有機固體廢棄物伴隨著人類生產(chǎn)、生活而產(chǎn)生，包括畜禽糞便、作物秸稈、廚余垃圾、城市生活垃圾以及市政污泥等，產(chǎn)生量巨大，對環(huán)境造成的壓力與日俱增。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生量極其巨大。數(shù)以幾十億噸計的農(nóng)業(yè)廢棄物已經(jīng)成為中國最大的污染源。2016年經(jīng)國家農(nóng)業(yè)部、住建部的估算全國每年產(chǎn)生畜禽糞污3.8×10⁹t，綜合利用率不到60%；每年產(chǎn)生秸稈近9×10⁸t，未利用的約2×10⁸t；城市污泥產(chǎn)生量達到約3.5×10⁷t，處置率在50%~70%；城市生活垃圾產(chǎn)生量達到1.8×10⁸t。

依據(jù)2020年第二次全國污染普查公報顯示，畜禽糞污化學需氧量的排放量遠遠超過中國工業(yè)廢水和生活廢水的排放量之和，占比全部排放量的49.8%。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程的加快，有機固體廢棄物的產(chǎn)生量越來越大。特別是，畜禽糞污成為我國最大的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染源和有機固體廢棄物，且養(yǎng)殖規(guī)模仍在持續(xù)擴大，排放總量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，大量產(chǎn)生和累積所帶來的環(huán)境風險與資源循環(huán)利用等問題尤為突出。有研究測算，我國有6個省市是畜禽糞便污染較重的區(qū)域，單位農(nóng)田面積的畜禽糞便總氮磷負荷超過歐盟的限量標準。近年來，我國陸續(xù)發(fā)布了畜禽糞污資源化利用的相關(guān)指導(dǎo)文件，旨在推動畜禽糞污的綜合利用與無害化處理，防治畜禽養(yǎng)殖污染。好氧堆肥技術(shù)由于具有無害化、資源化程度高，減量化效果明顯，成本低等優(yōu)點而成為有機固體廢棄物無害化和資源化的最有發(fā)展?jié)摿Φ姆绞街?。眾多實踐表明，好氧堆肥技術(shù)是促進畜禽糞污資源化利用，解決畜禽糞污處理的重要技術(shù)途徑。

好氧堆肥的生物轉(zhuǎn)化過程本質(zhì)上是一個以碳氮硫（C、N、S）富營養(yǎng)的有機物為底物的生物化學多因素共同影響下，在劇烈的水熱氣變幅條件下，多種功能微生物協(xié)同、競爭或耦合等作用下的復(fù)雜過程，最終形成穩(wěn)定的產(chǎn)物—有機肥。微生物在好氧堆肥過程中扮演著分解者的角色，由于好氧堆肥體系的復(fù)雜性，蘊含著復(fù)雜多樣的微生物群體在好氧堆肥體系的不同時間、空間發(fā)揮作用，不同生態(tài)位的微生物對不同的物質(zhì)組分進行著礦化作用，從而實現(xiàn)有機固體廢棄物的整體礦化。因此，微生物是決定有機固體廢棄物的好氧堆肥過程中生物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，起到至關(guān)重要的作用。

在好氧堆肥體系中，驅(qū)動物質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物過程會產(chǎn)生大量的氮、硫惡臭氣體，造成氮素損失和惡臭環(huán)境污染，其中，NH₃、N₂O的排放損失可達到24%~77.4%、0.2%~9.9%的好氧堆肥初始總氮量，N₂O作為一種重要的溫室效應(yīng)氣體，其溫室效應(yīng)是CO₂的296倍。全球每年畜禽糞便好氧堆肥過程產(chǎn)生的N₂O更是達到了1.2×10⁶t。惡臭硫氣體（硫化氫、甲硫醚、甲硫醇、二甲基二硫等）排放則成為限制好氧堆肥技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)境因素，硫素損失可占好氧堆肥初始總硫量的8%~26%，以硫化氫的排放通量最大，其次是甲硫醇、甲硫醚。因此，由功能微生物驅(qū)動的氮硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化是好氧堆肥過程的關(guān)鍵物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，既與最終產(chǎn)品（有機肥）的品質(zhì)密切相關(guān)，也關(guān)系到惡臭氣體排放等次生環(huán)境污染問題，是開展好氧堆肥技術(shù)研究的關(guān)鍵科學問題。堆肥微生物主要是受到了堆肥的通氣情況、C/N、濕度、溫度、pH等因素的影響，針對影響堆肥微生物的因素進行調(diào)控，可有效提升好氧堆肥處理效率。

近年來，隨著分子生物學、高通量測序技術(shù)等學科的發(fā)展，大大促進了對環(huán)境中未培養(yǎng)的微生物的研究深度，使我們能夠深入探索環(huán)境微生物的多樣性及其潛在作用機制。本文就好氧堆肥過程中的微生物多樣性以及氮硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程微生物作用機制進行綜合評述，為進一步研究有機固體廢棄物生物轉(zhuǎn)化的微生物過程、調(diào)控好氧堆肥技術(shù)提供科學依據(jù)。

1　好氧堆肥過程的微生物多樣性

在好氧堆肥的生物轉(zhuǎn)化過程中，有機物質(zhì)都要經(jīng)過微生物礦化作用，這就是微生物對物質(zhì)循環(huán)起著關(guān)鍵作用的原因，提升相關(guān)功能微生物的代謝活性則能更好地促進有機物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化作用。由于堆肥過程存在劇烈的溫度變化階段（大致包括升溫-高溫-降溫3個階段）以及堆體表層-內(nèi)部的氧氣不均一性形成氧氣差異，從而引起微生物群落的演替變化，因此時間與空間異質(zhì)性顯著影響著微生物的分布及其生化反應(yīng)過程。

好氧堆肥中普遍存在細菌、真菌、放線菌等微生物，其數(shù)量級可分別達到10⁹~10¹⁰、10³~10⁷、10⁵~10⁸CFU/g。在整個堆肥過程中，相對于真菌、放線菌，細菌數(shù)量占據(jù)著顯著的優(yōu)勢，其代謝能力
及多樣性也更加豐富。

1.1　好氧堆肥過程的細菌群落結(jié)構(gòu)變化

細菌由于具備耐高溫、易于利用多種營養(yǎng)物質(zhì)快速生長等優(yōu)點，是整個堆肥過程中最主要的降解者。不同堆肥原料的細菌群落結(jié)構(gòu)存在一定的差異，基于細菌高通量測序的研究顯示，堆肥過程中主要細菌門類包括了擬桿菌門（Bacteroides）、變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria），綠彎菌門（Chloroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）有時候也會占據(jù)優(yōu)勢地位。值得注意的是，驅(qū)動氮循環(huán)中硝化作用的關(guān)鍵微生物主要是變形菌門，驅(qū)動反硝化作用的關(guān)鍵微生物包括了變形菌門和厚壁菌門，驅(qū)動厭氧氨氧化作用的關(guān)鍵微生物則是浮霉菌門，而放線菌門能夠產(chǎn)生木質(zhì)纖維素水解酶負責纖維素降解等參與碳素轉(zhuǎn)化過程。

隨著堆肥過程的推進，細菌群落結(jié)構(gòu)受到溫度、深度、氮素轉(zhuǎn)化過程的影響而發(fā)生演替。在牛糞與稻草混合堆肥過程中，擬桿菌門（Bacteroides）和變形菌門（Proteobacteria）是最豐富的門，而放線菌門（Actinobacteria）僅在升溫階段占主導(dǎo)，浮霉菌門（Planctomycetes）數(shù)量則在降溫期大幅提升，這提示了堆肥后期可能發(fā)生厭氧氨氧化作用。而在玉米秸稈堆肥的高溫階段，占據(jù)優(yōu)勢的放線菌門（Actinobacteria）則在促進纖維素的降解方面發(fā)揮了重要作用。針對堆肥不同深度的菌群結(jié)構(gòu)分析仍不多見，現(xiàn)有研究顯示，受堆肥深度顯著影響的細菌屬水平上物種包括了Planifilum、Thermopolyspora、Truepera、Streptomyces、Pseudoxanthomonas等，且細菌群落多樣性差異在高溫階段受到了深度和堆肥時間的影響而在降溫階段則是與堆肥深度顯著相關(guān)。從以上的菌群結(jié)構(gòu)演替過程可知，堆肥體系中特定微生物種群變化是隨著堆肥中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和多種環(huán)境因子變化等復(fù)雜因素的適應(yīng)性過程。

1.2　好氧堆肥過程的真菌群落結(jié)構(gòu)變化

真菌是堆肥微生物菌群的重要組成部分，堆肥過程中主要真菌門類包括了子囊菌門（Ascomycota）、擔子菌（Basidiomycota）。針對雞糞好氧堆肥的真菌群落結(jié)構(gòu)時空演替研究中，堆肥升溫期主要是酵母菌屬（Saccharomycetalessp.），堆肥高溫期主要是糞殼菌屬（Sordarialessp.）、嗜堿枝頂孢菌（Acremonium alcalophilum）、酵母菌屬（Saccharomycetales sp.）、Scedosporiumminutisporum，堆肥降溫期則是Scedosporiumminutisporum；在堆肥降溫期不同深度的真菌群落相對豐度更均勻，且Scedosporium minutisporum是受到堆肥深度顯著影響的真菌群落。同時，溫度、水分、pH和氧化還原電位等環(huán)境條件均是影響真菌群落結(jié)構(gòu)的重要因子，在對豬糞好氧堆肥的研究顯示，溫度是影響真菌多樣性的重要因素，而氧化還原電位、水分、灰分則影響堆肥中優(yōu)勢真菌的豐度。

堆肥中嗜熱性真菌的多樣性及其纖維素降解活性等方面也受到廣泛關(guān)注，特別是嗜熱性真菌通過分泌各種類型的纖維素分解酶和木質(zhì)素分解酶來促進有機物的降解，這些具有在高溫下保持活性的酶得以幫助嗜熱性真菌在堆肥高溫期進行代謝活動，曲霉菌屬（Aspergillussp.）、毛殼屬（Chaetomiumsp.）、腐質(zhì)霉屬（Humicolasp.）、毛霉屬（Mucorsp.）、青霉屬（Penicilliumsp.）和嗜熱屬（Thermomycessp.）是堆肥系統(tǒng)的主要活躍真菌種群。

2　好氧堆肥過程的氮素轉(zhuǎn)化

好氧堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化涉及到若干個生化反應(yīng)，包括了硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用等（圖1）。參與硝化作用和反硝化作用的生物學過程是較早被研究的氮素轉(zhuǎn)化過程，厭氧氨氧化作用則是較晚發(fā)現(xiàn)的氮素轉(zhuǎn)化過程，相關(guān)酶基因如氨單加氧酶（amoA）、亞硝酸鹽氧化還原酶（nxrAXB）、硝酸鹽還原酶（narG）、亞硝酸鹽還原酶（nirK、nirS）、氧化亞氮還原酶（nosZ）、聯(lián)氨合成酶（hzsABC）和聯(lián)氨氧化酶（hzo）是評估氮素轉(zhuǎn)化和氮素損失情況的重要分子指標。

2.1　硝化作用

氨氧化作用（Ammoniaoxidation）是硝化過程的限速步驟，由氨單加氧酶（amoA）催化NH4+向羥胺（NH₂OH）轉(zhuǎn)化，研究參與氨氧化作用的微生物菌群是解析銨硝轉(zhuǎn)化的首要問題,也是影響堆肥中NH₃排放的主要生化反應(yīng)，且氨氧化過程中間產(chǎn)羥胺的分解是產(chǎn)生N₂O的其中一條途徑。長期以來，催化氨氧化反應(yīng)的氨單加氧酶（amoA）被普遍認為是變形菌綱的氨氧化細菌（ammonia-oxidizingbacteria，AOB），研究者發(fā)現(xiàn)在海洋、土壤等自然環(huán)境中廣泛分布著另一類具有氨氧化能力的微生物—氨氧化古菌（ammonia-oxidizingarchaea，AOA），AOA的發(fā)現(xiàn)，極大的促進了圍繞AOA、AOB在不同生態(tài)環(huán)境中的發(fā)揮氨氧化作用的微生物學研究，進一步有研究者發(fā)現(xiàn)海洋中氨氧化古菌具有產(chǎn)生N2O的能力。

利用PCR-DGGE技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，堆肥中同樣存在著大量的AOA，堆體溫度、全氮、NO₂-和NO₃-等堆肥理化指標對AOA群落演替有著顯著的影響。Zeng等報道，在堆肥中增加有機物料降低了AOB基因拷貝數(shù)，提高了AOA基因拷貝數(shù)。堆肥體系中，AOB也受到高溫、氧氣含量等條件的影響，特別是在高溫階段的活性受到抑制，AOB可能在堆肥腐熟階段發(fā)揮作用，AOA基因豐度則可能在高溫和高濃度NH4+條件下占據(jù)優(yōu)勢。這些研究結(jié)果表明，

在堆肥過程中，AOA、AOB有可能分別在堆肥的不同階段發(fā)揮著氨氧化作用，實現(xiàn)NH₄⁺向NO₃⁺的轉(zhuǎn)化。在對牛糞好氧堆肥中AOA、AOB的微生物群落多樣性研究中發(fā)現(xiàn)，AOB的系統(tǒng)發(fā)育多樣性高于AOA，氧氣、硝態(tài)氮、pH、水分、C/N等環(huán)境因子與AOB的多樣性有顯著的相關(guān)性，但與AOA無關(guān)。這一研究顯示AOB對牛糞堆肥過程中硝化作用更為重要。針對亞硝酸鹽氧化還原酶（nxrAXB），是隨著氨氧化作用之后負責催化NO₂-向NO₃-轉(zhuǎn)化的功能酶，在堆肥過程中的研究較少，僅有一些研究結(jié)果顯示，堆肥中nxrA的基因拷貝數(shù)在腐熟階段呈現(xiàn)上升趨勢，且與NO₃-的積累有關(guān)，這與在土壤中的研究結(jié)果相一致。

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