通风量对牛粪堆肥化过程中微生物菌群及氨氧化活性的影响

发布时间：2017-10-07 18:25

  本文关键词：通风量对牛粪堆肥化过程中微生物菌群及氨氧化活性的影响

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【摘要】：畜禽粪便堆肥化过程是一个以微生物为主要驱动力的生化过程,通风量是影响堆肥化过程的重要因素之一。氨氧化细菌、氨氧化古菌和反硝化细菌等是参与堆肥氮循环的重要微生物类群,通风量的变化可以影响它们的多样性和丰度而影响堆肥化过程中的氮循环过程及氮素损失。本试验以牛粪和草坪草为原料,设置不同通风量处理和变量通风处理两个堆肥实验。不同通风量处理试验设置为:对照CK:0 L·min-1·kg-1 TS,处理TF1:0.05 L·min-1·kg-1 TS和处理TF4:0.2 L·min-1·kg-1 TS。变量通风试验处理设置为:处理A,整个过程不通风;处理B,通风量为0.2 L·min-1·kg-1 TS;处理C,前14d不通风,15-56 d通风量0.2 L·min-1·kg-1 TS;处理D,前14 d通风量为0.2 L·min-1·kg-1 TS,15-56 d不通风。探讨通风量对堆肥过程中微生物多样性、amoA和nirK基因及氮素转化的影响,揭示氨氧化菌群对氧浓度变化的响应机制。结果表明,TF4、TF1和CK处理≥50℃的高温期分别维持了5d、9d和0d,最高温度分别为60℃、63.5℃和42℃,通风处理显著提高温度和高温持续时间。高温期,通风处理中的氧气含量氧气浓度差异显著。通风能提高氨氧化潜力。高温期,氨气的挥发随通风量增大而增加。通风处理显著提高硝态氮和总氮的含量,但TF4与TF1处理间差异不显著。氮素损失与通风量大小呈正相关。不同处理间的微生物多样性显著差异。在所有样品序列中优势细菌及比例为Bacteroidetes 31.5%、Proteobacteria 25.6%、Firmicutes 13.8%等。高温期,通风处理的Bacteroidetes丰度显著低于对照,Proteobacteria在CK样品中的丰度高于其他样品;优势真菌类群为Ascomycota;在高温期、降温期中,Ascomycota丰度随着通气量增大而增大。在不同通风量处理的堆肥化过程中的环境因子中,与细菌菌群结构变化相关性最大的因素是铵态氮,其次是温度;与真菌菌群结构变化相关性最大的因素是通风量,其次是总有机碳。在堆肥样品中AOA优势的类群为Crenarchaeota,在通风处理中Crenarchaeota丰度随通风量增加而增大。AOB优势的类群为Nitrosomonas和Nitrosospira,在通风处理中,Nitrosospira的丰度始终大于Nitrosomonas。与AOA菌群结构变化相关性最大的因素是通风量,其次是含水率;与AOB菌群结构变化相关性最大的因素是含水率,其次是氧气。通风处理显著地降低样品中nirK基因多样性和数量,减少反硝化作用造成的氮素损失。TF1处理的amoA基因的数量增加显著,但在高温期、降温期和腐熟期,由于高浓度氧气抑制,TF4处理的AOA amoA基因数量较CK低。TF4处理的AOB amoA基因数量,在腐熟期数量也较低。AOB amoA基因数量与环境因子铵态氮相关性最大,其次是堆体温度。AOA amoA基因数量与堆体温度相关性最大,其次是铵态氮。在变量通风堆肥化过程中,A、B、C和D各处理≥50℃的高温期分别维持了8d、9d、8d和9d,处理B和D首先进入高温期,并且最高温度高于处理A和C,通风处理有助于提高温度和高温持续时间,但14d后通风却加快降温。前14d,通风处理B和D与不通风处理A和C中O2含量差异显著,14d后,通风量显著地影响氧气浓度。高温期,通风处理B和D的氨气挥发速率较不通风处理A和C高。通风能提高总氮含量,但通风处理间差异不显著。通风能提高氨氧化潜力。氮素损失与通风时间和通风量呈正相关,通风时间越长或通风量越大则氮素损失越多。堆肥前期,由于高温抑制amoA基因数量变化不显著。变通风后,处理C的AOA amoA基因数量增长。28d后,AOB amoA基因数量:处理B处理C处理D,与通风时间呈正相关。在所有样品中AOA amoA基因数量总数大于AOB,说明AOA对氧气的需求小于AOB。适当的通风能提高amoA基因数量。氨氧化潜力与AOA和AOB amoA基因数量呈正相关;氧气是影响AOB amoA基因数量的最显著因素,其次是总氮;硝态氮是影响AOA amoA基因数量的最显著因素,其次是氧气。综上所述,通风量越大或通风时间越长,氮素损失越多;不同通风量对堆肥化过程中的氨氧化细菌、氨氧化古菌和反硝化细菌等多样性和amoA和nirK基因的数量变化有显著的影响;通过研究通风量对堆肥化过程中微生物菌群及氨氧化活性的影响,能为增加堆肥氮素含量,减少氮素损失,提高堆肥品质等提供理论指导。
【关键词】：通风量 堆肥 氨氧化细菌 氨氧化古菌 amoA
【学位授予单位】：黑龙江八一农垦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S141.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第一章 文献综述18-26
• 1.1 引言18
• 1.2 国内外研究现状分析综述18-24
• 1.2.1 堆肥与堆肥化18-19
• 1.2.2 影响堆肥进程及微生物的主要因素19-20
• 1.2.2.1 温度19
• 1.2.2.2 pH19
• 1.2.2.3 含水率19
• 1.2.2.4 通风供氧（通风量）19-20
• 1.2.2.5 碳氮比（C/N）20
• 1.2.3 堆肥化过程中细菌和真菌20-21
• 1.2.4 氮循环中的反硝化细菌21
• 1.2.5 氨氧化菌的多样性和功能研究21-22
• 1.2.6 氨氧化菌群的主要影响因素22-24
• 1.2.6.1 温度22-23
• 1.2.6.2 pH23
• 1.2.6.3 铵浓度23
• 1.2.6.4 盐度23
• 1.2.6.5 氧气23-24
• 1.2.7 堆肥化过程中氨氧化菌的多样性及功能研究进展24
• 1.3 研究意义24-26
• 第二章 通风量对牛粪堆肥化过程中细菌和真菌群落的影响26-62
• 2.1 材料与方法26-32
• 2.1.1 堆肥试验材料与处理26-27
• 2.1.2 堆肥理化参数的测定27-28
• 2.1.3 总DNA的提取28
• 2.1.4 细菌 16S V4区rRNA和真菌 18S V4区rRNA基因PCR扩增28-30
• 2.1.5 高通量测序30-31
• 2.1.6 微生物多样性分析31-32
• 2.1.7 统计分析32
• 2.2 结果32-59
• 2.2.1 堆肥过程中理化参数的变化32-41
• 2.2.1.1 堆体温度与环境温度32-33
• 2.2.1.2 堆体O2含量33-34
• 2.2.1.3 堆体pH与含水率34-36
• 2.2.1.4 铵态氮与硝态氮含量36-38
• 2.2.1.5 堆体氨气释放速率38-39
• 2.2.1.6 总氮含量39-40
• 2.2.1.7 总有机碳含量40-41
• 2.2.2 不同通风处理堆肥样品总DNA提取和PCR扩增41-42
• 2.2.3 高通量测序序列数据统计42-45
• 2.2.4 堆肥样品中细菌和真菌群落组成分析45-49
• 2.2.5 不同通风处理堆肥样品中细菌和真菌的聚类分析49-54
• 2.2.6 堆肥过程中环境因子与细菌和真菌多样性的相关性分析54-59
• 2.3 讨论59-62
• 第三章 通风量对牛粪堆肥化过程中AOA和AOB群落及amoA基因数量的影响62-88
• 3.1 材料与方法62-67
• 3.1.1 堆肥试验材料与处理62
• 3.1.2 堆肥理化参数的测定62-63
• 3.1.3 总DNA的提取63
• 3.1.4 功能基因AOA amoA基因和AOB amoA基因PCR扩增63-65
• 3.1.5 高通量测序65
• 3.1.6 微生物多样性分析65-66
• 3.1.7 实时荧光定量PCR66
• 3.1.8 统计分析66-67
• 3.2 结果67-85
• 3.2.1 堆肥过程中理化参数的变化67-68
• 3.2.1.8 氨氧化潜势（PAOR）67
• 3.2.1.9 不同堆肥处理氮素的损失67-68
• 3.2.2 堆肥样品总DNA提取、PCR扩增68-69
• 3.2.3 高通量测序序列数据统计69-73
• 3.2.4 堆肥样品中氨氧化菌群落组成分析73-74
• 3.2.5 堆肥样品中氨氧化菌群落Alpha多样性分析74-75
• 3.2.6 不同通风量处理的堆肥过程中环境因子与AOA和AOB多样性的相关性分析75-79
• 3.2.7 堆肥样品中AOA和AOB amoA基因数量的变化79-84
• 3.2.8 堆肥化过程中amoA基因数量与环境因子的冗余分析（RDA）84-85
• 3.3 讨论85-88
• 第四章 通风量对牛粪堆肥化过程中反硝化细菌多样性及nirK基因丰度的影响88-98
• 4.1 材料与方法88-90
• 4.1.1 堆肥试验材料与处理88
• 4.1.2 堆肥理化参数的测定88
• 4.1.3 克隆文库构建88-89
• 4.1.3.1 总DNA的提取88-89
• 4.1.3.2 细菌nirK基因扩增89
• 4.1.3.3 nirK基因克隆文库的构建89
• 4.1.3.4 核苷酸序列接受号89
• 4.1.4 实时荧光定量PCR89
• 4.1.5 数据处理89-90
• 4.2 结果90-95
• 4.2.1 堆肥过程中理化参数的变化及氮素损失90
• 4.2.2 通风处理对于堆体中对nirK基因多样性的影响90-91
• 4.2.3 通风处理对于堆体中对nirK基因丰度的影响91-94
• 4.2.4 通风处理对堆肥化过程中nirK基因丰度与环境因子之间的冗余分析94-95
• 4.3 讨论95-98
• 第五章 变通风处理对牛粪堆肥化过程中理化性质和amoA基因数量的影响98-116
• 5.1 材料与方法98-99
• 5.1.1 堆肥试验材料与处理98
• 5.1.2 测定指标与方法98-99
• 5.1.3 实时荧光定量PCR99
• 5.1.4 数据处理99
• 5.2 结果99-113
• 5.2.1 堆肥过程中理化参数的变化99-106
• 5.2.1.1 堆体温度、氧气、pH和含水率99-101
• 5.2.1.2 堆体铵态氮和硝态氮101-103
• 5.2.1.3 堆体总氮和氨气释放速率103-104
• 5.2.1.4 堆体总有机碳（TOC）104-105
• 5.2.1.5 堆体氨氧化潜势（PAOR）105-106
• 5.2.1.6 堆肥过程的氮素损失106
• 5.2.2 变量通风对牛粪堆肥过程中氨氧化细菌和氨氧化古菌amoA数量的影响106-112
• 5.2.3 变通风量处理时环境因子与AOB和AOA菌群数量的相关性分析112-113
• 5.3 讨论113-116
• 第六章 全文结论116-117
• 参考文献117-127
• 致谢127-128
• 个人简历128-129

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：989388