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2020 年 9 月，山東大學郭衛華教授課題組在 Bioresource Technology（IF：7.539）雜誌在線發表了題為「Insight into the effect of nitrogen-rich substrates on the community structure and the co-occurrence network of thermophiles during lignocellulose-based composting」的研究論文，深入解析了堆肥過程中添加富氮底物對嗜熱微生物群落結構的影響，揭示了堆肥過程中嗜熱微生物群落組裝過程，並為微生物間的共生網絡提供了新穎的見解。

文章中微生物多樣性實驗由歐易生物完成。

研究背景

堆肥作為一種經濟、環保的技術，廣泛應用於農業和工業有機廢物的處理。嗜熱微生物作為堆肥過程的主要參與者，其群落的演替與堆肥過程中有機質的動態變化關係密切。然而，以往的研究大多集中在堆肥過程中嗜熱細菌群落的演替上，忽視了嗜熱真菌的重要性以及微生物之間的互作。

實驗設計

研究結果

1. 微生物群落特徵

在堆肥過程中，所有處理的細菌多樣性（Shannon指數）都呈現先減少後增加的趨勢（B），這可能與溫度的變化有關（A）。相比之下，真菌的Shannon指數在四個處理中並沒有表現出一致的趨勢，說明真菌多樣性更容易受到原料獨特環境的影響。此外，基於chao1指數的堆肥樣品的物種豐富度也符合上述變化。

2. 微生物群落組成的時間動態

基於PCoA結果表明，原料和堆肥過程顯著影響細菌（PERMANOVA，原料：p<0.001，堆肥過程：p<0.01）和真菌（PERMANOVA，原料：p<0.001，堆肥過程：p<0.001）群落結構。堆肥過程中嗜熱菌群落的演替可以看作是放線菌門和厚壁菌門之間的動態平衡，原料的性質可能是主要的驅動因素，酶活和酶譜的結果也支持這一觀點。

在蘆葦秸稈堆肥系統中，蛋白質含量較低的富氮基質聚集了以木質纖維素為主的微生物群落。RF和RP中以芽孢桿菌（厚壁菌門）為主。RC和RM中主要富集參與木質纖維素的降解的細菌，在高溫下具有極強的降解半纖維素的能力。Thermomyces lanuginosus 則是蘆葦秸稈堆肥過程中主要的真菌。

3. 共現網絡的拓撲性質

多個網絡拓撲指標表明，不同堆肥處理間共線性網絡存在顯著差異。RF中微生物共現網絡的邊數和密度所顯示的複雜性最高，其次是RP、RM和RC。高度連接的網絡提供了更多的功能冗餘，具有更大的群落穩定性和對分布的抵抗力，這表明添加營養豐富的基質更有可能在堆肥過程中保持微生物群落組成的穩定性。

在微生物的互作網絡中，細菌-細菌連接的相對比例最大，為80.0-93.3%。值得注意的是，共現網絡中微生物間的相關性以正相關為主（範圍為70.6-78.8%），表明在堆肥系統中微生物通過積極的關係促進物質的降解。此外，界間（細菌-真菌）的競爭要強於界內的競爭（細菌-細菌，真菌-真菌）。

4. 共現網絡的假定關鍵分類群

來自放線菌門和厚壁菌門的節點是堆肥過程中佔主導地位的核心類群。由於功能的冗餘，在多個共現網絡中，同一分類單元並沒有作為關鍵分類單元出現。此外，低豐度的分類群在維持網絡結構發揮重要作用。

研究結論

原料和堆肥過程提供了不同的營養環境，這些環境顯著地影響細菌和真菌的群落組成。厚壁菌，放線菌和子囊菌佔據了堆肥的高溫階段。添加富含氮源的易降解基質將增加嗜熱微生物網絡結構的複雜性。嗜熱微生物主要通過有益的發育模式和協同作用，促進堆肥過程中物質的轉化，而細菌-真菌間的競爭比細菌、真菌各自的內部競爭更為激烈。此外，大多數關鍵微生物類群的相對豐度較低。這些發現拓展了我們對堆肥過程中嗜熱微生物群落的演替和相互作用的理解。

參考文獻

Zhu P, Li Y, Gao Y, Yin M, Wu Y, Liu L, Du N, Liu J, Yu X, Wang L, Guo W. Insight into the effect of nitrogen-rich substrates on the community structure and the co-occurrence network of thermophiles during lignocellulose-based composting. Bioresour Technol. 2020 Sep 10;319:124111. doi: 10.1016/j.biortech.2020.124111. Epub ahead of print. PMID: 32971335.

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