2018-08-10
正文
近期，派森諾生物與華東師范大學合作，在《Bioresource Technology》（影響因子5.807）發表論文，通過研究不同堆肥階段的微生物群落組成與理化性質，探究以玉米秸稈為材料的堆肥過程中，微生物群落結構的動態變化及其產生的影響，以及相關細菌群落的代謝功能。
研究背景
作為一種環境友好型技術，堆肥可以實現生物轉化，是農業殘留物處理的方法之一，也是實現農業副產品可持續管理的重要策略之一。堆肥是一個因微生物群落改變而產生的有氧過程，包括升溫階段（mesophilic）、高溫維持階段（thermophilic）和腐熟階段（mature phase）。微生物種群的演變是堆肥過程中的一個重要特征，而營養來源與氧氣利用率則是微生物組成發生變化的主要影響因素，除此之外，原材料和填充材料的類型也被認為是在堆肥過程中影響微生物群落的相關因素。
玉米秸稈是一種植物纖維原料，可再生，且成本低，它的分解，在碳循環中也有著非常重要的作用。目前，人們對玉米秸稈堆肥的產熱過程中微生物群落的變化、理化性質和微生物群落之間的關系，以及細菌群落的代謝過程仍知之甚少。因此，深入研究在堆肥過程中微生物群落的變化對提高堆肥的效率有重要作用，闡明玉米秸稈堆肥過程中主要細菌類群的潛在功能，對堆肥系統的代謝組研究有重要價值。
研究目的
① 揭示在不同堆肥階段，與腐殖質相結合的腐殖酸（HAs）和富里酸（FAs）的變化趨勢，并鑒定主要的微生物群落，以研究在玉米秸稈堆肥的主要階段下，微生物群落結構的動態變化及其產生的影響；
② 探究在不同堆肥階段細菌的代謝功能；
③ 分析微生物群落與理化性質和微生物代謝的關系。
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V3-V4區測序
實驗對象：以玉米為主要材料的堆肥系統
實驗設計：在堆肥系統中安置溫度計，對不同階段的堆肥材料采樣，一部分樣品用于理化性質測定，一部分通過Illumina MiSeq高通量測序平臺鑒定各樣品中的微生物群落組成，并利用PICRUSt預測微生物群落的功能組成，采樣情況如下：
組名 | 取樣時期 |
C0 | Day 0（對照組） |
S2 | Day 2（升溫階段，45℃） |
S7 | Day 7（高溫維持階段，55℃以上） |
S11 | Day 11（降溫階段，45℃） |
S15 | Day 15（腐熟期，35℃） |
研究結果
1. 堆肥過程中的理化性質改變
隨著堆肥開始，堆肥材料內部的溫度快速升高，總氮（TN）含量迅速增加，有機碳含量降低，C/N降低，總磷（TP）下降，而有效磷（AP）增加；
堆肥過程中的理化性質改變
2. 腐殖質分析
在松結態腐殖質中，腐殖酸（HA1）含量增加，而富里酸（FA1）含量降低；在穩結態腐殖
質中，腐殖酸（HA2）含量增加，而富里酸（FA2）含量則是先降低后增加。
松結態和穩結態腐殖質中HA和FA含量的變化
3. 細菌群落演變
堆肥開始后，由于環境條件的變化，細菌群落多樣性降低，群落組成變得更加特化更加均勻；同時，堆肥開始前，堆肥材料中的細菌主要屬于四個門，即Firmicutes（90.4%），Proteobacteria（5.2%，Actinobacteria（1.5%）和Fusobacteria（1.4%）；堆肥開始后，堆肥材料中的主要細菌門類變為了Firmicutes，Proteobacteria，Bacteroidetes和Actinobacteria，且隨著堆肥的進行，這些細菌的豐度也發生了顯著變化，其中Firmicutes的相對豐度從最開始的76.7%降低到了5.7%，而其余三個門類細菌的相對豐度卻一直增加。
堆肥過程中菌群的變化
4. 堆肥過程中的微生物代謝
通過PICRUSt對微生物群落進行代謝功能預測后發現：
①在堆肥的過程中，氨基酸代謝相關的能力普遍增加，碳水化合物代謝相關的能力也顯著增高，這表明，在玉米秸稈堆肥的過程中，碳水化合物代謝在纖維素與半纖維素的降解上起著至關重要的作用；
②細菌功能效率在整個堆肥過程中也發生了改變，ABC轉運蛋白的相對豐度從4.36%（S2）降低到了3.14%（S15），而與精氨酸和脯氨酸代謝、甘氨酸絲氨酸及蘇氨酸代謝有關的功能水平分別由1.18%和0.81%增加到了1.26%和0.99%。另外，與染色體、DNA復制相關蛋白、核糖體、核糖體生物合成、氨酰-tRNA生物合成、轉錄機制、嘌呤代謝、嘧啶代謝、氨基酸相關酶、原核生物的碳固定通路、甲烷代謝、氨基糖和核苷酸糖代謝，以及丙酸代謝有關的基因在前三個階段（S2-S11）都有所增加，但在第四階段有略微回降。
堆肥菌群的微生物代謝功能預測分析
1. 微生物群落與理化性質和微生物代謝之間的關系
通過關聯網絡分析對堆肥過程中的細菌群落進行分析后發現，堆肥過程中的主要細菌屬在網絡分析中被分為了如下五個集群：
①TP相關細菌：此集群中，只有Pseudomonas與TP呈正相關，其余細菌屬都與TP呈負相關，這表明，TP作為一種營養物質，在很大程度上影響到了許多細菌的生長。不過，就TP的利用而言，這個集群中的其余細菌都和Pseudomonas呈競爭的關系；
②HA1和FA1相關細菌包括Staphylococcus，Cellulosimicrobium和Ochrobactrum，這些菌可能參與了將簡單分子（FA1）轉換到復雜分子（HA1）的過程中；
③與C/N和HA2有關的細菌：堆肥材料的C/N能影響到微生物群落的組成，在這個集群中，Sporosarcina、Ignatzschineria和Agrobacterium都與C/N呈正相關，只有Luteimonas與C/N呈負相關，然而，這些細菌卻都與HA2呈負相關；
④與FA2有關的細菌：這個集群只有Thermobifida和Caldicoprobacter，且都與FA2呈負相關；
⑤與AP有關的細菌：只有Erysipelothrix，且與AP呈負相關。
同時，在環境信息的處理方面，與環境信息處理呈正相關的有三個屬，呈負相關的有六個屬；除此之外，Myroides與遺傳信息處理的過程有顯著的正相關；值得注意的是，與代謝有關的細菌和細胞進程也有聯系，即一些主要細菌類群都會與不同的生化代謝途徑相聯系，這表明，堆肥過程中的一些細菌類群會影響多種代謝通路。
微生物群落與理化性質和微生物代謝的關聯網絡分析
總結
本文通過研究不同堆肥階段的微生物群落組成與理化性質，探究以玉米秸稈為材料的堆肥過程中，微生物群落結構的動態變化及其產生的影響，以及相關細菌群落的代謝功能，并得到以下結論：首先，堆肥的整個過程中，一些關鍵細菌類群能夠影響多種代謝通路；同時，理化性質能夠影響堆肥過程中的主要細菌類群，這表明這些細菌的生存需要一個非常復雜的環境；其次，在本研究所測的所有理化性質中，對C/N、AP和腐殖質影響最大的因素是TP；此外，關聯網絡分析，是研究微生物群落與理化性質和微生物代謝之間關系的一種有效工具。
本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾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).
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852418302347
