堆肥微生物：过去，现在和未来

李季 王禄山

（1. 中国农业大学资源与环境学院 生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京 100193；2. 山东大学微生物技术研究院 微生物技术国家重点实验室，青岛 266237）

我国城乡每年产生大量的有机废弃物（约55亿吨），如何实现这些废弃物的处理与利用关系到环境治理、土壤健康和农业的可持续发展，也关系到经济高质量、社会治理一体化和生态碳中和目标的全面实现。据估算，上述有机废弃物中氮、磷、钾养分储量高达7 300万吨，超过全年化肥养分总量（约6 000万吨），有机碳相当于10亿吨标准煤，约为我国能源消耗总量的1/5。

把大量的城乡有机废弃物转化为有机肥，并长期施用于我国农田土壤，既可实现资源利用和减少环境污染，又可发挥显著的替代化肥、改良土壤和固碳减排效应。而实现这些目标的主要技术途径就是好氧发酵技术，也称堆肥技术。

堆肥（composting），是指在人工控制和一定的水分、碳氮比（C/N）和通风条件下，强化或激发微生物的发酵作用、降解废弃有机物、生成腐殖质的过程。堆肥过程中的高温能够杀灭有机废弃物中残留的病原菌、杂草种子等。堆肥也是一种良好的土壤改良剂，能够一定程度减缓连作障碍、提高土壤蓄水保墒能力和农产品品质，促进农业的可持续发展。

堆肥过程由微生物驱动，根据物料温度可以分为升温期、高温期和降温期，不同阶段驱动堆肥过程的微生物类群存在差异。但是由于影响堆肥过程的微生物具有多样性，对其探索仍处于初步阶段。堆肥的研究技术大致经历了三个阶段：传统微生物培养、分子生物学和整合多组学。传统微生物培养阶段，主要借助于微生物分离培养和显微计数等传统手段，了解堆肥中细菌、真菌和放线菌的数量变化，其操作繁琐、局限性较大。分子生物学研究阶段，主要通过DGGE、PLFA、T-RFLP及高通量测序技术等，揭示堆肥过程中微生物群落的动态演替，但可重复性不强，测序精度一般。整合多组学研究阶段，通过整合宏基因组、宏转录组、宏蛋白组及宏代谢组等技术，挖掘堆肥过程中微生物物种组成、基因功能、代谢通路、关键物质等信息，可更加全面地了解堆肥微生物功能演替的生物学机制。

目前堆肥微生物的研究领域主要聚焦两个方面，即内源微生物作用机制和外源微生物接种机理。

近年来，高通量测序及宏组学技术已广泛应用于堆肥领域内源微生物及其影响因素的研究。例如，通过分析堆肥微生物的群落组成及其动态演替过程发现，不同畜禽粪便堆肥具有特定的微生物组成，其变化也不尽相同。对细菌而言，羊粪和牛粪堆肥以变形菌门为主，而鸡粪和猪粪堆肥中厚壁菌门占主导地位；对真菌而言，子囊菌门在所有畜禽粪便堆肥中均占主导地位。通过基于宏基因组学分析的PICRUSt和FUNGuild，可预测堆肥中细菌和真菌功能多样性，发现堆肥过程中纤维素酶活性一般先上升后下降，蛋白酶活性逐渐下降，而脱氢酶活性与微生物活性有关。通过分析高木质纤维素废弃物堆肥腐殖化过程中真菌群落组成发现，担子菌门中的白腐真菌能高效降解木质素。对微生物群落组成与理化指标间的相关性研究发现，厚壁菌门在低C/N物料堆肥中占据主导地位，其中以芽孢杆菌最为活跃，而在高C/N物料堆肥中放线菌门占据优势，Thermobifida fusca被认为是堆肥高温期唯一的纤维素降解者。

国内外学者在堆肥外源微生物接种方面已取得大量工作进展。堆肥接种是指从多样化的环境或物料中，分离驯化出具有不同功能的优势微生物菌株，并通过培养发酵制成菌剂，然后将菌剂接种到堆料中的一类方法。通常将这些用于堆肥接种的单一或复合微生物菌剂称作“堆肥接种剂”或“发酵接种剂”（inoculant）。20世纪30年代，我国土壤肥料学家彭家元与陈禹平在《元平式速成堆肥》中，根据好热性纤维素分解菌（现定名为堆肥发酵菌）的特点，提出了农村有机肥的快速堆制发酵方法，并成功富集培养出高温纤维分解菌，定名为“元平菌”。使用后可促进堆肥升温，使纤维素成分迅速分解，发酵时间由通常的4、5个月缩减至3周即可完全腐熟，这是我国最早记载的堆肥接种研究。20年后，即1954年，美国加州大学伯克利分校的Clarence G. Golueke教授在西方开展了早期的堆肥研究，通过将微生物培养物和土壤添加到马粪中进行堆肥，发现尽管接种剂富含大量微生物，但是对堆肥进程和产品质量均无显著效果。造成无效果的原因一方面可能是堆肥物料中优势微生物种群数量大，接种的微生物种群还未来得及繁殖成为优势种，堆肥物料中的已有优势微生物已迅速繁殖，并对接种的外源微生物产生了抑制；另一方面，可能是堆肥中有机物种类多、成分复杂，已有优势微生物已经对这些有机物有了较好的适应及分解利用能力，而接种的微生物种群还需适应这些有机物或对这些有机物分解利用不充分，从而无法达到效果。

近年来随着微生物群落研究的深入以及有机肥企业的快速发展，国内外对堆肥接种研究关注较多。堆肥接种微生物主要涵盖芽孢杆菌、乳杆菌属、假单胞菌属、固氮菌属等细菌，木霉菌、白腐真菌、毛壳菌等真菌，链霉菌属、诺卡氏菌属等放线菌。接种微生物添加量以0.05%-1%居多，添加方式多采用在堆肥初期接种；在接种菌的类型上也分为单一菌剂和复合菌剂，多以复合菌剂为主。已有研究表明，通过堆肥接种，可加快堆体升温速度、延长高温持续时间，缩短发酵周期；加速堆体中有机物质的降解，减少氮素损失，提高养分含量，减轻或消除物料臭味；提升微生物种类、数量和群落多样性，提高纤维素酶、脲酶等酶活性和峰值；此外，还可以加速堆体腐熟，提高堆肥产品质量，提升产品肥效和功能性，降低植物毒性，抑制土传病害等植物病害。

为推进国内堆肥微生物领域研究进展交流，由微生物技术国家重点实验室、中国农业大学资源与环境学院主办，山东大学微生物技术研究院和生物多样性与有机农业北京市重点实验室承办的“2021年首届堆肥微生物学术研讨会” 于2021年8月2-3日在青岛鳌山湾畔隆重召开。会议设置了堆肥微生物群落结构研究、堆肥微生物机制研究、功能堆肥微生物的筛选、堆肥微生物接种效果、堆肥与产业政策、堆肥及技术应用6个主题，来自中国科学院、中国农业大学、南京农业大学、福建农林大学、广东省农业科学院、东北农业大学等10余所高校、研究所及知名企业共20名专家学者，为大会呈现了精彩纷呈的学术报告，讨论堆肥微生物的基础研究和产业应用，实现堆肥过程的高效、高值、低污，提高我国有机废弃物循环利用效率，提升废弃物循环利用的产业化水平。会后主办方与《生物技术通报》编辑部讨论决定出版“堆肥微生物专题”，邀请国内相关领域科研团队，以基于组学技术的堆肥微生物群落及功能微生物为主题，撰写了6篇研究论文，形成了本专题。内容涵盖堆肥对根际作物的抑病机理［1］、堆肥微生物群落演替［2］、功能微生物的作用机制［3］、堆肥腐殖化的非生物/生物调控机制［4］、嗜酸性硫杆菌等堆肥接种的应 用等［5-6］。

值此专刊出版之际，谨向所有提供稿件的专家及审稿专家致谢，向《生物技术通报》编辑部致谢，感谢大家为我国堆肥微生物研究成果展示和交流做出的贡献。