秸秆工厂化快速堆肥是木质纤维素高效利用转化的重要方式,是一种非常具有前景的产业,不仅可以完成大规模农业秸秆综合利用,还可以满足大棚等集约农业对育苗基质的要求,解决现代化农业的一系列问题。然而,堆肥过程是一个微生物生态学过程,发酵时间长,控制复杂,生产成本高,限制了其大规模的推广应用。本文针对以上问题,利用宏基因组学技术对秸秆堆肥发酵过程中主要降解微生物区系的变化进行了分析,取得了初步成果,为秸秆的高效转化研究奠定了理论基础。秸秆堆肥发酵过程较为粗放,原料成分复杂,发酵过程条件变化多样,为了研究微生物区系的代表,在本项研究中通过大量重复实验发现菌丝形态生长相似的生境中有着相同的优势微生物菌群,说明微生物群落形态可以作为取样时的标志。在研究中建立了典型生境下基于天然生境中优势微生物群落形态的取样方法。研究发现在堆肥生境中,微生物菌丝生长旺盛的区位有着更高的胞外纤维素酶活性,以及更高的纤维素降解率。基于生长旺盛的白色菌丝样品进行取样,利用PCR-RFLP和Roche454高通量测序两种方法研究了该堆肥生境中微生物的多样性。结果显示,两种方法都可以检测堆肥生境中的优势微生物种类。Roche454高通量测序的方法测序通量大,对生境中的微生物种类覆盖度大,可以检测到生境中相对低丰度的微生物种群。利用高通量测序方法分析了玉米秸秆大堆固态发酵的过程,发现不同发酵堆区位由于水分、氧气、温度等各种条件的不同,可导致其优势微生物区系明显不同,微生物对秸秆的降解程度也明显不同。研究发现秸秆的降解主要发生在氧气充足的D1层,真菌中的嗜热丝孢菌属是该生境中的优势微生物,其中嗜热丝孢菌属约占真菌总量的66%；细菌中喜热裂孢菌属、嗜热多孢菌属、各种高温芽孢杆菌是优势微生物。最外层(DO)的秸秆由于水分不充足,基本没有降解；氧气不充足的D2层中,以各种好氧或兼性厌氧细菌为主；堆垛中最内部(D3层)几乎完全缺氧,主要生长着各种酵母科真菌及乳杆菌属,与秸秆青贮环境中微生物种群类似,秸秆基本无降解。因此秸秆堆肥好氧生产育苗基质的发酵过程中应注意翻堆通风,保证好氧微生物快速生长,从而加速秸秆的好氧快速降解。在小麦秸秆翻堆发酵的整个发酵周期中,秸秆的降解主要发生在发酵过程的前中期。发酵过程由于翻堆与天气等其他因素的影响,反应堆温度低于玉米秸秆发酵时的温度,此环境过程中变形菌门、拟杆菌门、放线菌门细菌和子囊菌门的真菌为优势菌群,其中子囊菌门中,同样以嗜热丝孢菌属最多。发酵的高温过程可以杀死假黄单胞菌属和黄杆菌属等植物致病菌,减少农作物灾害。秸秆堆肥生境中,有着较为丰富的微生物多样性,但在这些微生物中,能够产生纤维素酶或半纤维素酶的微生物有着绝对的优势,如无论是以玉米秸秆还是小麦秸秆为原料,都能够检测到非常大量的喜热裂孢菌属和嗜热丝孢菌属。在后续的实验中,可以尝试将喜热裂孢菌及嗜热丝孢菌等该生境中的优势微生物直接接种到固态发酵堆中,以提高固态发酵效率,缩短发酵周期。