫脫氫酶（Fcc）、硫化物醌還原酶（Sqr）；（2）單質(zhì)硫氧化途徑，異化亞硫酸鹽還原酶（Dsr）、類異二硫醚還原酶（Hdr）；（3）硫氧化酶復(fù)合體（Sox）等［54］。Luo等［55］對(duì)硫氧化酶系統(tǒng)（soxB）、硫化物醌還原酶（sqr）、異化亞硫酸還原酶（dsrA）編碼基因的高通量測(cè)序分析，揭示了珠江流域中的硫氧化優(yōu)勢(shì)種群以及功能基因的多樣性，表明硫氧化細(xì)菌在水體硫生物化學(xué)循環(huán)發(fā)揮著重要作用。在硫氧化細(xì)菌中，硝酸鹽還原硫氧化細(xì)菌（Nitrate-reducing, sulfide-oxidizing bacteria,NR-SOB）是一類將硝酸鹽還原與硫化物氧化同時(shí)催化進(jìn)行的細(xì)菌，NR-SOB的多樣性和分布特征是研究碳氮硫循環(huán)的重要菌群，可指導(dǎo)污水、黑臭水體、污泥治理等諸多氮硫轉(zhuǎn)化調(diào)控技術(shù)［56-57］。

在好氧堆肥中的硫素轉(zhuǎn)化研究，主要集中在通過添加外源化合物、功能微生物調(diào)控堆肥過程，從而實(shí)現(xiàn)減少氮素?fù)p失和惡臭氣體排放。通過添加硫磺可以改善堆肥品質(zhì)，減少氮素?fù)p失。最初，在堆肥中添加具備酸性化學(xué)特性的單質(zhì)元素硫，有效降低了堆肥pH，更有利于堆肥產(chǎn)物的農(nóng)田應(yīng)用［58］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥中添加硫磺和硫氧化細(xì)菌既降低堆肥pH，且顯著提高了堆肥中NH4+、NO3-含量［9］。由此可推測(cè)，堆肥中存在著氮硫相互作用，添加硫磺和硫氧化細(xì)菌不僅影響了堆肥pH，也影響了氮素轉(zhuǎn)化［59］。利用硝酸鹽作為電子受體，對(duì)硫酸鹽還原起到競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，在堆肥中添加硝酸鹽顯著降低惡臭硫氣體的產(chǎn)生。近年來，有學(xué)者通過添加外源七鉬酸銨和亞硝酸鹽到好氧堆肥中，有效降低惡臭硫氣體（二甲基硫、二甲基二硫）的排放量達(dá)92.3%和82.3%［59］。目前，在好氧堆肥中的硫素轉(zhuǎn)化研究中，針對(duì)參與好氧堆肥過程中的硫素轉(zhuǎn)化的微生物多樣性以及群落結(jié)構(gòu)等研究較少，對(duì)參與堆肥惡臭硫氣體轉(zhuǎn)化的功能微生物及其動(dòng)態(tài)變化過程也知之甚少，仍有待于進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作，以闡明其相關(guān)的作用機(jī)理。

4 展望

長(zhǎng)期以來，畜禽糞污綜合利用率低、好氧堆肥處理效率低，其核心問題即是由微生物驅(qū)動(dòng)氮、硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程所引起的氮素流失及臭氣排放。得益于高通量測(cè)序等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，科學(xué)家可以深入的研究參與好氧堆肥過程的微生物群落特征以及功能微生物的分子機(jī)制。然而人們通常只針對(duì)某一類微生物、氮素或硫素單一的轉(zhuǎn)化過程開展獨(dú)立研究，如針對(duì)好氧堆肥工藝調(diào)控過程中的氮循環(huán)硝化、反硝化的功能微生物上的研究等。在現(xiàn)有的研究中，好氧堆肥微生物群落的動(dòng)態(tài)變化及其時(shí)空異質(zhì)性已取得初步的了解，這有助于我們?cè)黾訉?duì)不同堆肥階段發(fā)揮主要作用的優(yōu)勢(shì)菌群的認(rèn)知。同時(shí)，已有研究分析了厭氧氨氧化對(duì)局部生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的貢獻(xiàn)率，但對(duì)于好氧堆肥中的厭氧氨氧化過程則知之甚少，僅有的研究證實(shí)了堆肥過程中存在厭氧氨氧化作用。在硫素轉(zhuǎn)化過程的研究中，也已證實(shí)了氮硫轉(zhuǎn)化的關(guān)聯(lián)性，但對(duì)堆肥過程中的氮硫相互作用機(jī)理則少有深入的研究，針對(duì)氮硫作用的研究主要集中在污水、黑臭水體、污泥治理等領(lǐng)域。

因此，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，從不同堆肥物料的氮硫生物轉(zhuǎn)化過程出發(fā)，利用基因組學(xué)與理化分析相結(jié)合的技術(shù)手段，對(duì)畜禽糞污好氧堆肥工藝下的氮硫轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)、氣體排放規(guī)律、生物化學(xué)機(jī)理等進(jìn)行深入研究，闡明相關(guān)功能微生物的群落特征及功能基因表達(dá)情況，既可以從微生物尺度提升對(duì)堆肥過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也有利于揭示整個(gè)堆肥過程中影響氮硫生物轉(zhuǎn)化的環(huán)境因子（圖1）。此外，可同時(shí)利用多組學(xué)、同位素標(biāo)記技術(shù)等驗(yàn)證各個(gè)氮硫生物轉(zhuǎn)化過程之間的耦合作用及相關(guān)功能微生物種群在物質(zhì)循環(huán)中的貢獻(xiàn)率，為提升畜禽糞污高效生物轉(zhuǎn)化技術(shù)工藝、惡臭氣體減排提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

當(dāng)前我國(guó)正處于農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，減少農(nóng)藥、化肥使用量，促進(jìn)農(nóng)膜、秸稈、畜禽糞污等有機(jī)廢棄物資源循環(huán)再利用，是保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和生態(tài)文明建設(shè)的重要手段。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，與2018年相比，到2030年我國(guó)畜禽糞污氮素排放總量將達(dá)到837萬t，增長(zhǎng)44.7%。畜禽糞污既是污染物，也是寶貴的養(yǎng)分資源，針對(duì)畜禽糞污與日俱增的環(huán)境污染壓力，加強(qiáng)畜禽糞污生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究與應(yīng)用，促進(jìn)好氧堆肥技術(shù)發(fā)展，使物質(zhì)和能量得到高效的循環(huán)利用，減少?gòu)U棄物排放與化肥投入，有利于我國(guó)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。