基于堆肥过程中关键溶磷菌环境参数的磷组分分布调节方法

    本研究对不同有机废弃物堆肥过程中可培养的解磷细菌(PSB)群落的丰度、影响范围和多样性进行评估。通过冗余分析(RDA)分析了影响不同磷(P)组分的主要PSB及其与环境变量的关系。结果表明，不同原料堆肥的PSB数量、发生率和群落组成均存在显著差异。回归分析显示PSB的密度和发生率与pH、温度、OM和DOC/DON之间存在显著的正相关。大多数可培养的PSB与厚壁菌门(Firmicutes)和变形杆菌门(Proteobacteria)的同源性较高。13种主要的PSB与不同磷组分的变化密切相关(p < 0.05)。最后，根据主要的PSB和磷组分及环境参数之间的关系，提出了一种控制堆肥过程中磷组分分布的控制方法。

研究背景：

堆肥是被广泛用来固定不同有机固体废弃物的方法，主要通过在受控条件下的微生物群落来降解生物可降解的组分。所获得的堆肥适合作为土壤的改良剂，并且能够回收废弃物(de Guardia et al., 2010)。在堆肥的整个过程中，有一系列不同的优势微生物群落，包括细菌、放线菌和真菌，在堆肥过程和堆肥特性中都发挥着关键作用(Pepe et al., 2013; Lopez-Gonzalez et al., 2015)。因此，了解堆肥过程中微生物群落结构和生物量对于预测堆肥对土壤的潜在影响具有重要意义。

磷(P)是一种重要的矿物养分，且常限制植物的生长，故以施加磷肥的方式作用于土壤中(Wei et al., 2015; Chang and Yang, 2009)。然而，由于化肥在土壤中会被迅速固定而植物无法利用，故施加到土壤中的磷肥仅有5-30%被植物回收利用(Manderet al., 2012)。解磷细菌(PSB)在自然和农业生态系统的生物地球化学磷循环中起着重要作用，可以通过酸化、螯合、交换反应和聚合物质的形成，将难溶性磷转化为对植物有效的形态(Chang and Yang, 2009)。目前，在PSB方面的研究较多，且有研究发现大量的细菌表现出溶磷能力(Vassilev et al., 2014; Mander et al., 2012; Oliveira et al., 2009)。除假单胞菌(Pseudomonas)及芽胞杆菌(Bacillus)外，还包括节杆菌(Arthrobacter)、肠杆菌(Enterobacter)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、变形杆菌(Proteus)及沙雷氏菌(Serratia)等(Acevedo et al., 2014)。虽然PSB可以提高农业效益，但在土壤中仅占细菌总数的1-50%，其丰富程度不足以与其他微生物竞争(Sharma etal., 2013)。为克服该问题，使用基于PSB的生物肥料可能有助于提高对难溶性磷的吸收。

由于堆肥生态系统具有丰富的细菌生物量和多样性，且具有不同的酶解能力，因此在含有难溶性无机磷的选择性培养基上进行了大量的筛选和鉴定PSB的研究(Jurado etal., 2014; Chang and Yang, 2009)。然而，解磷细菌群的组成可能受复杂的堆肥环境条件的影响(Lopez-Gonzalez et al., 2015)。同时，堆肥过程和原料的不同也会影响堆肥过程中PSB的数量和多样性(Changand Yang, 2009)。但是，很少有研究报道利用培养和分子技术来探究关于不同原料堆肥过程中溶磷细菌多样性的演替与分布。

本研究提出了一种过程控制方法，通过调节堆肥过程中与主要可培养PSB菌种有关的环境因素，这将是一种有益而直接的调节P状态的策略。同时，利用DGGE和RDA筛选关键微生物群落的方法也可用于未培养物种，在具有生物化学潜力的现存微生物中所占比例较大(Ward et al., 1990)。未来需要进一步的研究，通过过程控制方法调节P组分的分布，提高对堆肥过程中溶磷微生物的多种生化能力所引起的磷转化机理的认识。

结论：

不同堆肥对PSB的数量、发生率和群落组成均有显著的影响，与原料、pH、温度、OM和DOC/DON的差异有显著的相关性。厚壁菌(Firmicutes)和变形杆菌(Proteobacteria)是可培养PSB菌种的优势门。在初始和高温阶段，PSB的多样性指数较高。不同磷组分的变化与PSB群落变化显著相关，尤其是13个主要的PSB菌种。本研究基于主要的PSB菌种和磷组分及环境参数之间的关系，提出了一种堆肥中磷组分分布的调整方法。