成果一：生物炭添加促进堆肥过程中腐殖质合成的机制
堆肥过程中腐殖质的合成是提高有机肥品质的关键。生物炭已被发现是一种低成本、环保和有效的腐殖质合成促进剂，但在堆肥过程中，生物炭驱动腐殖质合成的机制尚不清楚。中国科学院亚热带农业生态研究所李德军研究员团队研究了生物炭添加对桑枝和猪粪堆肥过程中腐殖质合成的影响（图1）。利用荧光光谱、高通量测序、宏基因组学和代谢组学等先进技术，综合分析了堆肥过程中真菌群落、功能基因和代谢特征，阐释了生物炭添加对腐殖质形成的影响机制。在成熟期，添加生物炭使黄腐酸和腐殖酸的生成效率分别比对照提高了17.4%和39.4%。添加生物炭显著提高了温度、木质纤维素降解以及脲酶、过氧化物酶、锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶的活性，并改变了真菌群落组成和多样性，后者与腐植酸含量显著相关。真菌群落的改变提升了高温期和成熟期腐解真菌功能和CAZyme基因的表达。最终，生物炭添加显著提高了成熟期外源性物质代谢(双酚类代谢和醌类生物合成)和氨基酸代谢(色氨酸代谢和酪氨酸代谢)，从而通过产生喹啉类、酚类和芳香氨基酸等代谢产物促进腐殖质物合成。综上所述，生物炭添加可以通过选择性调节堆肥过程中真菌群落和代谢特征，有效促进腐殖质的合成，从而有利于有机肥施用后土壤肥力和健康的改善。
本研究以Biochar drives humus formation during composting by regulating the specialized metabolic features of microbiome为标题发表于Chemical Engineering Journal（2023，458:141380）。刘秋梅博士为论文的第一作者，李德军研究员为通讯作者，王克林研究员和何寻阳研究员为共同作者。研究得到了国家重点研发计划课题（2022YFF1300704）和广西“八桂学者”项目支持。
图1 生物炭添加促进堆肥过程中腐殖质合成的机制示意图
成果二：石灰岩粉末添加促进堆肥过程中病原菌剂清除的机制
堆肥过程中病原菌清除对有机肥的安全利用和粮食安全至关重要。然而，用于清除病原菌的简单、低成本和生态友好的技术极为稀缺。中国科学院亚热带农业生态研究所李德军研究员团队探讨了喀斯特区丰富的石灰岩(主要成分为碳酸钙)粉末添加对堆肥过程中病原体清除的效果并阐释了背后的机制（图2）。采用高通量测序和代谢组学技术手段分析了碳酸钙在病原体清除中的效率。添加碳酸钙显著降低了病原菌丰度，同时提高了堆肥的温度、pH、电导率和胞外酶活性。碳酸钙添加强烈改变了真菌群落组成，增加了升温期真菌的Shannon指数和系统发育多样性，Shannon指数与病原菌丰度呈正相关。添加碳酸钙后，植物病原菌的真菌功能在高温期显著下降。添加碳酸钙显著增加了抗致病性代谢产物，包括脂肪酸降解产生的8-异前列腺素f2 -乙醇酰胺，芳香氨基酸代谢产生的Xanthium、5-(3,4-二羟基苄基)六氢嘧啶-2,4,6-三酮和扁枝衣二酸，这些代谢产物在高温期负责清除镰刀菌、白粉菌、炭疽菌、假尾孢菌、腐霉菌和轮枝菌。该项研究表明，添加碳酸钙可有效清除堆肥过程中的病原菌，从而有利于农业病害防控和粮食生产安全。
本研究以Unearthing the mechanisms underlying calcium carbonate therapies for eliminating pathogens during composting为标题发表于Chemical Engineering Journal（2023，451:139087）。刘秋梅博士为论文的第一作者，李德军研究员为通讯作者，何寻阳研究员参与了该项目工作。研究得到了广西“八桂学者”项目支持。
图2 石灰岩粉末添加促进堆肥过程中病原菌清除的机制示意图
成果三：生物炭和石灰岩粉末添加减少堆肥过程中氧化亚氮排放的机制
种养废弃物堆肥是大气温室气体包括氧化亚氮的重要来源，因此，如何减少堆肥过程中氧化亚氮排放是兼顾种养废弃物资源化利用与实现“双碳”目标需要回答的重要问题。中国科学院亚热带农业生态研究所李德军研究员团队探讨生物炭和石灰岩（主要成分为碳酸钙）粉末添加对堆肥过程中氧化亚氮排放的影响机制。结合无机氮、溶解有机碳和氮、氧化亚氮来源和功能基因等指标开展了系统性研究。与对照组相比，生物炭和碳酸钙添加显著减少了氧化亚氮排放，减少幅度分别为26.5 ~ 47.8%和13.9 ~ 37.4%。氨氧化菌(AOB)和真菌介导的氧化亚氮产生速率减少是导致生物炭和碳酸钙添加后氧化亚氮排放减少的主要原因。进一步分析发现，氨氧化菌(AOB)和真菌介导的氧化亚氮产生速率减少是由于AOB amoA、真菌nirK和P450基因丰度的降低，或者是由于生物炭和碳酸钙添加后nosZ 和nosZ 基因丰度的增加促进了氧化亚氮还原为N2所致。该项研究表明，生物炭或碳酸钙添加可有效减少堆肥过程中氧化亚氮的排放，为堆肥过程中温室气体减排提供了一种经济有效的技术选择。
本研究以Mechanisms of mitigating nitrous oxide emission during composting by biochar and calcium carbonate addition为标题发表于Bioresource Technology（2023，388:129772）。杨馨逸博士为论文的第一作者，李德军研究员为通讯作者，段鹏鹏副研究员和王克林研究员参与了该项目工作。研究得到了国家重点研发计划课题（2022YFF1300704）和广西“八桂学者”项目支持。
图3 生物炭和石灰岩粉末添加减少堆肥过程中氧化亚氮排放的机制示意图
成果四：堆肥高温期负责木质纤维降解的细菌群落组成与功能
堆肥过程中木质纤维降解效率直接影响堆肥的品质，因此，解析堆肥过程中负责木质纤维的微生物群落组成具有重要意义。堆肥过程中有机物料的分解转化由各种微生物参与完成。然而，细菌群落及其功能通常因堆肥物料而异。中国科学院亚热带农业生态研究所李德军研究员团队研究了桑枝与蚕沙(MSE)、猪粪(MPM)和牛粪(MCD)混合堆肥高温期的优势菌属及其功能。桑枝与牛粪混合堆肥时 -葡萄糖苷酶和内切葡聚糖酶活性最高，而与猪粪堆肥时活性最低。随机森林模型和相关分析表明，无论堆肥材料如何，寡养单胞菌、芽孢杆菌和中华芽胞杆菌都是参与木质纤维素降解的优势细菌属。碳水化合物代谢、氨基酸代谢和DNA复制与修复是三种堆肥类型中细菌群落的主要功能。针对木质纤维素降解基因的定量分析进一步证实了细菌群落的优势功能。该项研究为堆肥过程中降解木质纤维的优势菌属筛选及堆肥效率调控提供了科技支撑。
本研究以Deciphering the dominant components and functions of bacterial communities for lignocellulose degradation at the composting thermophilic phase为标题发表于Bioresource Technology（2022，348:126808）。刘秋梅博士为论文的第一作者，李德军研究员为通讯作者，何寻阳研究员和王克林研究员为共同作者。研究得到了国家级人才计划和广西“八桂学者”项目支持。
图4 堆肥过程中寡养单胞菌、芽孢杆菌和中华芽胞杆菌对木质纤维降解作用机制示意图