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    綜合新聞

    東北地理所在飼用抗生素降低“秸稈養牛-糞便基質(zhì)發(fā)酵-草生菌栽培”循環(huán)系統中氮轉化的作用機理研究方面取得進(jìn)展

    文章來(lái)源:東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所    |    發(fā)布時(shí)間:2022-07-19    |    【放大】 【縮小】  |  【打印】 【關(guān)閉

      氮參與蛋白質(zhì)、核酸等生命必需生物大分子的合成,是生物體中至關(guān)重要的成分。生物圈中的氮循環(huán)是氮的生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分之一。隨著(zhù)農業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展,大量畜禽糞便和農作物秸稈被閑置、浪費,并被稱(chēng)為“農業(yè)廢棄物”。種養循環(huán)技術(shù)模式是促進(jìn)營(yíng)養物質(zhì)循環(huán)利用、提高農牧業(yè)生產(chǎn)效率的重要農業(yè)生產(chǎn)方式。然而,到目前為止,種養循環(huán)系統中關(guān)于氮循環(huán)效率及其調控的研究還非常薄弱。為此,中國科學(xué)院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所草地農牧業(yè)學(xué)科組的科研人員基于“玉米秸稈養牛-糞便基質(zhì)化-草生菌栽培”循環(huán)系統,研究了莫能菌素及秸稈種類(lèi)對氮回收率的影響(氮回收率定義為蘑菇子實(shí)體中總氮與初始原料中總氮的比值),旨在明確該循環(huán)系統中氮的回收率,并揭示莫能菌素影響循環(huán)系統中氮轉化的微生物學(xué)機制。

      研究發(fā)現:在4種發(fā)酵基質(zhì)(無(wú)抗牛糞+玉米秸稈、無(wú)抗牛糞+小麥秸稈、有抗牛糞+玉米秸稈、有抗牛糞+小麥秸稈)上栽培雙孢蘑菇,可以蘑菇氮的形式回收秸稈和糞便中總氮的3.33-5.88%。由于殘留的莫能菌素抑制了基質(zhì)中氨化與反硝化菌的活性,從而降低了基質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中的氮損失,提高了氮轉化效率(表1)。然而,由于發(fā)酵和栽培過(guò)程中,基質(zhì)中與氮轉化相關(guān)的酶活性(表2)以及微生物群落結構和演替變化(圖1)引起的氮損失變化,莫能菌素最終降低了整個(gè)循環(huán)系統中氮回收率的0.13%-1.57%。本研究結果為構建高效的種養一體化循環(huán)農業(yè)技術(shù)模式提供了數據支撐。

    表1. 基質(zhì)發(fā)酵、蘑菇栽培及采收過(guò)程中的氮回收率  

    Stages

    Items

    Treatment1

    SEM

    Pvalue

    No-antibiotic

    Antibiotic

    NC

    NW

    AC

    AW

    Straw

    Antibiotic

    Straw×Antibiotic

    Start of fermentation

    Starting substrate (kg)

    15.12

    15.22

    15.18

    15.21

    0.042

    0.129

    0.650

    0.378

    N concentration in starting substrate (g/kg)

    16.45c

    18.96a

    16.21d

    18.73b

    0.035

    <0.001

    <0.001

    0.981

    Total N in starting substrate (g)

    248.7c

    288.7a

    246.1d

    284.8b

    0.855

    <0.001

    0.001

    0.462

    End of fermentation

    Fermented substrate (kg)

    11.20b

    10.65c

    11.41c

    10.38d

    0.035

    <0.001

    0.342

    <0.001

    N concentration in fermented substrate (g/kg)

    21.08b

    21.54b

    21.01b

    22.87a

    0.299

    <0.001

    0.047

    0.029

    Total N in fermented substrate (g)

    236.1

    229.4

    239.6

    237.3

    3.316

    0.189

    0.098

    0.516

    N retention rate during fermentation2(%)

    94.93a

    79.45c

    97.37a

    83.33b

    1.194

    <0.001

    0.016

    0.555

    End of cultivation

    Cultivated substrate (kg)

    6.96b

    7.14a

    6.81c

    7.09a

    0.038

    <0.001

    0.020

    0.190

    N concentration of cultivated substrate (g/kg)

    14.54c

    17.43a

    16.21b

    17.27a

    0.192

    <0.001

    <0.001

    <0.001

    Total N in cultivated substrate (g)

    101.1c

    124.3a

    110.4b

    121.2a

    1.350

    <0.001

    0.012

    <0.001

    N retention rate during cultivation3(%)

    40.64c

    43.07b

    44.87a

    42.98b

    0.460

    0.564

    <0.001

    <0.001

    Harvested mushroom

    Fruit body yield (kg DM)

    0.080a

    0.067b

    0.047c

    0.052c

    0.002

    0.129

    <0.001

    <0.001

    N concentration in fruit body (mg/kg)

    18.27

    18.52

    18.24

    18.17

    0.301

    0.755

    03542

    0.600

    Total N in fruit body (g)

    1.463a

    1.247b

    0.852c

    0.948c

    0.049

    0.231

    <0.001

    0.004

    N recycled rate4(%)

    5.88a

    4.31b

    3.46c

    3.33c

    0.189

    <0.001

    <0.001

    0.001

      NC= no-antibiotic manure and corn straw, NW: no-antibiotic manure and wheat straw, AC= antibiotic manure and corn straw, AW= antibiotic manure and wheat straw, N retention rate= Total N in fermented substrate/Total N in starting substrate, N retention rate= Total N in cultivated substrate/Total N in fermented substrate, N recycled rate= Total N in fruit body of mushroom/ Total N in starting substrate.

    表2. 基質(zhì)發(fā)酵和蘑菇栽培過(guò)程中的關(guān)鍵酶活性  

    Index

    Stage

    Treatment1

    SEM

    Pvalue

    No-antibiotic

    Antibiotic

    NC

    NW

    AC

    AW

    Straw

    Antibiotic

    Straw × Antibiotic

    Urease (U/g)

    End of feeding

    5770.3b

    5775.5b

    8556.4a

    8125.7a

    277.74

    0.453

    <0.001

    0.442

    End of fermentation

    3014.6b

    3911.0a

    2345.1c

    2173.2d

    24.30

    <0.001

    <0.001

    <0.001

    End of cultivation

    43.38b

    218.80a

    45.10b

    32.01c

    0.704

    <0.001

    <0.001

    <0.001

    Nitrate reductase (U/g)

    End of feeding

    7.43b

    7.25b

    13.61a

    13.63a

    0.147

    0.611

    <0.001

    0.529

    End of fermentation

    1.04b

    1.18a

    0.74c

    0.90d

    0.012

    <0.001

    <0.001

    0.631

    End of cultivation

    38.75bc

    49.2b

    30.24c

    152.4a

    4.104

    <0.001

    <0.001

    <0.001

    Nitrite reductase (U/g)

    End of feeding

    15.77b

    15.79b

    15.94a

    15.95a

    0.078

    0.731

    0.002

    0.890

    End of fermentation

    14.20a

    10.49d

    11.22c

    13.02b

    0.018

    <0.001

    <0.001

    <0.001

    End of cultivation

    11.22a

    9.49b

    8.58c

    8.48d

    0.028

    <0.001

    <0.001

    <0.001

    圖1. 基質(zhì)發(fā)酵第0天(a)、14天(b)、35天(c)基于 16S rDNA 測序的門(mén)水平相對豐度;堆肥第0天(d)、14天(e)、35 天(f)基于 ITS 測序的門(mén)水平相對豐度。

      研究成果于近期發(fā)表在國際期刊Waste Management上,由王菲研究實(shí)習員(第一作者)和鐘榮珍研究員(通訊作者)共同完成。該研究得到了中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項(XDA28020400 ; XDA28080400 ; XDA23070503 );吉林省與中國科學(xué)院科技合作高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項資金項目(2021SYHZ0033);吉林省科技發(fā)展計劃項目(20200602016ZP )和中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )優(yōu)秀會(huì )員人才專(zhuān)項( Y201949 )的聯(lián)合資助。

      文章信息:Wang F., Fang Y., Wang L. X., Xiang H., Chen G. S., Chang X., Liu D., He X. M., Zhong R. Z.*2022. Effects of residual monensin in livestock manure on nitrogen transformation and microbial community during “crop straw feeding-substrate fermentation-mushroom cultivation” recycling system. Waste Management. 149. 333-344. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2022.06.015.