JES 2024年10月144卷封面文章｜中国环科院檀文炳研究员团队揭示堆肥系统升级通过增强微生物功能多样性促进木质纤维素降解

Upgrade from aerated static pile to agitated bed systems promotes lignocellulose degradation in large-scale composting through enhanced microbial functional diversity

Hanxia Yu^**, Haoyan Xiao^**, Huiyu Deng, Adam Frew, Md. Akhter Hossain, Wenbing Tan^*, Beidou Xi

https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.09.008

本研究探讨了不同堆肥系统对城市固体废物中木质纤维素降解的影响，比较了曝气静态堆肥系统（ASP）与翻转堆肥系统（AB）在微生物代谢途径和功能多样性方面的差异。结果表明，AB系统在提供更优堆肥环境的同时，显著提高了木质纤维素的降解速率，并促进了功能微生物群落的多样性。此外，AB系统通过调节关键酶的活性，有效降低了乙酸积累带来的微生物应激。表明从ASP系统升级到AB系统能显著提升大型工业堆肥厂处理富含木质纤维素废物的工作效率。

堆肥为处理富含木质纤维素的城市固体废物提供了一种可行的管理解决方案。因此，本研究首次采用宏蛋白组学比较了大规模生物垃圾堆肥过程中从静态堆肥系统（ASP）升级到翻转堆肥系统（AB）对木质纤维素生物降解及其相关微生物代谢途径的影响。结果表明，与ASP系统相比，AB系统具有更优的堆肥环境、更高的木质纤维素降解速率以及更多样化的相关功能微生物群落；此外，AB系统还通过调节参与乙酸转化的关键酶有效减轻了乙酸积累引起的微生物应激。我们的研究结果为指导处理富含木质纤维素废物的大型工业堆肥厂的工程可行性和环境可持续性提供了宝贵的科学依据。这些发现对于建立绿色可持续发展模式（例如基于材料回收的循环经济）和实现可持续发展目标具有重要意义。

随着人口增长和全球城市化的加速，城市固体废物的产生量急剧增加，有机废弃物的管理已成为全球面临的重要挑战。传统的处理方法，如填埋和焚烧，可能导致土壤和水源的污染，并释放有害气体。相对而言，堆肥作为一种可持续的废物管理技术，不仅能有效减少生物垃圾，还能转化为有机肥料和生物能源。然而，堆肥过程中木质纤维素的顽固性影响了降解效率。为了解决这一问题，本研究针对大型工业堆肥厂的两种不同的堆肥系统进行了比较，分析微生物群落及其代谢活动对木质纤维素降解的影响，以期为堆肥技术的优化提供科学依据。

1. 堆肥过程中理化特性的变化

图1展示了在堆肥过程中，AB系统与ASP系统在不同热阶段的物理化学特性变化。第5天时，AB系统的堆温超过55℃，明显快于ASP系统在同一时间点的45.4℃。此外，AB系统在堆肥过程中经历了40.37%的水分损失，而ASP系统则为59.46%，显示出AB系统更强的保水能力。在堆肥的所有三个热阶段中，ASP系统的pH（7.33-8.35）始终高于AB系统（6.99-7.94）。

图1：翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）的理化性质在三个堆肥阶段的差异。数据表示为均值±标准误。显著性水平：ns无显著性差异；*P < 0.05；**P < 0.01。

2. 堆肥过程中木质纤维素的降解速率

图2展示了AB系统与ASP系统在堆肥过程中木质纤维素的降解速率变化。在早期阶段（第5天），纤维素、半纤维素和木质素的降解率较低（4.79%-10.21%）；而在第20天的嗜热阶段，三类木质纤维素的降解率达到最高（19.76%-39.41%）。然而，在第50天的冷却和成熟阶段，它们的降解率相对较低（12.23%-30.27%）。此外，AB系统在整个过程中木质纤维素的降解率显著高于ASP系统，纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别提高了38.62%-43.53%、18.49%-45.65%和29.64%-46.52%。这表明AB系统的升级有效促进了木质纤维素的降解。

图2：翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）的木质纤维素降解速率在三个堆肥阶段的差异。（a）纤维素；（b）半纤维素；（c）木质素。数据表示为均值±标准误。显著性水平：ns无显著性差异；*P < 0.05；**P < 0.01。

3. 堆肥过程中的微生物组成

在对堆肥样品的宏蛋白代谢组学分析中，结果显示细菌和真菌的多样性在不同阶段具有显著变化。细菌主要包括变形菌门（Proteobacteria，38.1%-78.2%）、厚壁菌门（Firmicutes，10.1%-48.1%）和放线菌门（Actinobacteria，3.5%-17.0%）；其中变形菌门在堆肥初期表现出较高的丰度，尤其Gammaproteobacteria，然而在高温阶段，其丰度显著下降。相反，厚壁菌门在高温阶段的丰度显著增加，而放线菌门则在成熟阶段显著增加。此外，真菌群落的结构相对稳定，以子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为主。子囊菌门在整个堆肥过程中占主导地位（64.8%-83.1%）。

图3：翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）在不同堆肥阶段的微生物分类组成。（a）细菌门；（b）细菌纲；（c）真菌门；（d）子囊菌纲。仅列出在相应样本中相对丰度大于0.5%的微生物。

4. 堆肥过程中的碳水化合物代谢

我们研究了翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）在不同堆肥阶段的CAZyme丰度变化。如图4所示，在AB系统中，鉴定出10个GH酶家族（GH1、GH3、GH5、GH6、GH7、GH11、GH13、GH20、GH74和GH81），相比之下，ASP系统仅显示出5个家族（GH1、GH7、GH13、GH74和GH81），这表明AB系统的糖基水解酶多样性更高。特别是在AB系统的早期阶段，GH7家族酶占主导地位。此外，AB系统的CBMs丰富度也明显高于ASP系统，尤其是CBM1家族的酶在早期阶段占据主导地位。在AA家族方面，AB系统在早期和高温阶段检测到AA2和AA8家族酶，而ASP系统仅在成熟阶段检测到AA2家族的酶。

图4 ：翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）在不同堆肥阶段碳水化合物活性酶（CAZymes）的相对丰度。

5. AB和ASP系统中的产生CAZyme的微生物组成

研究表明，AB系统中的真菌群落展现出更高的CAZymes丰度和多样性。在AB堆肥系统的早期阶段，主要的CAZyme生产者为Sordariomyces，而在嗜热阶段则被Actinobacteria和Bacill取代。随着堆肥过程的成熟，混合群落Actinobacteria、Bacilli和Eurotiomycetes成为主要的CAZymes生产者。相比之下，ASP系统中的微生物群落在早期阶段以Saccharomycetes和Bacill为主，成熟阶段则由Saccharomycetes主导。

图5：翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）在不同堆肥阶段产生碳水化合物活性酶（CAZyme）的微生物组成分析。

6. AB和ASP系统中的碳水化合物代谢途径

我们研究了翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）中的碳水化合物代谢途径。如图6所示，在AB系统中，检测到所有三种纤维素降解酶（内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶），而ASP系统仅检测到外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。此外，在AB系统中，我们检测到aryl-phospho-β-d-glucosidase（酶9）和Hexokinase（酶10）的存在，相反，ASP系统显示了maltodextrin phosphorylase（酶3）和glycogen phosphorylase（酶4）的存在。在ASP系统中，我们发现乙酸主要来源于丙酮酸，丙酮酸通过pyruvate dehydrogenase（酶28）和aldehyde dehydrogenase（酶29）的催化作用转化为醋酸。在AB系统中，乙酸通过catalytic activities of acetyl-coenzyme A synthetase（酶30）和acetate kinase（酶31）的催化活性进一步转化为acetyl coenzyme A，最终作为乙醛酸循环的底物。我们未在ASP系统中检测到参与乙酸转化的关键酶，如acetyl-coenzyme A synthetase和acetate kinase。在ASP系统中，丙酮酸通过L-lactate dehydrogenase（酶32）的催化活性转化为乳酸，产生的乳酸可以进入丙酸代谢，随后转化为acetyl-CoA和succinyl-CoA。然而，我们没有检测到AB系统中参与乳酸代谢的酶。

图6：翻转堆肥系统（AB）和静态堆肥系统（ASP）的宏蛋白组学分析中的微生物群落的碳水化合物代谢特征。绿色、橙色和蓝色分别表示存在于ASP系统、AB系统或同时存在于两个系统。

本研究结果表明，从静态堆肥系统升级到翻转堆肥系统显著提升了纤维素、半纤维素和木质素的降解速率，推测这一转变有助于改善大规模堆肥的处理效率。通过增强产生碳水化合物活性酶的微生物多样性，翻转堆肥系统促进了更多木质纤维素降解酶的产生。此外，该系统能够调节关键酶的活性，促进乙酸的转化，从而减轻乙酸的毒性。这些发现表明翻转堆肥系统在有机废弃物的木质纤维素降解方面优于静态堆肥系统，为堆肥厂的规模化发展提供了重要的理论支持。

第一作者

余涵霞，女，福建福州人，广东省农业科学院植物保护研究所助理研究员，福建师范大学博士。主要从事除草剂抗性机理、土壤氮循环微生物和植物生理生态研究等。发表学术论文30多篇，其中以第一作者在New Phytologist、Geoderma、Biological Invasions、Environmental Research、Journal of Environmental Sciences、Plant Physiology and Biochemistry、Ecology and Evolution、微生物学报、热带亚热带植物学报、生物安全学报等期刊发表论文10多篇。SCI论文他引300余次，获选SCI封面论文1次；H-Index指数为9。入选New Plant Protection青年编委。

通讯作者

檀文炳，男，福建福州人，中国环境科学研究院研究员，土壤和地下水环境研究所研究室主任，博士生导师，现任《Frontiers in Environmental Science》国际期刊编辑、《农业资源与环境学报》期刊青年编委。长期从事有机固废资源转化与环境污染控制研究。主持国家自然科学基金项目3项、北京市自然科学基金面上项目1项、国家重点研发计划项目子课题1项、国家重大科技水专项子课题1项。第一或通讯作者在Environmental Science & Technology等环境领域期刊发表SCI论文60余篇，出版专著2部，授权发明专利13项，编制行业标准3项。2019年获环境保护科学技术奖（第五），2018年获中国专利优秀奖（第六），2018年获日内瓦国际发明展金奖（第三），2019年获纽伦堡国际发明展金奖（第四）。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1001074223004060

Hanxia Yu, Haoyan Xiao, Huiyu Deng, Adam Frew, Md. Akhter Hossain, Wenbing Tan, Beidou Xi, 2024. Upgrade from aerated static pile to agitated bed systems promotes lignocellulose degradation in large-scale composting through enhanced microbial functional diversity. J. Environ. Sci. 144, 55-66.