异位发酵床微生物组多样

著者研究团队从事微生物发酵床养猪至今,研发出4个类型微生物发酵床:①原位微生物发酵床(In situ microbial fermentationbed,In situ MFB),由传统猪舍与发酵床结合形成,猪舍地面直接铺上垫料；②低位微生物发酵床(lower microbial fermentation bed,LMFB),由漏缝地板与发酵床结合形成, 在漏缝地板的下方建设发酵床；③饲料微生物发酵床(fodder microbialfermentation bed,FMFB),由发酵饲料与发酵床结合形成,利用猪可饲性农业副产物为垫料铺设猪舍,其上猪养,粪便排泄其上,粪便作为可饲性垫料的补充氮源和健康猪肠道微生物组的接种来源,与垫料一同发酵,形成发酵饲料提供猪取食； ④ 异位微生物发酵床(ectopic microbial fermentation bed,EMFB),由猪粪处理池与发酵床结合形成。目前,微生物发酵床技术向大型化、机械化、智能化方向发展,在动物养殖方面拓展出了新的应用领域,成功地应用在猪、牛、羊、兔、鸡、鸭、鹅等畜禽规模化养殖上,实现了无臭味、零排放、资源化的畜禽污染治理和资源高效利用的目标。

作为微生物发酵床中的一种类型,异位微生物发酵床是集中处理有机污染物的一种有效方法,其可用于养殖污染、餐厨垃圾、城市污水、有机废料等微生物处理,具有无臭味、成本低、效率高、分解彻底等优点。异位发酵床的发酵装备可分为小型、中型、大型,适应于家庭、餐馆、养殖场中废物的集中处理。异位发酵床由钢构房、喷淋池和发酵池组成(或发酵床箱),配备翻堆机、喷淋流加泵、微生物发酵菌种等设备和菌种。发酵床内铺设垫料,将有机污染物引导到异位微生物发酵床内,通过翻堆机将排泄物与发酵垫料混合,进行发酵,消纳粪污,消除臭味,实现零排放。发酵产物用于生产微生物菌剂、复合微生物肥料、生物有机肥等。异位发酵床投资少、运行费用低、操作简便,可适用于各种有机污染物微生物治理及其废弃物循环利用,具有较高的生态效益、经济效益和社会效益。

异位发酵床是利用微生物发酵集中处理养殖粪污等固体有机废弃物的一种槽式发酵装备,适用于动物粪便、餐厨垃圾、城市污泥等废弃物的发酵处理和资源转化。本书针对异位发酵床处理猪粪过程中的微生物组变化进行研究,全书共分五章。章概述,阐述了微生物发酵床研究进展、基于宏基因组技术分析微生物组研究进展、异位发酵床的原理与结构。第二章发酵床微生物宏基因组研究方法,阐述了发酵床微生物群落研究进展、基于宏基因组技术分析发酵床微生物组研究方法、发酵床微生物高通量测序与统计工作流程、微生物发酵床细菌分类操作单元(OTU) 分析、微生物发酵床核心微生物组(OTUs)分析、α-多样性种类复杂度分析、β-多样性种类复杂度分析、差异效应判别分析(LEfSe)、种类冗余(RDA)分析等。第三章异位发酵床微生物宏基因组分析,阐述了样本采集与数据分析、微生物组种类(OTUs)多样性指数分析、稀释曲线分析、热图分析、成分分析、分类学分析、Venn图分析等。第四章异位发酵床细菌微生物组多样性,阐述了细菌群落数量分布多样性、细菌群落种类(OTUs)分布多样性、细菌丰度(%)分布多样性。第五章异位发酵床真菌微生物组多样性,阐述了真菌群落数量(reads)分布多样性、真菌群落种类(OTUs)分布多样性。书后列出了真菌分类纲要和细菌分类纲要。

本书研究从2013年开始,得到了国家农业部公益性行业(农业)科研专项———功能性微生物制剂在农业副产物资源化利用中的研究与示范(201303094)、984重点项目———高效新型微生物资源引进与创新(2011-G25)等的支持；得到了国家科技部国际合作项目———规模化养猪污染微生物治理关键技术联合研发(2012DFA31120)、国家重点研发计划———农业废弃物耗氧发酵技术与智能控制设备研发(2016YFD0800606)、国

家科技支撑计划———规模化养殖场发酵床微生物制剂研究及其废弃物多级循环利用技术的集成示范(2012BAD14B00)、国家973计划前期项目———芽胞杆菌种质资源多样性及其生态保护功能基础研究(2011CB111607)等的支持；得到了国家基金委自然科学基金项目———中国芽胞杆菌资源分类及系统发育研究(31370059)等的支持；得到了福建省政府财政厅、发改委、科技厅等部门多个项目的支持,如养殖污染微生物综合治理———微生物发酵床大栏养殖系统的研究、财政科技专项———生产性工程化实验室重大装备建设、农业“五新”工程项目———利用猪粪资源固体发酵微生物菌剂产品的研究与应用、科技创新平台———福建省农业生物药物研究与应用平台(2007N02010)、农业微生物科技创新团队项目———农业微生物基础生物学与农业生物药物的研究与应用(STIF-Y03)等的支持,在此一并致谢。

本书研究过程得到了许多专家学者的支持和帮助,其中我们与中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所朱昌雄博士等进行了多年的合作研究；福建农林大学林乃铨博士、关雄教授、张绍升教授、尤民生教授在实验方法讨论方面提供了许多帮助；中国科学院微生物研究所姚一建博士为异位发酵床菌种芽胞杆菌的采集提供许多支持；福建农林大学谢联辉院士、福建农科院谢华安院士、吉林农业大学李玉院士等对本书的著述给予了极大的鼓励和支持；等等。在此深表感谢。

限于著者学术水平,书中不足与疏漏之处在所难免,望国内同行批评指正,与之共勉。

著者

2018年5月于福州

本书针对异位发酵床处理猪粪过程微生物组变化进行研究,全书共分5章,分别阐述了微生物发酵床概述、发酵床微生物宏基因组研究方法、异位发酵床微生物宏基因组分析、异位发酵床细菌微生物组多样性以及异位发酵床真菌微生物组多样性。另外,书后提供了真菌分类纲要和细菌分类纲要。

本书可供从事有机污染物微生物治理及其废弃物循环利用及相关领域的科研人员、企业技术人员和管理人员参考,也可供高等学校环境科学与工程、生态学及相关专业师生参阅。

刘波，福建省农科院农业生物资源研究所院长，研究员，教授，1987年获福建农大博士学位，1992-1994年德国波恩大学博士后， 1994-1995年美国密执根大学访问学者，1996-2002年德国波恩大学每年1-3个月短期合作研究访问学者，2002年至今被聘为德国波恩大学植物病理研究博士生第二导师，招收德国波恩大学的博士生3名，现任福建省农科院副院长，二级研究员，兼任中国农学会高新技术农业应用专业委员会副理事长，福建省科协常委，福建省农学会副会长，福建省专家协会常务理事，福建省生物化学及分子生物学学会副理事长，福建省昆虫学会理事长，《中国农业科学》、《农业环境科学学报》、《中国生物防治》、《福建农业学报》等编委，德国波恩大学植物病理研究所第二博士生导师，浙江大学生物技术研究所博士生第二导师，福建农林大学研究生导师，福建省农业科学院微生物创新团队和中德生防合作研究项目中方专家。

章　概述 / 1 　

节　微生物发酵床研究进展                                              
1

一、微生物发酵床养猪技术起源                                               1

二、微生物发酵床养猪技术原理                                              
2

三、微生物发酵床的管理                                                    
2

四、发酵床微生物特性研究                                                  
3

五、微生物发酵床垫料的资源化利用技术                                       6

第二节　基于宏基因组技术分析微生物组研究进展                                 7

一、微生物宏基因组技术发展与应用                                           7

二、细菌群落宏基因组研究进展                                             10

三、真菌群落宏基因组研究进展                                             21

第三节　异位发酵床的原理与结构                                             32

一、异位发酵床原理与处理工艺                                             32

二、异位微生物发酵床结构设计                                             33

三、异位微生物发酵床运行管理                                             35

四、讨论                                                                
36

第二章　发酵床微生物宏基因组研究方法 / 39 　

节　概述                                                              
39

一、发酵床的原理与优势                                                  
39

二、发酵床微生物群落研究进展                                             39

三、基于宏基因组技术分析微生物组研究                                     40

第二节　基于宏基因组技术分析发酵床微生物组研究方法                         40

一、发酵床垫料样本采集及垫料理化性质测定                                 40

二、发酵床垫料的发酵程度等级划分     
             &n