水稻秸稈腐熟過(guò)程中理化性質(zhì)及微生物群落變化

摘要：為進(jìn)一步揭示秸稈腐熟過(guò)程中微生物群落的結(jié)構(gòu)變化和理化性質(zhì)變化的關(guān)系，對(duì)秸稈進(jìn)行腐熟處理，對(duì)其不同時(shí)間的理化性質(zhì)和微生物多樣性進(jìn)行分析。理化性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如下：在整個(gè)腐熟過(guò)程當(dāng)中，秸稈中纖維素逐漸暴露，溫度先上升后下降。pH值先下降后上升，E4/E6值在20 d時(shí)最低，30 d時(shí)最高，總碳含量和總氮含量一直處于下降趨勢(shì)，秸稈中的碳氮比整體上處于上升趨勢(shì)。生物可降解指數(shù)先上升至4.102后下降至3.840。電導(dǎo)率在40 d時(shí)上升至0.67 mS/cm。秸稈腐熟處于10 d和30 d時(shí)漆酶活性較高，分別達(dá)到0.96、0.98 U/mL。秸稈腐熟處于 40 d 時(shí)纖維素酶活性達(dá)到了0.04 U/mL。秸稈腐熟處于30 d時(shí)木聚糖酶活性達(dá)到了0.08 U/mL。苯基桿菌屬（Phenylobacterium）的出現(xiàn)伴隨著木聚糖酶活性增加，曲霉屬（Aspergillus）豐度的變化與漆酶活性變化相似。功能預(yù)測(cè)結(jié)果表明，微生物群落包含纖維素、木質(zhì)素、尿素、芳香化合物降解功能。微生物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性分析解釋了環(huán)境因子對(duì)于樣本中物種組成的影響。本研究明確了秸稈腐熟中理化性狀及發(fā)酵垛中微生物多樣性的改變，并為以秸稈腐熟相關(guān)酶活性為指標(biāo)篩選秸稈降解菌株提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水稻秸稈腐熟；理化性狀；微生物多樣性；功能預(yù)測(cè)；高通量測(cè)序

中圖分類號(hào)：S5141.4；S182" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）24-0241-08

收稿日期：2023-12-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31671796）。

作者簡(jiǎn)介：姜子豪（1999—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事發(fā)酵工程研究。E-mail：920856119@qq.com。

通信作者：俞志敏，博士，副教授，主要從事啤酒釀造微生物、微生物代謝工程、糖生物學(xué)研究。E-mail：yuzhimin2005@163.com。

我國(guó)為農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈產(chǎn)量巨大，秸稈作為農(nóng)作物的副產(chǎn)品，富含大量的有機(jī)物質(zhì)以及礦物質(zhì)。大部分秸稈都被焚燒或者棄置處理，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還會(huì)對(duì)這部分資源造成極大的浪費(fèi)。因此，如何綠色利用這種生物資源，是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的問(wèn)題。

目前，我國(guó)的秸稈資源主要采用堆肥技術(shù)使其變廢為寶，秸稈經(jīng)過(guò)發(fā)酵，其中的有機(jī)物質(zhì)被降解，一部分轉(zhuǎn)化成可被微生物利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，一部分轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)增加土壤肥力。已有研究表明，在堆肥過(guò)程中，微生物的一系列生命代謝活動(dòng)在秸稈降解過(guò)程中起到關(guān)鍵作用^［1］。其中微生物在不同腐熟時(shí)期所產(chǎn)生的酶是秸稈腐熟的重要因素，目前已有研究表明，秸稈腐熟過(guò)程中主要為纖維素酶、半纖維素酶和木質(zhì)素降解酶共同協(xié)作產(chǎn)生效果，許多研究者利用菌株是否產(chǎn)纖維素酶為指標(biāo)篩選出產(chǎn)纖維素酶且酶活性較高的菌株作為秸稈腐熟的功能菌，將其加入到秸稈中加快腐熟進(jìn)程，提高腐熟質(zhì)量，目前，已被多數(shù)人認(rèn)可。目前，發(fā)現(xiàn)的能夠降解纖維素的細(xì)菌主要有芽孢桿菌屬（Bacillus）、纖維單胞菌屬（Cellulomonas）和纖維弧菌屬（Cellvibrio）等^［2］。向腐熟過(guò)程中接種某些微生物以增強(qiáng)微生物的腐熟作用會(huì)使腐熟更高效或獲得更好的腐熟效果^［3］。王靖然等在蘑菇渣中以產(chǎn)纖維素酶和秸稈降解能力強(qiáng)為指標(biāo)進(jìn)行篩選，篩選出1株能在低溫條件下具有降解秸稈能力的菌株mgz-5^［4］。可降解纖維素的真菌，包括根霉屬（Rhizopus）、青霉屬（Penicillium）、曲霉屬（Aspergillus）和木霉屬（Trichoderma）等。周海賓等研究發(fā)現(xiàn)，與自然腐熟相比，在秸稈堆肥開(kāi)始階段接種3%的黑曲霉，纖維素的降解率可提升1.36倍，表明黑曲霉在秸稈腐熟過(guò)程中加快了纖維素的降解^［5］。最新研究中發(fā)現(xiàn)，多種微生物具有較高的纖維素酶活性，可以促進(jìn)秸稈腐熟，但菌株的功能表現(xiàn)出不穩(wěn)定性且多為單一菌株^［1-5］。

為探究不同時(shí)期理化性質(zhì)的變化與微生物群落變化的關(guān)系，本研究以秸稈為材料，對(duì)秸稈腐熟過(guò)程中的溫度、腐熟指標(biāo)、酶活性與微生物多樣性進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)分析理化性質(zhì)與微生物多樣性之間的關(guān)系，揭示微生物在秸稈腐熟中的作用以及在這一過(guò)程中的生物降解機(jī)制。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)多以產(chǎn)纖維素酶的菌株為主要研究方向，產(chǎn)半纖維素、木質(zhì)素降解相關(guān)酶的菌株鮮有人報(bào)道，本研究能夠?yàn)橐援a(chǎn)纖維素酶、漆酶、木聚糖酶為指標(biāo)篩選高效降解秸稈菌株的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻秸稈取自莊河農(nóng)場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)試劑

苯酚、硫酸、羧甲基纖維素鈉、氫氧化鈉、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖、酒石酸鉀鈉、3，5-二硝基水楊酸、亞硫酸氫鈉、木糖、酒石酸、酒石酸鈉、過(guò)氧化氫、硫酸汞、重鉻酸鉀、硼酸、鹽酸、甲基紅、溴甲酚藍(lán)、乙醇，均購(gòu)自天津市大茂化學(xué)試劑廠。藜蘆醇、木聚糖、ABTS，均購(gòu)自阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)儀器

小容量全溫振蕩培養(yǎng)箱（ZQZY-78C，知楚，上海）；電熱鼓風(fēng)干燥箱；紫外分光光度計(jì)（UV 5200，元析，上海）；可見(jiàn)光分光光度計(jì)（722S，精密，上海）；凱氏定氮儀（KDN816，纖檢，上海）；消化爐（NYP308，纖檢，上海）；pH計(jì)（PHS-3C，雷磁，上海）；熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（JSM-7800F，日本電子，日本）；蒸汽滅菌器（SX-500，TOMY，日本）。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)收割后的秸稈進(jìn)行浸水處理，調(diào)整其含水量至60%～70%，進(jìn)行堆垛（高50～70 cm），秸稈自然腐熟。秸稈腐熟時(shí)間為40 d，在秸稈腐熟進(jìn)行20 d時(shí)進(jìn)行翻垛處理并適量補(bǔ)充水分（試驗(yàn)于2023年7月10日至8月29日進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為大連工業(yè)大學(xué)生物催化技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室）。

秸稈腐熟過(guò)程中，采取五點(diǎn)取樣法，每隔10 d取發(fā)酵堆體頂部向下10 cm處秸稈，用于進(jìn)行擴(kuò)增子測(cè)序分析的樣本于-80 ℃密封保存，40 d后統(tǒng)一送樣測(cè)序；用于進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定的試驗(yàn)樣本，分為2個(gè)部分，一部分放入自封袋中4 ℃干燥避光保存，用于測(cè)定波長(zhǎng)465 nm處吸光度/波長(zhǎng) 665 nm 處吸光度（E4/E6）、pH值、電導(dǎo)率（EC）、可溶性糖含量、酶活性，另一部分自然風(fēng)干后進(jìn)行粉碎，過(guò)120目篩，4 ℃干燥避光保存，用于測(cè)定全氮含量、總有機(jī)碳含量和使用熱發(fā)射場(chǎng)掃描電鏡測(cè)定秸稈表面特征。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 理化性質(zhì)的測(cè)定

從自封袋中稱取10 g樣品放入錐形瓶中并加入100 mL蒸餾水，將錐形瓶放入搖床中，200 r/min振蕩30 min，將錐形瓶中混合物于8 000 r/min離心5 min后使用0.45 μm濾膜進(jìn)行抽濾，濾液存放于50 mL離心管中4 ℃保存，用于測(cè)量pH值、E4/E6值、電導(dǎo)率、可溶性糖含量、酶活性。

溫度：每10 d采用五點(diǎn)取樣法對(duì)發(fā)酵垛進(jìn)行測(cè)溫，每個(gè)取樣點(diǎn)由深至淺每5 cm進(jìn)行1次測(cè)溫并記錄，并測(cè)定和記錄環(huán)境溫度。

pH值：用pH計(jì)測(cè)定濾液pH值并記錄數(shù)據(jù)。

E4/E6值：將濾液加入到比色皿中用可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量波長(zhǎng)465 nm處的吸光度（E4）和波長(zhǎng)665 nm處的吸光度（E6），計(jì)算E4/E6值。

電導(dǎo)率：用電導(dǎo)率筆測(cè)定濾液的電導(dǎo)率并記錄數(shù)據(jù)。

可溶性糖（SC）含量：稱取10 g樣品放入錐形瓶中并加入80 ℃的蒸餾水100 mL，提取樣品中的可溶性糖，充分浸提30 min后進(jìn)行抽濾，取一部分濾液使用苯酚硫酸法測(cè)定可溶性糖含量^［6］。

酶活性：纖維素酶的活性采用NY/T 912—2020《飼料添加劑纖維素酶活力的測(cè)定 分光光度法》^［7］測(cè)定；木聚糖酶的活性采用DB13/T 1090—2009《飼料用酶制劑中木聚糖酶活力的測(cè)定——分光光度法》^［8］測(cè)定；漆酶的活性采用ABTS法^［9］測(cè)定。

總氮含量：稱取0.5 g粉碎后的樣品于消化管中，加入0.4 g CuSO4和6 g K2SO4，以不加樣品為空白對(duì)照進(jìn)行消化，消化后使用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量。

總碳含量：參考土壤學(xué)大辭典^［10］測(cè)定。

總有機(jī)碳（TOC）含量：使用HJ 615—2011《土壤 有機(jī)碳的測(cè)定 重鉻酸鉀氧化-分光光度法》^［11］測(cè)定。

生物可降解指數(shù)（BI）取決于堆肥中總有機(jī)碳含量、可溶性糖含量以及堆肥天數(shù)。將總有機(jī)碳含量、可溶性糖含量以及堆肥天數(shù)（t）代入公式（1）計(jì)算BI。

BI=3.166+0.039TOC+0.832SC-0.011t。（1）

形態(tài)變化：稱取0.5 g粉碎后的樣品，使用掃描電鏡每隔10 d觀察其形態(tài)。

1.5.2 高通量測(cè)序

采用高通量測(cè)序方法對(duì)樣品中微生物的多樣性進(jìn)行測(cè)定，基因組的提取和測(cè)序工作由上海天昊生物科技有限公司完成。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本研究所有試驗(yàn)均進(jìn)行至少3次重復(fù)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式呈現(xiàn)，本研究使用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用SPSS 16進(jìn)行差異顯著性分析（α=0.05），用Origin 2022進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈腐熟過(guò)程中的溫度變化

由圖1可知，在整個(gè)腐熟過(guò)程當(dāng)中，環(huán)境最高溫度為28 ℃，最低溫度為17.7 ℃。發(fā)酵垛內(nèi)最高溫度為37.1 ℃，最低溫度為21 ℃，整個(gè)腐熟過(guò)程中，溫度先上升后下降，于30 d時(shí)達(dá)到腐熟最高溫。

2.2 秸稈腐熟過(guò)程中的理化性質(zhì)變化

2.2.1 pH值、E4/E6、總碳含量、總氮含量、碳氮比、生物可降解指數(shù)、電導(dǎo)率變化

堆肥過(guò)程中不同時(shí)期的pH值、E4/E6、總碳含量、總氮含量、碳氮比、生物可降解指數(shù)、電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)表1。可以看出，隨著秸稈腐熟過(guò)程的進(jìn)行，發(fā)酵垛pH值呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，0～20 d，pH值先從7.14降低至6.82，后上升至7.51。秸稈腐熟初期pH值下降可能與有機(jī)質(zhì)的不完全降解和氨揮發(fā)有關(guān)，隨后，垛內(nèi)微生物利用秸稈中含氮有機(jī)物產(chǎn)生NH3，使堆體pH值緩慢上升至微堿性^［12-13］。

E4/E6值在30 d時(shí)達(dá)到最高值11.56，而后下降至7.64。秸稈經(jīng)過(guò)微生物降解后產(chǎn)生的一種親水酸性物質(zhì)被稱為腐殖酸。它在秸稈腐熟產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)中扮演著重要的角色。腐殖酸被認(rèn)為是一種復(fù)雜的混合物，由具有相似性質(zhì)和芳香結(jié)構(gòu)的酸性物質(zhì)組成。腐殖酸分子含有多種活性官能團(tuán)。從腐熟秸稈中浸提腐殖酸，通過(guò)測(cè)定浸提液中的 E4/E6 值可以用來(lái)評(píng)價(jià)腐殖酸分子中芳香環(huán)的芳構(gòu)化程度、分子量和縮合程度等特性。浸提液中的 E4/E6 值越高則反映出秸稈腐熟物中腐殖酸聚合度越低，而E4/E6值越低則反映出腐殖酸聚合度越高。本試驗(yàn)中E4/E6值在20～40 d時(shí)上升后下降可能是翻垛所致，2次下降趨勢(shì)表明腐殖酸單體聚合。

秸稈中的總碳含量一直下降，最終下降到48.61%。秸稈中的碳源被微生物所利用導(dǎo)致總碳含量降低。秸稈中的總氮含量也一直下降，最終下降到1.60%。由于氨氣的揮發(fā)，導(dǎo)致總氮含量降低。隨著腐熟的進(jìn)行，秸稈中的碳氮比上升至30.381。碳氮比對(duì)微生物的生長(zhǎng)代謝起著重要作用。在生物質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中，碳源和氮源被微生物所利用生成CO2、NH3、硝酸鹽、亞硝酸鹽以及腐殖質(zhì)。因此，在生物質(zhì)腐熟過(guò)程中，碳和氮的變化往往伴隨著微生物群落的變化，總碳含量和總氮含量均呈下降趨勢(shì)，由于微生物利用碳源和氮源的速率不同而導(dǎo)致碳氮比在腐熟過(guò)程中總體處于一個(gè)上升趨勢(shì)，所以每個(gè)腐熟階段的特征可以用碳氮比表示。腐熟堆肥理論上講應(yīng)趨于微生物菌體的碳氮比。

秸稈中的生物可降解指數(shù)先上升至4.102后下降至3.840。生物可降解指數(shù)是由堆體中的總有機(jī)碳含量、可溶性糖含量和堆體發(fā)酵天數(shù)綜合評(píng)價(jià)的腐熟指標(biāo)。生物可降解指數(shù)可以評(píng)價(jià)秸稈是否腐熟，有研究表明，生物可降解指數(shù)在2.9以上時(shí)秸稈未腐熟，腐熟的秸稈生物可降解指數(shù)在2以下^［14］。

濾液的電導(dǎo)率呈先上升后下降最后上升的趨勢(shì)，40 d時(shí)上升至0.67 mS/cm。電導(dǎo)率可代表秸稈腐熟過(guò)程中垛體內(nèi)固體所含可溶性鹽的量，是評(píng)價(jià)秸稈腐熟產(chǎn)物進(jìn)行堆肥是否會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害的一個(gè)重要指標(biāo)，在一定程度上反映堆肥對(duì)植物的毒性以及對(duì)植物的生長(zhǎng)抑制作用，電導(dǎo)率過(guò)大，堆料作為有機(jī)肥施用可能對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生不利影響，最終抑制作物生長(zhǎng)。電導(dǎo)率的下降可能是因?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)消耗堆料中的可溶性鹽，發(fā)酵中期電導(dǎo)率上升可能是因?yàn)槲⑸锘顒?dòng)過(guò)程中降解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生更多的可溶性鹽^［15-18］。

2.2.2 秸稈腐熟過(guò)程中漆酶、纖維素酶、木聚糖酶活性的變化

堆肥過(guò)程中不同時(shí)期酶活性的動(dòng)態(tài)變化如圖2、圖3、圖4所示。秸稈腐熟處于10、30 d時(shí)漆酶活性較高，分別達(dá)到0.96、0.98 U/mL。秸稈腐熟處于40 d時(shí)纖維素酶活性達(dá)到了最高值 0.04 U/mL。秸稈腐熟處于30 d時(shí)木聚糖酶活性達(dá)到了0.08 U/mL。作物秸稈主要由3種物質(zhì)組成，即纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，占秸稈干重的80%以上，包含10%～25%木質(zhì)素、20%～30%半纖維素和40%～50%纖維素，是植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的主要成分。纖維素酶主要包括內(nèi)切葡聚糖酶（EG）、外切葡聚糖酶（CBH）、β-葡糖苷酶（BG），3種酶協(xié)同作用將纖維素分解為葡萄糖單體。半纖維素相對(duì)于纖維素，其聚合度小得多，可反應(yīng)的官能團(tuán)多，所以容易降解，主要通過(guò)β-1，4-外切木聚糖酶、β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶和β-木糖苷酶的協(xié)同作用降解。木聚糖則被β-1，4-外切木聚糖酶和β-1，4-內(nèi)切木聚糖酶切割為聚合度較低的多糖，然后再被 β-木糖苷酶徹底降解。木質(zhì)素降解酶主要包括以血紅素糖蛋白為主的過(guò)氧化氫酶、錳過(guò)氧化物酶及以多酚氧化物為主的漆酶^［19-23］。

2.3 秸稈腐熟過(guò)程中的形態(tài)變化

使用熱發(fā)射場(chǎng)掃描電鏡對(duì)不同時(shí)間的秸稈腐熟物樣品進(jìn)行觀察，秸稈腐熟過(guò)程中的形態(tài)變化如圖5所示。0 d的秸稈中含有的木質(zhì)素、纖維素被包含在蠟質(zhì)層中，蠟質(zhì)層表面光滑致密未被破壞；10 d的秸稈表面蠟質(zhì)層開(kāi)始分解，與0 d相比，秸稈表面出現(xiàn)微生物覆蓋；進(jìn)入20 d后，秸稈的表面蠟質(zhì)層被破壞，被蓋住的纖維逐漸顯露出來(lái)；秸稈腐熟過(guò)程進(jìn)入30 d時(shí)，秸稈中表面結(jié)構(gòu)部分被破壞，出現(xiàn)殘缺，纖維素較多裸露出來(lái)；對(duì)腐熟40 d的秸稈觀察的結(jié)果顯示，秸稈結(jié)構(gòu)明顯變得破碎。

2.4 秸稈腐熟過(guò)程中微生物群落分析

2.4.1 腐熟過(guò)程中細(xì)菌多樣性分析

稀釋度曲線如圖6-a所示，可以看出，測(cè)序數(shù)據(jù)合理。由圖 6-b 可知，有22種細(xì)菌在整個(gè)腐熟過(guò)程中都存在，在0、10、20、30、40 d時(shí)，特有的細(xì)菌物種分別為398、487、1 016、525、694種。所有細(xì)菌物種在屬水平上的物種組成柱狀圖如圖6-c所示。可以看出，0 d時(shí)假單胞菌屬（Pseudomonas）和鞘脂桿菌屬（Sphingobacterium）的相對(duì)豐度較高，經(jīng)歷腐熟過(guò)程后，它們的相對(duì)豐度逐漸降低。10 d時(shí)出現(xiàn)寡養(yǎng)單胞菌屬（Stenotrophomonas）、假黃色單胞菌屬（Pseudoxanthomonas），研究表明，假黃色單胞菌屬具有降解木質(zhì)纖維素的途徑；20 d時(shí)Ohtaekwangia為優(yōu)勢(shì)菌種；30 d出現(xiàn)噬幾丁質(zhì)菌屬（Chitinophaga）。研究表明，Ohtaekwangia和噬幾丁質(zhì)菌屬可抑制真菌生長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)酵垛內(nèi)真菌微生物量降低^［24-25］。40 d 時(shí)根瘤菌屬（Rhizobium）、小單胞菌屬（Micromonospra）的豐度上升，苯基桿菌屬（Phenylobaterium）的出現(xiàn)伴隨著木聚酶活性增加。

2.4.2 腐熟過(guò)程中真菌多樣性分析

由圖7-a可知，稀釋度曲線逐漸平穩(wěn)，確定了測(cè)序數(shù)據(jù)可用。由圖7-b可知，共檢測(cè)到19種真菌在整個(gè)腐熟過(guò)程中都存在，0、10、20、30、40 d檢測(cè)到特有的真菌菌種分別為127、105、88、216、103種。對(duì)秸稈腐熟的各個(gè)時(shí)期的真菌多樣性進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖7-c），0 d主要以紅酵母屬（Rhodotorula）和Papiliotrema為優(yōu)勢(shì)菌屬；10 d的優(yōu)勢(shì)菌屬為曲霉屬（Aspergillus）、鐮刀菌屬（Fusarium）和墨頭菌屬（Coprinopsis），曲霉素豐度變化與漆酶活性變化相似，研究表明，F(xiàn)usarium在秸稈腐熟過(guò)程中可產(chǎn)生相關(guān)酶系加速秸稈腐熟過(guò)程；20 d出現(xiàn)絲葚霉屬（Papulaspora）；30 d時(shí)，Iodophanus為優(yōu)勢(shì)菌屬；40 d時(shí)，Ovatospora為優(yōu)勢(shì)菌屬^［26］。

2.4.3 功能預(yù)測(cè)分析

由圖8和圖9可知，秸稈腐熟過(guò)程中的微生物與化學(xué)異養(yǎng)、需氧異養(yǎng)、硝酸鹽還原相關(guān)，隨著腐熟過(guò)程的進(jìn)行，微生物纖維素、木質(zhì)素、芳香化合物降解功能豐度增加，可能是由于假黃色單胞菌屬、曲霉屬菌株豐度增加導(dǎo)致。

2.4.4 微生物多樣性與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)性分析

由圖10可知，10、20、30、40 d的微生物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性較大，說(shuō)明10、20、30、40 d發(fā)酵垛中的細(xì)菌組成受溫度、pH值、E4/E6、生物可降解指數(shù)、漆酶活性、纖維素酶活性、木聚糖酶活性、總碳含量、碳氮比、可溶性糖含量的影響。變形菌門(mén)（Proteobacteria）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）豐度變化與pH值、E4/E6、漆酶活性、生物可降解指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，浮霉菌門(mén)（Planctomycetes）、疣微菌門(mén)（Verrucomicrobia）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）豐度變化與木聚糖酶活性、碳氮比、溫度和纖維素酶活性呈正相關(guān)關(guān)系。研究表明，Actinobacteria的豐度增加，能夠產(chǎn)生纖維素酶從而促進(jìn)秸稈降解。盡管這些細(xì)菌在發(fā)酵垛內(nèi)豐度不高，但這些門(mén)水平的細(xì)菌豐度變化能夠影響發(fā)酵垛內(nèi)理化性質(zhì)的變化。由圖11可知，20、30、40 d的微生物群落與環(huán)境因子的相關(guān)性較大，說(shuō)明20、30、40 d發(fā)酵垛中的細(xì)菌組成受溫度、pH值、E4/E6、生物可降解指數(shù)、漆酶活性、纖維素酶活性、木聚糖酶活性、總碳含量、碳氮比的影響。子囊菌門(mén)（Ascomycota）豐度變化與漆酶活性、木聚糖酶活性、溫度、生物可降解指數(shù)、碳氮比和纖維素酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，研究表明，垛體內(nèi)銨態(tài)氮的含量會(huì)影響Ascomycota豐度變化^［27］。

3 結(jié)論與討論

降解秸稈的核心在于篩選出能高效降解木質(zhì)纖維素的微生物，并在最佳環(huán)境下培養(yǎng)，使其成為優(yōu)勢(shì)菌群，產(chǎn)生大量相關(guān)酶系，共同完成秸稈降解。研究顯示，真菌在降解木質(zhì)素方面優(yōu)于細(xì)菌和放線菌，但高溫發(fā)酵可能降低其酶活性。因此，篩選出能穩(wěn)定降解木質(zhì)素且適應(yīng)高溫的菌種，有助于提高纖維素降解效果。王秀紅等對(duì)玉米秸稈垛式堆肥不同翻堆時(shí)期的細(xì)菌菌群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，嗜熱脲芽孢桿菌屬、高溫單胞菌屬和芽孢桿菌屬在發(fā)酵前期豐度較高，而梭狀芽孢桿菌屬（Clostridium）、Chryseolinea和假單胞菌屬在發(fā)酵后期豐度較高。在秸稈腐熟的不同階段，優(yōu)勢(shì)功能微生物的種類和功能呈現(xiàn)多樣性。因此，通過(guò)應(yīng)用高通量測(cè)序技術(shù)，可以明確堆肥在不同腐熟時(shí)期優(yōu)勢(shì)菌群的變化。這對(duì)于未來(lái)優(yōu)化菌劑組合、提高腐熟效率具有關(guān)鍵意義^［28-30］。

本研究表明，在秸稈發(fā)酵過(guò)程中，一些豐度較高的菌屬對(duì)秸稈腐熟過(guò)程沒(méi)有貢獻(xiàn)，而一些豐度較低的菌屬如Pseudoxanthomonas、Aspergillus、Actinobacteria可以通過(guò)產(chǎn)酶降解秸稈，推動(dòng)秸稈腐熟進(jìn)程。功能預(yù)測(cè)結(jié)果表明，微生物群落包含纖維素分解功能、木質(zhì)素分解功能、芳香化合物降解功能、尿素分解功能，與其相關(guān)的菌群可能產(chǎn)生纖維素酶、漆酶、木聚糖酶，并可能對(duì)腐熟過(guò)程中碳氮比有影響，可加快腐熟進(jìn)程。本研究可為以纖維素酶、漆酶、木聚糖酶為指標(biāo)篩選能夠高效降解秸稈的菌株提供理論依據(jù)。

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