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随着我国农业的发展，每年产生大量的畜禽粪污和农作物秸秆。如果对其处理不当不仅造成严重的环境污染，还会传播病原菌，影响农业的良性发展。而堆肥技术可以对其进行有效的无害化、减量化以及资源化处理，是目前处理畜禽粪便和农作物秸秆的主流技术。
氮素转化是堆肥过程中的重要生化过程，对堆肥的进程以及堆肥的质量具有决定性作用，也是理解堆肥氮素循环理论的基础。尽管学者们对堆肥过程中氮素转化相关的微生物进行了一些探索，但是以往的工作侧重于从单因素角度研究功能菌群及功能基因与氮素转化之间的相关性，而对于调控氮素转化的功能菌群协同作用和功能基因的协同效应，以及与功能菌群和功能基因的相对贡献方面的研究还是空白，难以全面揭示堆肥氮素转化的微生态学机制。
本研究以干牛粪和水稻秸秆为原材料，在自制强制通风发酵装置中进行堆肥发酵。测定了堆肥过程中相关理化因子和多种化学形态氮素指标的变化，运用高通量测序技术探明堆肥中细菌群落组成和结构的动态，采用RT-qPCR技术描述氮转化相关功能基因的丰度变化。运用多种统计学方法分析了堆肥中理化因子之间及理化因子与细菌群落的演替的相关性；分析了细菌物种之间的协同作用和功能基因之间的协同效应及其对氮素转化的影响，旨在从微生态学角度揭示堆肥氮素转化的机制，为改善堆肥技术提供科学依据。
主要结果如下：
(1)堆肥进程中，总氮、有机氮和NO3--N浓度变化均呈现逐渐升高趋势。矿质态氮、NH4+-N和NO2--N的浓度在升温期和高温期上升，NH4+-N和NO2--N在堆肥后期逐渐下降，而矿质态氮浓度变化趋于平缓。N2O排放呈现波动性降低，最大排放率发生在堆肥第二天。
(2)堆肥过程中，门水平上的优势细菌包括：酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)。属水平上的优势细菌包括：类似芽球菌属(Blastocatella)、肠杆菌属(Enterobacter)、环脂酸芽孢杆菌属(Tumebacillus)、玫瑰弯菌属(Roseiflexus)、OPB54未命名菌属(OPB54_norank)、黄杆菌属(Flavobacterium)、戴沃斯菌属(Devosia)、假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、土地杆菌属(Pedobacter)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)。
(3)基于曼特尔检验(Mantel Test)、偏曼特尔检验(Partial Mantel Test)、典型相关分析(CCA)、通径模型(Path analysis)和斯皮尔曼相关系数(Spearman)分析发现，含水率、TN和C/N与菌群演替呈显著性相关，另外不同理化因子乃至不同氮素指标以协同作用机制影响着堆肥过程中细菌群落的组成和多样性变化。
(4)基于OTU相关性网络、斯皮尔曼相关、功能属菌属、逐步回归和通径模型分析方法的逐步验证，确定了影响氮素转化的关键菌群。在属水平上，短波单胞菌属(Brevundimonas)是影响NO3--N、NO2--N和影响矿质态氮转化的关键菌属；假单胞菌属(Pseudomonas)NO2--N、矿质态氮和N2O转化的共同关键菌属；志津氏菌属(Simiduia)和陶厄氏菌属(Thauera)分别是影响NH4+-N转化和N2O排放的主要菌属；类似芽球菌属(Blastocatella)和肠杆菌属(Enterobacter)是驱动总氮转化的关键菌属。在种水平上，Thermomonospora_curvata_DSM_43183和Pseudomonas_putida_NBRC_14164分别是影响NH4+-N转化和N2O排放的主要菌种。关键菌群有助于解释氮素转化微生态动力学机制。
(5)RT-qPCR分析表明，在堆肥过程中细菌16SrRNA基因绝对丰度最高；古细菌16SrRNA和厌氧氨氧化细菌16SrRNA基因的绝对丰度较少；amoA和nxrA基因的绝对丰度的变化趋势与NH4+-N浓度变化相似；narG、napA、nirK、nirS、qnorB和nosZ基因的绝对丰度较高。硝化和反硝化过程是本研究堆肥氮转化的主要途径。
(6)通过KEGG、皮尔森相关系数、逐步回归和通径分析多种方法相互验证，表明nxrA/qnorB(0.9419±0.0334)和(amoA+anammox)/bacteria(0.7187±0.0334)是介导NH4+-N转化的关键功能基因群；amoA/(narG+napA)((-0.8400±0.0129)、amoA/bacteria(0.8692±0.0273)和(nirK+nirS)/nosZ(1.1652±0.0089)分别是NO3--N、NO2--N和N2O转化的主要调控因素；(amoA+anammox)/bacteria(0.5943±0.0624)和nosZ/bacteria(-0.5466±0.0333)是矿质态氮转化的主要功能基因群；amoA/anammox(-0.7172±0.0591)和(nirK+nirS)/nosZ(-0.6626±0.0825)是堆肥过程中总氮转化的主要路径。以上结果揭示出功能基因在堆肥氮素转化过程中表现为协同作用。更重要的是，堆肥进程中基于分子水平硝化作用、厌氧氨氧化作用和反硝化作用同步存在，而不是依次进行。
氮素转化是堆肥过程中的重要生化过程，对堆肥的进程以及堆肥的质量具有决定性作用，也是理解堆肥氮素循环理论的基础。尽管学者们对堆肥过程中氮素转化相关的微生物进行了一些探索，但是以往的工作侧重于从单因素角度研究功能菌群及功能基因与氮素转化之间的相关性，而对于调控氮素转化的功能菌群协同作用和功能基因的协同效应，以及与功能菌群和功能基因的相对贡献方面的研究还是空白，难以全面揭示堆肥氮素转化的微生态学机制。
本研究以干牛粪和水稻秸秆为原材料，在自制强制通风发酵装置中进行堆肥发酵。测定了堆肥过程中相关理化因子和多种化学形态氮素指标的变化，运用高通量测序技术探明堆肥中细菌群落组成和结构的动态，采用RT-qPCR技术描述氮转化相关功能基因的丰度变化。运用多种统计学方法分析了堆肥中理化因子之间及理化因子与细菌群落的演替的相关性；分析了细菌物种之间的协同作用和功能基因之间的协同效应及其对氮素转化的影响，旨在从微生态学角度揭示堆肥氮素转化的机制，为改善堆肥技术提供科学依据。
主要结果如下：
(1)堆肥进程中，总氮、有机氮和NO3--N浓度变化均呈现逐渐升高趋势。矿质态氮、NH4+-N和NO2--N的浓度在升温期和高温期上升，NH4+-N和NO2--N在堆肥后期逐渐下降，而矿质态氮浓度变化趋于平缓。N2O排放呈现波动性降低，最大排放率发生在堆肥第二天。
(2)堆肥过程中，门水平上的优势细菌包括：酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)。属水平上的优势细菌包括：类似芽球菌属(Blastocatella)、肠杆菌属(Enterobacter)、环脂酸芽孢杆菌属(Tumebacillus)、玫瑰弯菌属(Roseiflexus)、OPB54未命名菌属(OPB54_norank)、黄杆菌属(Flavobacterium)、戴沃斯菌属(Devosia)、假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、土地杆菌属(Pedobacter)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)。
(3)基于曼特尔检验(Mantel Test)、偏曼特尔检验(Partial Mantel Test)、典型相关分析(CCA)、通径模型(Path analysis)和斯皮尔曼相关系数(Spearman)分析发现，含水率、TN和C/N与菌群演替呈显著性相关，另外不同理化因子乃至不同氮素指标以协同作用机制影响着堆肥过程中细菌群落的组成和多样性变化。
(4)基于OTU相关性网络、斯皮尔曼相关、功能属菌属、逐步回归和通径模型分析方法的逐步验证，确定了影响氮素转化的关键菌群。在属水平上，短波单胞菌属(Brevundimonas)是影响NO3--N、NO2--N和影响矿质态氮转化的关键菌属；假单胞菌属(Pseudomonas)NO2--N、矿质态氮和N2O转化的共同关键菌属；志津氏菌属(Simiduia)和陶厄氏菌属(Thauera)分别是影响NH4+-N转化和N2O排放的主要菌属；类似芽球菌属(Blastocatella)和肠杆菌属(Enterobacter)是驱动总氮转化的关键菌属。在种水平上，Thermomonospora_curvata_DSM_43183和Pseudomonas_putida_NBRC_14164分别是影响NH4+-N转化和N2O排放的主要菌种。关键菌群有助于解释氮素转化微生态动力学机制。
(5)RT-qPCR分析表明，在堆肥过程中细菌16SrRNA基因绝对丰度最高；古细菌16SrRNA和厌氧氨氧化细菌16SrRNA基因的绝对丰度较少；amoA和nxrA基因的绝对丰度的变化趋势与NH4+-N浓度变化相似；narG、napA、nirK、nirS、qnorB和nosZ基因的绝对丰度较高。硝化和反硝化过程是本研究堆肥氮转化的主要途径。
(6)通过KEGG、皮尔森相关系数、逐步回归和通径分析多种方法相互验证，表明nxrA/qnorB(0.9419±0.0334)和(amoA+anammox)/bacteria(0.7187±0.0334)是介导NH4+-N转化的关键功能基因群；amoA/(narG+napA)((-0.8400±0.0129)、amoA/bacteria(0.8692±0.0273)和(nirK+nirS)/nosZ(1.1652±0.0089)分别是NO3--N、NO2--N和N2O转化的主要调控因素；(amoA+anammox)/bacteria(0.5943±0.0624)和nosZ/bacteria(-0.5466±0.0333)是矿质态氮转化的主要功能基因群；amoA/anammox(-0.7172±0.0591)和(nirK+nirS)/nosZ(-0.6626±0.0825)是堆肥过程中总氮转化的主要路径。以上结果揭示出功能基因在堆肥氮素转化过程中表现为协同作用。更重要的是，堆肥进程中基于分子水平硝化作用、厌氧氨氧化作用和反硝化作用同步存在，而不是依次进行。