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工业化堆肥过程中微生物群落结构与溶解性有机质分子组成的关系

来源:admin    发布时间:2021-03-01   阅读数:55

近日,福建农林大学资源与环境学院周顺桂教授研究团队和广东省科学院生态环境与土壤研究所余震副研究员研究团队联合研究的成果刊登在国际顶尖期刊Journal of Hazardous Materials上,文章运用16S+代谢组研究方法对工业化堆肥过程中微生物群落结构与溶解性有机质分子组成的关系进行了研究,是一篇优秀的多组学联合分析文章!

本文通讯作者为广东省科学院生态环境与土壤研究所余震副研究员,第一作者为车建刚博士后,a级黄色片有幸负责本研究的基因测序工作。以下是该文章主要研究成果的精彩解读~


Linking microbial community structure with molecular composition of dissolved organic matter during an industrial-scale composting

工业化堆肥过程中微生物群落结构与溶解性有机质分子组成的关系


工业化堆肥过程中微生物群落结构与溶解性有机质分子组成的关系


作者:Jiangang Che 等

期刊:Journal of Hazardous Materials

时间:2020.10.15

影响因子:9.038

DOI:10.1016/j.jhazmat.2020.124281

方法:16S rRNA+代谢组


文章摘要

本研究通过代谢组学和16S rRNA序列分析研究了工业规模堆肥过程中溶解性有机质(DOM)与微生物群落结构的相互作用。结果表明,腐熟堆肥中的DOM主要含有木质素/富含羧基的脂环分子(73.6%),更高的双键含量(5.97)和芳香度指数(0.18),表明DOM的分子组成发生了显著变化。随着堆肥DOM转化过程的进行,微生物群落结构也发生了剧烈变化。网络分析进一步表明棒状杆菌,芽孢杆菌和脱氯单胞菌与大多数DOM亚类相关。棒状杆菌可以降解碳水化合物,芽孢杆菌通过转化含氮的化合物加速腐殖化,低氧低碳环境下,脱氯单胞菌可降解多环芳烃。这些研究结果有助于理解污泥堆肥中DOM转化和腐殖化的分子机理。


主要内容

1.工业规模堆肥样品中DOM的分子表征

堆肥样品中提取的DOM的分子组成如图1。图1a中分成几个主要区域,表明了DOM中发现的7种化合物。DOM中的主要化合物随着堆肥时间的延长发生了显著变化。在第0天时,DOM主要包括脂肪族/蛋白类、木质素/羧基类脂环分子,在第45天时,DOM主要包括高O/C 、低H/C物质和丹宁酸。图1b显示了CHO、CHON、CHOS、CHONS的相对丰度。超过30%的亚类为CHON类化合物,其次为CHOS类化合物(25.7% ~ 33.4%)、CHO类化合物(24.0% ~ 28.7%)和少量CHONS类化合物(3.5% ~ 9.3%)。在堆肥过程中,CHO化合物的比例由28.7%下降到24.7%,明显低于大型植物(79.9%)、太湖水(59.5%)和沉积物(57.4%)。在所有的DOM样品中,CHON化合物是四个子类中最主要的组成部分。此现象表明很多含N的化合物在高温期降解和生成可能是由于蛋白质的降解和形成,或取决于微生物活动产生的生物量。DOM中七种化合物的变化趋势如图1c。木质素类化合物的比例由53.3%增加到73.6%,脂类和脂族/蛋白质的比例分别从9.7%下降到2.2%,24.3%下降到9.1%。第45天的DOM样本与第0天的相比,H/Cwa值变低,DBEwa 和AIwa值变高,表明腐熟堆肥中DOM与不饱和类和芳香类化合物有关。


工业堆肥过程中DOM的组成变化
图1 工业堆肥过程中DOM的组成变化。


2.工业规模堆肥过程中DOM降解和转化的分子洞察

图中展示了堆肥后DOM中分解的化合物、不变的化合物和产生的化合物的分布情况(2a)。此现象表明,DOM中不同的O/C和H/C的成分极大地影响了有机物的降解。图2c显示了7个区域中分解的、不变的和产生的化合物的比例。在堆肥过程中,脂类、脂肪族/蛋白质和不饱和烃更容易分解,而木质素类化合物最难进行生物降解。堆肥的质量可以用堆肥过程中产生的化合物来表示。最丰富的产物是单宁(59%)、缩合芳烃(58%)、碳水化合物(47%)和木质素类化合物(38%)。这些生成的化合物的O/C比高于分解的化合物,表明堆肥后羧基物质有明显改善。图2d展示了四大类物质中分解的化合物、不变的化合物和产生的化合物所占的比例。CHO约50%以上的物质难降解,CHON中约50%的物质难降解,表明N矿化和C降解及组成之间可能存在相互作用。以上表明堆肥中添加抗性有机碳可以减少堆肥中氮的损失。


第0天和第45天DOM成分的分子鉴定与比较
图2 第0天和第45天DOM成分的分子鉴定与比较


3.工业堆肥过程种微生物群落的变化

在本研究中,α多样性各项指标在堆肥过程中显著降低,说明腐熟堆肥中微生物群落的多样性降低。图3显示了不同天数堆肥样品的属水平细菌的组成。原料中占优势的细菌群落是十氯单胞菌,拟杆菌,杆状芽孢杆菌和硝化菌。堆肥过程中细菌群落在属水平上发生了明显的变化。在第9天时,热微菌属、栖热菌属、棒状杆菌为最丰富物种,热微菌属可分解蛋白质和氨基酸,栖热菌属能产生多种酶,并具在高温阶段有极强的稳定性,使得DOM的降解加快,棒状杆菌也能有效降解有机物。第21天是,放线菌取代了栖热菌属,这一属属于嗜热放线菌,能够产生高度耐热的木聚糖酶。Shannon指数显示堆肥成熟期微生物群落多样性低于前期,在此阶段,马杜拉放线菌属、嗜冷杆菌属和热微菌属为优势物种,放线菌在成熟堆肥中起重要作用。与成熟期相比,堆肥前期的微生物多样性变化较小,温度变化使微生物群落结构更加稳定。这一现象说明堆肥具有自净能力,可以清除无益微生物物种,创造新的功能性细菌群落,满足原料生物降解的要求。


堆肥过程中不同天数前15个属水平细菌类群的相对丰度
图3 堆肥过程中不同天数前15个属水平细菌类群的相对丰度


4.细菌种类和DOM分子组成之间的相互作用

在堆肥过程中,细菌种类和DOM分子组成发生了显著变化。本研究中网络图分析显示9个otu和1017个m/z离子具有较高的正相关系数(图5a),10个OTUs和420 m/z离子具有较高的负相关系数(图5b)。在正向网络中,排名靠前的OTU与CHON有关联,这些OTU与堆肥过程中第9天和第45天占优势的细菌类群相对应,该细菌类群可有效降解有机物。在负向网络中,大多数OTUS与高H/C比的CHO和CHOS化合物有关,排名靠前的OTU与堆肥过程中形成的细菌类群相对应,该细菌类群与DOM化合物的形成和降解有关。以上结果表明,细菌群落与DOM分子组成之间的相互作用导致了DOM化合物的形成和降解。


网络图显示了堆肥过程中微生物物种与四个DOM亚类之间的关联
图4 网络图显示了堆肥过程中微生物物种与四个DOM亚类之间的关联



图5 正向网络(A)和负向网络(B)中的排名靠前OTUS与四个DOM亚类相关


总  结

本研究通过结合16SrRNA和 ESI FT-ICR MS,表明不同时期的关键细菌种类如何影响堆肥过程中DOM的组成,研究结果可为工业规模污泥堆肥提供理论和实践指导意义。


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