成果一：生物炭添加促進堆肥過程中腐殖質合成的機制
堆肥過程中腐殖質的合成是提高有機肥品質的關鍵。生物炭已被發(fā)現是一種低成本、環(huán)保和有效的腐殖質合成促進劑，但在堆肥過程中，生物炭驅動腐殖質合成的機制尚不清楚。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團隊研究了生物炭添加對桑枝和豬糞堆肥過程中腐殖質合成的影響（圖1）。利用熒光光譜、高通量測序、宏基因組學和代謝組學等先進技術，綜合分析了堆肥過程中真菌群落、功能基因和代謝特征，闡釋了生物炭添加對腐殖質形成的影響機制。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照提高了17.4%和39.4%。添加生物炭顯著提高了溫度、木質纖維素降解以及脲酶、過氧化物酶、錳過氧化物酶和木質素過氧化物酶的活性，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。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。最終，生物炭添加顯著提高了成熟期外源性物質代謝(雙酚類代謝和醌類生物合成)和氨基酸代謝(色氨酸代謝和酪氨酸代謝)，從而通過產生喹啉類、酚類和芳香氨基酸等代謝產物促進腐殖質物合成。綜上所述，生物炭添加可以通過選擇性調節(jié)堆肥過程中真菌群落和代謝特征，有效促進腐殖質的合成，從而有利于有機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研究員為共同作者。研究得到了國家重點研發(fā)計劃課題（2022YFF1300704）和廣西“八桂學者”項目支持。
圖1 生物炭添加促進堆肥過程中腐殖質合成的機制示意圖
成果二：石灰?guī)r粉末添加促進堆肥過程中病原菌劑清除的機制
堆肥過程中病原菌清除對有機肥的安全利用和糧食安全至關重要。然而，用于清除病原菌的簡單、低成本和生態(tài)友好的技術極為稀缺。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團隊探討了喀斯特區(qū)豐富的石灰?guī)r(主要成分為碳酸鈣)粉末添加對堆肥過程中病原體清除的效果并闡釋了背后的機制（圖2）。采用高通量測序和代謝組學技術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，同時提高了堆肥的溫度、pH、電導率和胞外酶活性。碳酸鈣添加強烈改變了真菌群落組成，增加了升溫期真菌的Shannon指數和系統發(fā)育多樣性，Shannon指數與病原菌豐度呈正相關。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物，包括脂肪酸降解產生的8-異前列腺素f2 -乙醇酰胺，芳香氨基酸代謝產生的Xanthium、5-(3,4-二羥基芐基)六氫嘧啶-2,4,6-三酮和扁枝衣二酸，這些代謝產物在高溫期負責清除鐮刀菌、白粉菌、炭疽菌、假尾孢菌、腐霉菌和輪枝菌。該項研究表明，添加碳酸鈣可有效清除堆肥過程中的病原菌，從而有利于農業(yè)病害防控和糧食生產安全。
本研究以Unearthing the mechanisms underlying calcium carbonate therapies for eliminating pathogens during composting為標題發(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，何尋陽研究員參與了該項目工作。研究得到了廣西“八桂學者”項目支持。
圖2 石灰?guī)r粉末添加促進堆肥過程中病原菌清除的機制示意圖
成果三：生物炭和石灰?guī)r粉末添加減少堆肥過程中氧化亞氮排放的機制
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源，因此，如何減少堆肥過程中氧化亞氮排放是兼顧種養(yǎng)廢棄物資源化利用與實現“雙碳”目標需要回答的重要問題。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團隊探討生物炭和石灰?guī)r（主要成分為碳酸鈣）粉末添加對堆肥過程中氧化亞氮排放的影響機制。結合無機氮、溶解有機碳和氮、氧化亞氮來源和功能基因等指標開展了系統性研究。與對照組相比，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)和真菌介導的氧化亞氮產生速率減少是導致生物炭和碳酸鈣添加后氧化亞氮排放減少的主要原因。進一步分析發(fā)現，氨氧化菌(AOB)和真菌介導的氧化亞氮產生速率減少是由于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了氧化亞氮還原為N2所致。該項研究表明，生物炭或碳酸鈣添加可有效減少堆肥過程中氧化亞氮的排放，為堆肥過程中溫室氣體減排提供了一種經濟有效的技術選擇。
本研究以Mechanisms of mitigating nitrous oxide emission during composting by biochar and calcium carbonate addition為標題發(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目工作。研究得到了國家重點研發(fā)計劃課題（2022YFF1300704）和廣西“八桂學者”項目支持。
圖3 生物炭和石灰?guī)r粉末添加減少堆肥過程中氧化亞氮排放的機制示意圖
成果四：堆肥高溫期負責木質纖維降解的細菌群落組成與功能
堆肥過程中木質纖維降解效率直接影響堆肥的品質，因此，解析堆肥過程中負責木質纖維的微生物群落組成具有重要意義。堆肥過程中有機物料的分解轉化由各種微生物參與完成。然而，細菌群落及其功能通常因堆肥物料而異。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團隊研究了桑枝與蠶沙(MSE)、豬糞(MPM)和牛糞(MCD)混合堆肥高溫期的優(yōu)勢菌屬及其功能。桑枝與牛糞混合堆肥時 -葡萄糖苷酶和內切葡聚糖酶活性最高，而與豬糞堆肥時活性最低。隨機森林模型和相關分析表明，無論堆肥材料如何，寡養(yǎng)單胞菌、芽孢桿菌和中華芽胞桿菌都是參與木質纖維素降解的優(yōu)勢細菌屬。碳水化合物代謝、氨基酸代謝和DNA復制與修復是三種堆肥類型中細菌群落的主要功能。針對木質纖維素降解基因的定量分析進一步證實了細菌群落的優(yōu)勢功能。該項研究為堆肥過程中降解木質纖維的優(yōu)勢菌屬篩選及堆肥效率調控提供了科技支撐。
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，何尋陽研究員和王克林研究員為共同作者。研究得到了國家級人才計劃和廣西“八桂學者”項目支持。
圖4 堆肥過程中寡養(yǎng)單胞菌、芽孢桿菌和中華芽胞桿菌對木質纖維降解作用機制示意圖
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