牛粪静态好氧堆肥中反硝化细菌群落结构的研究
堆肥化技术是资源化、减量化和无害化处理牛粪和秸秆的主流技术。为了克
服传统堆肥生产周期长和产品质量不稳定等缺点,本文采用了一种新型的静态好
氧高温堆肥技术。
反硝化细菌是反硝化过程的驱动力,可导致氮素流失并造成污染环境,在堆
肥过程中扮演重要角色。因此,对反硝化细菌群落开展研究有助于加深对堆肥氮
循环理论的理解,并且有助于改进堆肥技术。
本文测定堆肥过程中理化指标和生物学指标（温度、pH、含水率、总有机碳、
凯氏氮、碳氮比、铵态氮含量、硝态氮含量、铵态氮与硝态氮比值以及种子发芽
指数）,通过高通量测序技术分析牛粪秸秆堆肥过程中反硝化细菌的群落结构和
多样性变化,应用Spearman相关性热图分析堆肥中优势反硝化细菌菌属与环境
因子之间的相关性。主要研究结果如下:（1）本研究堆肥化共持续17天,第4
天进入高温期,并维持高温14天。
通过综合评价pH、含水率、总有机碳（TOC）、凯氏氮（TKN）、C/N、铵态氮
（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、
NH₄⁺-N/NO₃^--N比值和种子
发芽指数（GI）指标,结果表明采用该新型堆肥技术处理的堆肥产品达到腐熟。
（2）利用高通量测序技术分析了牛粪和秸秆混合堆肥过程中nirK细菌群落动态
变化,结果分析表明在堆肥前期反硝化细菌群落丰富度最大,通过Alpha多样性
分析表明不同时期堆肥样品反硝化细菌多样性指数存在差异,堆肥前期反硝化细
菌群落多样性最高,堆肥后期较低。
通过Beta多样性分析结果表明堆肥不同时期样本间反硝化细菌群落结构差
异显著。（3）在门分类水平上对牛粪和秸秆混合堆肥中nirK型反硝化细菌群落
结构组成分析,结果表明在堆肥中反硝化细菌主要为变形菌门（Proteobacteria）。
Unclassified的反硝化细菌占比也比较多,表明在堆肥中存在大量未探明
的反硝化细菌。在堆肥前期nirK型反硝化细菌主要是β-变形菌纲
（Alphaproteobacteria）,随着堆肥进程,β-变形菌纲（Betaproteobacteria）
相对丰度逐渐减少,α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）逐渐占主导位置。
从目分类水平分析,优势菌属主要属于根瘤菌目（Rhizobiales）、红杆菌目
（Rhodobacterales）和伯克氏菌目（Burkholderiales）,其中根瘤菌目
（Rhizobiales）的种类最多,但是伯克氏菌目（Burkholderiales）的相对丰度
最高。在堆肥过程中,Rhizobiales相对丰度整体呈逐渐上升的趋势,在腐熟期达
到最高。
在初始期和升温期Burkholderiales相对丰度较大,并且是这两个时期的优
势种群,随着温度的升高,其相对丰度逐渐降低,进入腐熟期后又略微上升。
Rhodobacterales主要存在于堆肥初始期,随着堆体温度上升相对丰度逐渐减少,
在高温期达到0.19%,在堆肥后期降低为0.01%。
从属分类水平分析,堆肥中大多数优势菌属都为未探明的反硝化细菌。（4）
Spearman相关性分析表明,除了unclassified_Alcaligenaceae和
Ochrobactrum剩余10个nirK型反硝化细菌优势菌属变化与环境指标相关。
Unclassified_knorank_dB
acteria和unclassified_oRhizobiales与TOC、C/N、
含水率、pH呈负相关,与TKN、NO₃^--N、GI呈正相关,
其他8个优势菌属与TOC、C/N、含水率、pH呈正相关,与TKN、
NO₃^--N、GI呈负相关。
Unclassified_oRhizobiales与
NH₄⁺-N之间呈极显著负相关
（p<0.001）,unclassified_pProteobacteria与
NH₄⁺-N之间呈极显著正相关
（p<0.001）,Pusillimonas与NH₄⁺-N之间呈极显
著正相关（p<0.001）,Paracoccus与NH₄⁺-N之间
呈显著正相关（p<0.05）。
所有优势菌属与温度不相关。