pg电子游戏pg电子下载:一作解读丨内大： 堆肥过程中低丰度微生物类群驱动微生物共现性网络主导了木质纤维素降解(国人佳作)

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  一作解读丨内大: 堆肥过程中低丰度微生物类群驱动微生物共现性网络主导了木质纤维素降解(国人佳作)

  本文的研究根据结果得出，堆肥过程中，微生物共现性网络主导了木质纤维素的降解。共现性网络中对木质纤维素降解有显著作用的关键节点主要由厚壁菌门和放线菌门组成，这些节点的相对丰度较低。

  食草家畜粪便木质纤维素的含量极度影响堆肥腐熟速度和质量。在堆肥过程中，微生物物种及其群落对物质循环和能量流动起着至关重要的作用，但是微生物类群之间的相互作用对木质纤维素降解的影响还不清楚。为此，咱们进行了牛粪和秸秆的混合堆肥试验，来探索微生物群落多样性和微生物类群间相互作用对木质纤维素降解的影响。根据结果得出，堆肥过程中堆体含水率和温度对微生物群落的影响最大，整体微生物(细菌和真菌)共现性网络对木质纤维素降解具有非常明显正相关作用，对纤维素、半纤维素和木质素降解的解释率都高于多样性。整体微生物共现性网络和细菌-线%的木质纤维素降解，而微生物多样性仅占24.6-31.5%。有趣的是，通过一系列分析微生物共现性网络的关键类群发现，低丰度微生物类群驱动微生物间相互作用主导了木质纤维素的降解。本研究为理解堆肥过程中木质纤维素的降解提供了新的视角，对微生物相互作用机制提供了新的见解，对提高堆肥质量和效率具备极其重大意义。

  译名：堆肥过程中低丰度微生物类群驱动微生物共现性网络主导了木质纤维素降解

  全球每年生产大量禽畜粪便，其富有丰富的氮、磷等营养物质，以及抗生素、寄生虫卵和病菌等有害于人体健康的物质。不恰当地处理或利用不仅是有机物质的浪费，还会造成了一定的环境污染，甚至威胁到人类健康。厌氧消化和热解能够用来处理有机固态废料并生产可再次生产的能源。然而，厌氧消化轻易造成营养流失，导致二次污染，分解速度慢于有氧堆肥；此外，有机物的热解通常与能量有关，增加了巨大的能源成本，尤其是对于含水量高的禽畜粪便。然而，好氧堆肥是一种经济高效的生物处理方法，具有无害化和资源化等特点，有利于可持续农业发展。

  根据气温变化，堆肥过程可大致分为初温阶段、高温阶段和降温阶段。在堆肥过程中，微生物群落对有机废物资源的利用发挥着及其重要的作用。微生物可以通过其代谢活性转化和分解木质纤维素、蛋白质和脂质等大分子物质，并逐渐形成腐殖质和其他营养元素。其中，木质纤维素是影响堆肥腐熟速度和质量的最重要的条件之一。纤维素和半纤维素分子通过大量氢键与木质素形成紧密的键，并包围在木质素周围，形成屏障，使纤维素酶和半纤维素酶难以到达它们。几项研究表明，纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为23.86%-41%、29.36%和13.29%-23%。这些研究主要关注微生物物种及其群落特征(丰度和多样性)对堆肥过程中木质纤维素降解的影响。例如，嗜热菌、放线菌和真菌群落多样性有利于木质纤维素降解和腐殖质形成。然而，关于微生物类群间相互作用对堆肥过程中木质纤维素降解的贡献还不清楚。

  在自然环境中，微生物分类群之间通常存在共生或竞争等相互作用。在不同的栖息地，微生物类群间相互作用会严重影响群落的聚集、稳定性和某些物质的降解。有研究发现，土壤微生物的复杂相互作用比物种多样性更直接地促进了土壤功能。微生物分类群之间的竞争关系还明显影响了土壤有机碳含量和矿化。因此，微生物类群间相互作用对物质循环和能量流动的影响不可忽视。慢慢的变多的研究表明，网络分析是预测自然环境中微生物复杂相互作用的有力工具。生态网络的性质可以反映共存微生物之间的相互作用，影响微生物群落对环境变化的反应。Pester等人(2010年)指出，低丰度分类群可能是许多生态系统的关键分类群，而稀有分类群在构建生态系统的网络结构和功能方面发挥着及其重要的作用。与此同时，网络中关键微生物类群之间的相互作用经常受到群落结构变化的影响。Keystone分类群在微生物群落中高度连接，它们无论是单独存在还是与其他类群共存，都对微生物共现性网络的结构和功能表现出强大的解释力。

  本研究旨在阐明(1)食草家畜粪肥堆肥过程中木质纤维素的降解变化；(2)微生物相互作用影不影响木质纤维素降解，如果是，(3)阐明与微生物共刺激相关的木质纤维素降解的生物过程。为此，咱们进行了为期67天的堆肥实验。我们的工作揭示了堆肥过程中木质纤维素降解的生物学机制。

  堆肥根据气温变化表现为初始阶段、嗜热阶段和降温阶段，堆温在三天内迅速升高至50度，标志着堆肥进入高温阶段(45℃)，并在45℃以上维持了约30天。堆肥期间，温度保持在55℃以上大于3天(图1)，符合杀灭病原菌和堆肥卫生标准。随着易降解有机物质的消耗，温度逐渐下降，堆肥进入降温阶段，共维持40天左右，保证堆体充分发酵。

  堆肥过程中，微生物主要是依靠水溶性有机物生长和代谢，水分不仅是微生物进行生化反应的重要条件，还为微生物的生命活动提供了必要的环境。在堆肥的第7天和第30天，出现了水分含量的小高峰(图1)。第7天时，微生物有可能通过迅速降解易降解有机物，产生大量水分，导致水分含量增加到63.81%，比堆肥开始时高出2.56%。第30天，水分含量上升到48.16%，比第20天高出0.51%，这可能是由于难降解有机物的进一步降解所产生的水分。

  红色、黑色和蓝色曲线分别表示堆肥过程中堆体温度、环境和温度和堆体含水率的变化。

  堆肥过程中，木质纤维素的降解率稳步上升(图2a)。堆肥结束时，半纤维素的降解率最高，为52.37%，其次是纤维素的降解率为47.99%，而木质素的降解率最低，为12.95%。堆肥过程中，微生物会优先利用淀粉、蛋白质和糖类等容易获得的有机碳，这增强了微生物的活性。木质素降解酶和堆肥中间降解产物，可以破坏木质纤维素结构，导致释放纤维素和半纤维素，这使其更易受微生物降解的影响。微生物加速了半纤维素的降解，半纤维素具有随机、无定形结构，这导致了半纤维素含量的迅速下降。堆肥开始时，纤维素降解率较低，是因为纤维素通过木质素包裹在秸秆结构中，这使其难以与纤维素酶结合。因此，半纤维素的降解促进了这一点。此外，堆肥温度的升高能加强木质纤维素降解酶(如木聚糖酶和纤维素酶)的活性，从而加速纤维素和半纤维素的分解。当堆肥进入降温阶段，微生物活性出现降低，增加的纤维素和半纤维素降解速率减慢(图2a)。与纤维素和半纤维素相比，木质素结构更复杂，是一种无定形的芳香族化合物，并与纤维素和半纤维素形成复合物。当木质纤维素结构被破坏，纤维素和半纤维素的分子结构被降解时，木质素更容易被分解。高温分解酶在木质素降解中起着及其重要的作用，高温虽然增加了高温分解酶的含量，但降低了其活性。因此，在堆肥过程中，与纤维素和半纤维素相比，木质素的降解速度最慢(图2b)。

  采用16S rRNA和18S rRNA的Illumina测序技术检验测试堆肥不同时期的细菌和真菌群落的多样性和组成并剔除嵌合体，共获得417357和356386个高质量的细菌和线%的序列相似性，细菌和线个线个真菌门。根据结果得出，堆肥过程中细菌比真菌更丰富。在堆肥不同阶段，细菌群落和真菌群落存在非常明显差异。

  Shannon指数反映堆肥不一样的温度阶段的微生物alpha多样性，16S rRNA和18S rRNA获得的基因数量分别代表细菌和真菌群落丰度，基于Bury-Curtis距离估算堆肥不一样的温度阶段微生物群落beta多样性差异。细菌alpha和beta多样性都呈现出升高的趋势，由于堆肥初期营养物质充足，适宜的温度、水分等条件使细菌迅速生长繁殖(图3a和c)。相反，由于大多数真菌类群不耐高温，真菌多样性则表现出下降的趋势(图3e和g)。然而，16S rRNA和18S rRNA基因拷贝数在堆肥不同阶段的变化趋势与微生物多样性的变化表现出相反的趋势(图3b和f),可能由于选择胁迫的抑制，导致细菌丰度降低。而真菌丰度升高，可能与耐高温真菌类群的大量繁殖有关。

  在堆肥过程中，细菌类群的优势门是变形菌门(29.1-53.3%)、拟杆菌门(22.6-31.6%)、放线d)。然而，不同时期主要细菌类群的相对丰度存在一定的差异。通常来说，嗜热微生物在高温阶段对有机物的分解起到了最大的作用。变形菌门多数菌种具有耐热性，参与堆肥过程中的碳和氮矿化。高温阶段变形菌门的相对丰度显著增加，第20天达到最大值，并在之后保持相对来说比较稳定。厚壁菌门由于不耐高温性，在高温阶段相对丰度降低。但是它能够在高温阶段分泌多种胞外酶，对纤维素的降解具备极其重大贡献。相比之下，在食草家畜粪便堆肥过程中，放线菌可以诱导微生物产生降解木质纤维素的酶，比厚壁菌门具有更强的木质纤维素分解能力。当易被分解的底物耗尽时，放线菌门相对丰度升高，逐渐代替厚壁菌门，对木质纤维素降解起到了及其重要的作用。放线菌在堆肥过程中的分泌物能够杀死或抑制病原菌，可以用作判断堆肥成熟度。

  当面对环境变化时，真菌群落对环境变化具有比细菌更强的耐受力。子囊菌门(84.9-99.8%)和担子菌门(0.1-13.5%)是整个堆肥过程的优势线h)。每个堆肥阶段很有相似的真菌组成，都以子囊菌门为主。由于子囊菌门可以很好地适应高温、低水分和低养分的环境，还可以分泌耐热的纤维素酶和半纤维素酶，所以子囊菌门能够在堆肥中保持活性和竞争力。同样地，担子菌门也有很强的木质纤维素降解能力，所以在以秸秆或其他高木质纤维素含量的物质为基质的堆肥中很常见，但是担子菌对高温敏感，随着堆肥温度上升，担子菌门相对丰度降低，逐渐被嗜热菌门代替(图3h)。

  图4. 微生物群落与理化性质之间的相关性，物理化学性质与细菌和真菌群落的相关性是通过Mantel test检验确定的。

  为了研究了堆肥不同阶段细菌和真菌群落潜在的相互作用以及共现性网络的变化，基于随机矩阵理论构建了微生物共现性网络。采用相同的阈值(r0.6，p0.01)构建共现性网络，从而更好地比较共现性网络变化。该微生物共现性网络主要由细菌节点主导(图5a)，随着堆肥进行，共现性网络发生了显著变化。网络节点主要由厚壁菌门、变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和子囊菌门组成，和微生物群落组成相似。网络拓扑属性表明，共现性网络模块化程度较高，始终在0.534-0.897之间，表明细菌和真菌共现性网络被聚到模块中，能够抵抗外界环境变化。他们之间的共生模式可能维持了群落结构，因此有效降解有机物。

  无论堆肥的哪个阶段，微生物共现性网络中正相关作用的比例均大于负相关(表1)，表明堆肥过程中微生物以协同作用为主。随着堆肥进行，微生物群落为了应对环境变化，协同作用增加，这对木质纤维素等难降解物质的分解具备极其重大作用。其中，升温阶段网络的边数量最多，密度和平均聚类系数最大，共现性网络最复杂。有研究表明，当环境中可利用营养物质种类丰富时，微生物共现性网络更复杂(Co-composting urban waste, plant residues, and rock phosphate: biochemical characterization and evaluation of compost maturity. Soil and Tillage Research, 2018)。

  根据模块内连通度(Zi)和模块间连通度(Pi)将节点分为四类：(1) Network hubs(z2.5，p0.62)在整个网络中都高度连通的节点；(2) Module hubs(z2.5, p0.62)在自身模块内具有高度连通的节点；(3) Connectors(z2.5, p0.62)与在模块与模块间连通度较高的节点；(4) Peripherals(z2.5, p0.62)在模块内和模块间的连接均较少的节点。我们通过计算关键节点与木质纤维素含量的Pearson相关性来构建热图(图5c)。共现性网络中很多关键节点在高温阶段对纤维素和半纤维素的降解有显著作用，这些节点连接了共现性网络中不同模块，对模块功能的表达起到了及其重要的作用。同样，在降温阶段的共现性网络中，关键节点主要对木质素降解有显著贡献。这也印证了我们前边得出的结论：纤维素和半纤维素主要在高温阶段降解，木质素主要在降温阶段降解。我们计算了含关键节点的网络模块与木质纤维素降解的相关性，发现含关键节点的网络模块主要对高温阶段的半纤维素和木质素降解有显著影响，对冷却阶段的半纤维素降解有显著影响;但大部分模块之间的相关性较强(图S4)。Connectors作为模块之间高度连接的节点，可以联合不同的模块以实现共现性网络功能，因此，木质纤维素降解可能需要不同模块的联合作用才能完成。

  对木质纤维素降解有显著作用的关键节点主要由厚壁菌门和放线菌门组成。有趣的是，这些关键节点的相对丰度较低(0.017-4.3%)(图5d)，但是对支持微生物共现性网络降解木质纤维素具有及其重要的作用，表明低丰度类群在维持微生物共现性网络的功能方面比高丰度物种更重要。研究表明，低丰度微生物可能是网络中的关键物种(Network topology reveals high connectance levels and few key microbial genera within soils. Frontiers in Environmental Science, 2014)，这些物种对微生物网络结构和功能的维持起到了重要作用。

  图5. 堆肥不同阶段微生物群落共现性网络及其拓扑性质的变化，以及关键类群与木质纤维素降解之间的关系。

  (a)节点的连接表示强相关性(Spearman r＞0.6，FDR调整p＜0.01)(蓝色表示积极影响；红色表示消极影响)、(b)根据关键节点的拓扑属性显示其分布、(c)在高温和降温阶段，木质纤维素含量与微生物共现性网络中关键节点的Pearson相关性和(d)不同阶段细菌和真菌OTU丰度的关键节点百分比和热图。

  结构方程模型结果表明，温度对整体共现性网络、细菌与真菌相互作用和细菌共现性网络具有显著正相关作用。水分只有对真菌共现性网络具有显著正相关作用。因此，温度和水分是影响微生物群落多样性及其共生模式的主导性环境因素。

  微生物群落多样性能够被共现性网络影响(图6a)。所有结构方程模型均表示细菌群落多样性对木质纤维素降解有正相关作用，STE分析表明，细菌群落多样性分别解释了31.5%、24.6%和29.5%的纤维素、半纤维素和木质素降解(图6b)。而真菌群落多样性只对纤维素降解有正相关作用，对半纤维素和木质素的降解呈负相关作用。真菌的子囊菌门在嗜热阶段可以分泌纤维素酶和半纤维素酶，但是子囊菌门在嗜热和降温阶段主要参与了纤维素的降解，这可能会导致真菌对半纤维素和木质素的降解率相对降低，从而表现出负相关作用。

  图6. 结构方程模型(SEM)估算堆肥过程中不同因素对木质纤维素降解的直接和间接影响。

  (a)结构方程模型中连续箭头和虚线箭头分别代表显著关系和不显著关系，蓝色和红色分别代表积极和消极的影响。(b)来自SEM的标准化总效应。这是每个变量对纤维素、半纤维素和木质素降解直接和间接影响的总和。

  微生物共现性网络不仅能够影响微生物群落多样性，还会影响木质纤维素降解。结果显示，整体共现性网络和细菌共现性网络对木质纤维素降解均有显著正相关作用。相反，真菌共现性网络对木质纤维素降解呈现出负相关作用。随着堆肥的进行，分解木质纤维素的真菌减少，这可能导致真菌共现性网络与木质纤维素降解之间的负相关(Fungal community succession under influence of biochar in cow manure composting. Environmental Science and Pollution Research, 2020)。真菌网络可以与细菌网络协作，协同分解木质纤维素。然而，细菌和真菌相互作用对木质纤维素降解的影响与整体共现性网络相似，STE分析表明，整体共现性网络解释了72.7%、39.6%和64.9%的纤维素、半纤维素和木质素降解，而细菌-线%的纤维素，半纤维素和木素降解，进一步表明细菌和真菌相互作用支持整体共现性网络功能。与真菌相比，细菌利用纤维素水解酶和其他一些酶的能力有限，然而真菌可以将纤维素和木质素转化为可供细菌使用的有机物，并在木质纤维素的分解中发挥关键作用。同时，细菌可以产生维生素和其他有益于真菌的物质。不同微生物类群之间的代谢产物交换是一种互利共生的现象，微生物共生模式则会影响微生物多样性和功能。为响应环境因素的变化，微生物偏向于改变微生物群落相互作用，并驱动微生物群落功能。其中，细菌间的相互作用对木质纤维素降解极其重要。细菌共现性网络分别解释了纤维素、半纤维素和木质化降解的63.5%、45.6%和76.2%，这与整体共现性网络值一致，比微生物群落多样性的值高3-4倍。因此，细菌共现性网络在支持整体共现性网络结构和功能方面具备极其重大作用，这和我们得出的微生物共现性网络主要由细菌节点主导的结论一致。此外，图7和图S5的分析也有力地支持微生物类群之间的共现性网络在堆肥过程中的木质纤维素降解中起着关键作用。

  图7. (a)总体网络、(b)细菌﹣真菌相互作用、(c)细菌网络和(d)真菌网络与木质纤维素含量之间关联度的线性回归。

  图S5. 基于相关性和最佳多元回归模型的微生物多样性和共现性网络对木质纤维素降解的贡献。

  热图表示微生物多样性及其共现性网络与木质纤维素含量之间的Spearman相关性，柱状图表示微生物群落对木质纤维素降解的总贡献(通过多元线性回归获得)。显著性水平:*p 0.05， **p 0.01， ***p 0.001。

  本文的研究根据结果得出，堆肥过程中，微生物共现性网络主导了木质纤维素的降解。共现性网络中对木质纤维素降解有显著作用的关键节点主要由厚壁菌门和放线菌门组成，这些节点的相对丰度较低。此外，温度和水分明显影响了微生物共现性网络，是堆肥的关键环境因子。由此可见，微生物共现性网络结构和功能受低丰度微生物类群和环境因子的影响主导了木质纤维素降解。这些发现扩展了我们对食草动物粪便堆肥过程中木质纤维素降解及微生物相互作用机制的认知。