畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书--畜禽养殖发酵床微生物组多样性

畜禽粪污是畜禽养殖过程中产生的主要污染物。原农业部印发了《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》，提供了资源化利用7种典型技术模式，包括粪污全量收集还田利用模式、粪污专业化能源利用模式、固体粪便堆肥利用模式、异位发酵床模式、粪便垫料回用模式、污水肥料化利用模式和污水达标排放模式。其中，异位发酵床模式、粪便垫料回用模式等均为农村粪污资源化关键技术。微生物发酵床是利用微生物建立起的一套生态养殖系统，具有绿色低碳、清洁环保、就近收集、实时处理、原位发酵、高质化利用等特点，可为建设美丽乡村提供技术保障。
在科技部973前期项目、863项目、国际合作项目，国家自然科学基金、原农业部行业专项等的支持下，经过20多年的研究，作者所在团队结合污染治理、健康养殖、资源化利用的机理，围绕微生物发酵床组织编写了“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”，包括了《畜禽养殖微生物发酵床理论与实践》《畜禽粪污治理微生物菌种研究与应用》《畜禽养殖废弃物资源化利用技术与装备》《畜禽养殖发酵床微生物组多样性》《发酵垫料整合微生物组菌剂研发与应用》5个分册，系统介绍微生物发酵床理论和应用技术。本丛书主要从微生物发酵床畜禽粪污治理与健康养殖出发，研究畜禽粪污治理微生物菌种，设计畜禽养殖废弃物资源化利用技术与装备，分析畜禽养殖发酵床微生物组多样性，提出了畜禽粪污高质化利用的新方案，为解决我国畜禽养殖污染及畜禽粪污资源化利用、推动微生物农业特征模式之一的微生物发酵床的发展提供了切实可行的理论依据、技术参考和案例借鉴，有助于达到“零排放”养殖、无臭养殖、无抗养殖、有机质还田、智能轻简低成本运行，实现种养结合生态循环农业、资源高效利用，助力农业“双减（减肥减药）”绿色发展。
本丛书反映了作者及其团队在畜禽养殖微生物发酵床综合技术研发和产业应用实践方面所取得的原创性重大科研成果和创新技术。
（1）提出了原位发酵床和异位发酵床养殖污染微生物治理的新思路，研发了微生物发酵床养殖污染治理技术与装备体系，为我国养殖业污染治理提供技术支撑。
（2）创建了畜禽养殖污染治理微生物资源库，成功地筛选出一批粪污降解菌、饲用益生菌，揭示其作用机理，显著提升了微生物发酵床在畜禽养殖业中的应用和效果。
（3）探索了微生物发酵床的功能，研发了环境监控专家系统，阐明了发酵床调温机制，研究了微生物群落动态，揭示了猪病生防机理，建立了发酵床猪群健康指数，制定了微生物发酵床技术规范和地方标准，提升了发酵床养殖的现代化管理水平。
（4）创新了发酵床垫料资源化利用技术与装备，提出整合微生物组菌剂的研发思路，成功研制出机器人堆垛自发热隧道式固体发酵功能性生物基质（菌肥）自动化生产线，创制出一批整合微生物组菌剂和功能性生物基质新产品，实现了畜禽养殖粪污的资源化利用。
本丛书介绍的内容中，畜禽粪污微生物治理及其资源化利用的关键技术——原位发酵床在福建、山东、江苏、湖北、四川、安徽等18个省份的猪、羊、牛、兔、鸡、鸭等污染治理上得到大面积推广应用。据不完全统计结果显示，近年来家畜出栏累计达1323万头，禽类出栏累计达5.6亿羽，产生经济效益达142.9亿元，并实现了畜禽健康无臭养殖、粪污“零排放”。异位发酵床被农业农村部选为“2018年十项重大引领性农业技术”，在全国推广超过5000套，成为养殖粪污资源化利用的重要技术。而且，使用后的发酵垫料等副产物被开发为功能性生物基质、整合微生物组菌剂、生物有机肥等资源化品超过100万吨，取得了良好的社会效益、经济效益和生态效益。发酵床利用微生物技术，转化畜禽粪污，发酵为益生菌，促进动物健康养殖，也能提高发酵产物菌肥的微生物组数量并保存丰富的营养物质，不仅实现污染治理，还提高资源化利用整合微生物组菌剂的肥效；成为生态循环农业的重要技术支撑，推进农业的绿色发展。
本书为“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”的一个分册，以畜禽养殖发酵床垫料的微生物组为主线，共分八章：第一章主要介绍了微生物发酵床畜禽养殖原理、发酵床微生物群落研究进展、细菌群落宏基因组研究进展、真菌群落宏基因组研究进展；第二章主要介绍了发酵床微生物组的研究方法；第三章养猪原位发酵床微生物组多样性，分别介绍了微生物发酵床细菌的季节变化、不同发酵程度的垫料中细菌多样性、垫料不同深度的细菌多样性、猪粪降解过程中的细菌多样性；第四章养猪饲料发酵床微生物组多样性，主要介绍了饲料发酵床不同深度垫料的细菌分类阶元的群落分化、细菌属的垂直分布特征、芽胞杆菌垂直分布特征、饲料发酵床对猪重要细菌性病原的抑制作用；第五章发酵床猪肠道与皮毛微生物组多样性，主要介绍了不同养猪模式猪肠道微生物组异质性、猪皮毛菌群微生物组异质性；第六章养牛原位发酵床微生物组多样性，主要介绍了养牛原位发酵床细菌群落研究方法、不同牧场养牛发酵床细菌微生物组异质性、养牛发酵床细菌和芽胞杆菌垂直分布异质性、养牛发酵床垫料湿度对细菌微生物组的影响；第七章养羊原位发酵床微生物组多样性，主要介绍了养羊原位发酵床细菌种群宏基因组分析，养羊原位发酵床垫料细菌门、纲、目、科、属和种水平的菌群异质性；第八章异位发酵床微生物组多样性，主要介绍了异位发酵床微生物组多样性，以及异位发酵床细菌和真菌群落多样性。本书理论与实践有效结合，具有较强的技术应用性、可操作性和针对性，可供从事畜禽粪污处理处置及资源综合利用的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也供高等学校环境科学与工程、生物工程、农业工程及相关专业师生参阅。
本书主要由刘波、王阶平、陈倩倩、阮传清等编著，张海峰、朱育菁、蓝江林、车建美、肖荣凤、陈峥、郑雪芳、陈德局、刘国红、陈梅春、潘志针、林营志、葛慈斌、黄素芳、史怀、苏明星、刘芸、曹宜、陈燕萍、郑梅霞、刘欣、夏江平、戴文霄、张习勇等参与了部分内容的编著，在此表示感谢。本书内容涉及成果在研究过程中得到了农业种质资源圃（库）（XTCXGC2021019） 、发酵床除臭复合菌种（2020R1034009、2018J01036）、饲料微生物发酵床（2021I0035）、整合微生物组菌剂（2020R1034007、2019R1034-2）、微生物研究与应用科技创新团队（CXTD0099）、农业农村部东南区域农业微生物资源利用科学观测实验站（农科教发〔2011〕8号）、科技部海西农业微生物菌剂国际科技合作基地（国科外函〔2015〕275号)、发改委微生物菌剂开发与应用国家地方联合工程研究中心(发改高技〔2016〕2203号）等项目的支持；在图书编写和出版过程中得到了陈剑平院士、李玉院士、沈其荣院士、李玉院士、谢华安院士、赵春江院士、喻子牛教授、李季教授、姜瑞波研究员、张和平教授、李文均教授、朱昌雄研究员、王琦教授等精心指导，在此一并表示衷心的感谢。
限于编著者水平及编著时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者斧正，共勉于发展微生物农业的征程中。

编著者 
2021 年3 月于福州

刘波，福建省农业科学院农业生物资源研究所，二级研究员，德国博士后，美国访问学者；从事微生物生物技术与农业污染微生物治理研究，国家发改委微生物菌剂国地工程研究中心主任，微生物发酵床发明人之一，研究获专利40项，发表论文600多篇（SCI=80多篇），出版作者19部，获得各级科技奖项19个。

本书是“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”的一个分册，主要介绍了发酵床微生物组研究方法、养猪原位发酵床微生物组多样性、养猪饲料发酵床微生物组多样性、发酵床猪肠道与皮毛微生物组多样性、养牛原位发酵床微生物组多样性、养羊原位发酵床微生物组多样性、异位发酵床微生物组多样性等内容。
本书具有较强的系统性和应用性，可供从事畜禽养殖、环境保护、生物农药、生物肥料、微生物菌剂和微生物研究科研人员、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、生物工程、农业工程、生态工程及相关专业师生参阅。

第一章　绪论  001 
第一节　微生物发酵床畜禽养殖原理  002 
第二节　发酵床微生物群落研究进展  002 
第三节　细菌群落宏基因组研究进展  003 
第四节　真菌群落宏基因组研究进展  011 

第二章　发酵床微生物组研究方法  016 
第一节　概述  017 
一、微生物宏基因组学  017 
二、微生物宏基因组数据分析  017 
三、微生物宏基因组分析方法  017 
第二节　研究方法  018 
一、发酵床垫料样本采集及垫料理化性质测定  018 
二、发酵床垫料的发酵程度等级划分  018 
三、宏基因组高通量测序  018 
四、宏基因组测序数据质控  019 
五、分类操作单元聚类分析  019 
六、分类操作单元抽平处理  019 
七、核心微生物组分析  019 
八、物种分类和丰度分析  019 
九、样本复杂度分析  020 
十、显著性差异分析  020 
第三节　发酵床微生物高通量测序与统计工作流程  021 
一、微生物组高通量测序  021 
二、短序列去杂  021 
第四节　微生物发酵床细菌分类操作单元分析  022 
一、发酵床细菌分类操作单元提取  022
二、发酵床细菌分类操作单元比对  023 
三、发酵床细菌分类操作单元抽平处理  024 
四、发酵床细菌分类操作单元稀释曲线  024 
五、发酵床细菌分类操作单元群落α-多样性  024 
六、发酵床部分样本微生物物种谱系演化  025 
第五节　微生物发酵床核心微生物组分析  028 
一、发酵床微生物组共有OTU数与覆盖样本数关系  028 
二、微生物发酵床冬季和春季共有和特有微生物组OTU数分析  029 
三、发酵床微生物组OTU丰度主成分分析  029 
四、发酵床微生物组OTU秩-多度曲线  029 
五、发酵床微生物组OTU物种累积曲线  030 
六、发酵床微生物组OTU分类阶元数量分布  030 
七、发酵床微生物组OTU丰度柱状图分析  031 
八、发酵床冬季和春季微生物组OTU丰度柱状图分析  031 
九、发酵床微生物组OTU物种热图分析  032 
十、发酵床微生物组OTU物种星图分析  033 
第六节　发酵床微生物组OTU α-多样性种类复杂度分析  035 
一、发酵床单个样本微生物组OTU种类复杂度分析  035 
二、发酵床冬季和春季微生物组OTU箱线图分析  035 
三、发酵床微生物组OTU α-多样性指数秩和检验  036 
第七节　发酵床微生物组OTU β-多样性种类复杂度分析  037 
一、发酵床样本间微生物组OTU UniFrac距离  037 
二、发酵床样本间微生物组OTU UniFrac距离聚类分析  038 
三、发酵床样本间微生物组OTU主坐标分析  038 
第八节　发酵床微生物组OTU差异性分析  040 
一、发酵床微生物组OTU差异效应判别分析  040 
二、发酵床不同分类阶元微生物组OTU差异分析  040 
三、发酵床属分类阶元微生物组OTU差异分析  042 
四、发酵床冬季和春季微生物组OTU主成分分析  043 
第九节　发酵床微生物组OTU种类冗余分析  043 
一、梯度分析  043 
二、冗余分析结果  043 
第十节　讨论  044 
一、我国畜禽粪便是农业面源污染的主要来源  044
二、微生物宏基因已广泛地应用在微生物生态学的研究上  044 
三、养猪发酵床微生物宏基因组分析的一个重要问题  045 
四、发酵床微生物组OTU α-多样性种类复杂度分析  045 

第三章　养猪原位发酵床微生物组多样性  046 
第一节　概述  047 
一、养殖废弃物处理方式  047 
二、微生物发酵床技术  048 
三、发酵床垫料微生物群落  053 
四、微生物发酵床中的芽胞杆菌  054 
五、本章的研究目的和意义  055 
第二节　微生物发酵床细菌季节变化多样性  055 
一、概述  055 
二、研究方法  056 
三、微生物发酵床夏冬垫料的高通量测序  058 
四、微生物发酵床夏冬季节垫料样本与物种关系  062 
五、讨论  066 
第三节　微生物发酵床不同发酵程度细菌多样性  068 
一、概述  068 
二、研究方法  068 
三、发酵床垫料微生物宏基因组测定  069 
四、微生物发酵床不同发酵等级垫料样本物种组成分析  071 
五、微生物发酵床不同发酵等级垫料样本与物种关系  074 
六、讨论  078 
第四节　微生物发酵床垫料不同深度细菌多样性  080 
一、概述  080 
二、研究方法  081 
三、垫料微生物组分析  081 
四、微生物发酵床不同深度垫料样本物种分析  082 
五、讨论  088 
第五节　微生物发酵床猪粪降解过程细菌多样性  090 
一、概述  090 
二、研究方法  090
三、发酵床垫料的理化性质  092 
四、发酵床垫料的高通量测序/093 
五、微生物发酵床细菌群落多样性/093 
六、讨论/098 

第四章　养猪饲料发酵床微生物组多样性/100 
第一节　饲料发酵床不同深度垫料细菌分类阶元群落分化/101 
一、概述/101 
二、不同深度垫料细菌微生物结构/102 
三、不同深度垫料细菌门菌群分化/106 
四、不同深度垫料细菌纲菌群分化/109 
五、不同深度垫料细菌目菌群分化/114 
六、不同深度垫料细菌科菌群分化/122 
七、不同深度垫料细菌属菌群分化/129 
八、不同深度垫料细菌种菌群分化/137 
九、讨论/144 
第二节　饲料发酵床细菌属微生物组垂直分布特征/146 
一、概述/146 
二、细菌属垫料垂直分布优势菌群/146 
三、细菌属垫料垂直分布生境相关性/149 
四、细菌属垫料垂直分布生境多样性/149 
五、细菌属垫料垂直分布生境生态位宽度/149 
六、细菌优势属垫料垂直分布生境生态位重叠/150 
七、细菌属垫料垂直分布亚群落分化/151 
八、讨论/159 
第三节　饲料发酵床芽胞杆菌垂直分布特征/161 
一、概述/161 
二、芽胞杆菌种类鉴定/161 
三、芽胞杆菌种群结构/165 
四、饲料发酵床生境相关性/168 
五、饲料发酵床生境生态位宽度与重叠/170 
六、芽胞杆菌种群饲料发酵床生境垂直分布生态学特征/172 
七、讨论/184 
第四节　饲料发酵床对猪重要细菌性病原的抑制作用/187 
一、概述  187 
二、主要猪细菌性病原的特性  188 
三、饲料发酵床猪细菌性病原菌检测  190 
四、饲料发酵床检出的猪细菌性病原种类分布动态  191 
五、饲料发酵床检测出的猪病细菌属分布动态  206 
六、讨论  214 

第五章　发酵床猪肠道与皮毛微生物组多样性  220 
第一节　不同养猪模式猪肠道微生物组异质性  221 
一、概述  221 
二、饲料发酵床与传统养猪肠道微生物组比较  223 
三、饲料发酵床与传统养殖猪肠道菌群生态学特性  315 
四、饲料发酵床与传统养猪肠道病原菌组成结构  328 
五、讨论  330 
第二节　不同养猪模式猪皮毛菌群微生物组异质性  330 
一、概述  330 
二、饲料发酵床与传统养殖猪皮毛微生物组比较  334 
三、饲料发酵床与传统养殖猪皮毛菌群生态学特性比较  382 
四、饲料发酵床与传统养殖猪皮毛病原菌组成结构  394 
五、讨论  397 

第六章　养牛原位发酵床微生物组多样性  399 
第一节　概述  400 
一、牛发酵床的制作与应用  400 
二、养牛发酵床垫料二次发酵回用技术  402 
三、养牛发酵床防病效果研究  403 
四、养牛发酵床微生物菌群研究  403 
五、发酵床对养牛污染治理的作用  404 
六、发酵床养牛生长性能比较  405 
第二节　养牛原位发酵床细菌群落研究方法  406 
一、养牛发酵床垫料细菌多样性的研究方法  406 
二、养牛发酵床不同牧场细菌微生物组异质性的研究方法  408
三、养牛发酵床垫料细菌微生物组垂直分布异质性的研究方法  410 
四、养牛发酵床垫料湿度对细菌微生物组影响的研究方法  412 
第三节　不同牧场养牛发酵床细菌微生物组异质性  414 
一、养牛发酵床细菌门菌群异质性  414 
二、养牛发酵床细菌纲菌群异质性  423 
三、养牛发酵床细菌目菌群异质性  438 
四、养牛发酵床细菌科菌群异质性  452 
五、养牛发酵床细菌属菌群异质性  471 
六、养牛发酵床细菌种菌群异质性  481 
七、讨论  491 
第四节　养牛发酵床细菌微生物组垂直分布异质性  492 
一、概述  492 
二、不同垫料深度细菌菌群统计  492 
三、不同垫料深度细菌菌群结构  492 
四、细菌属垂直分布优势种  495 
五、基于细菌属垂直分布的垫料生境相关性  498 
六、基于细菌属垂直分布的垫料生境多样性  498 
七、基于细菌属垂直分布的垫料生境生态位宽度  499 
八、基于细菌优势属垂直分布的垫料生境生态位重叠  500 
九、养牛发酵床垂直分布垫料生境细菌属亚群落分化  501 
十、讨论  510 
第五节　养牛发酵床垫料芽胞杆菌垂直分布异质性  512 
一、概述  512 
二、芽胞杆菌种类鉴定  512 
三、芽胞杆菌种群结构  515 
四、基于芽胞杆菌的养牛发酵床垫料生境的相关性  515 
五、基于芽胞杆菌的养牛发酵床垫料生境的多样性  516 
六、芽胞杆菌种群生态位宽度  516 
七、芽胞杆菌种群生态位重叠  518 
八、芽胞杆菌亚群落分化  520 
九、讨论  522 
第六节　养牛发酵床垫料湿度对细菌微生物组的影响  524 
一、概述  524 
二、不同湿度垫料细菌微生物组共有种类统计  525 
三、不同湿度垫料细菌菌群结构  525 
四、不同湿度垫料优势细菌菌群  527
五、不同湿度细菌属亚群落分布  533 
六、讨论  546 

第七章　养羊原位发酵床微生物组多样性  547 
第一节　概述  548 
一、养羊原位发酵床除臭技术  548 
二、养羊原位发酵床的技术优势  548 
三、养羊异位发酵床技术进展  549 
第二节　养羊原位发酵床细菌种群宏基因组检测  550 
一、概述  550 
二、发酵床细菌分类阶元数量  550 
第三节　养羊原位发酵床垫料细菌门菌群异质性  550 
一、发酵床细菌门组成  550 
二、发酵床细菌门共有种类和独有种类  552 
三、发酵床细菌门优势菌群差异性  553 
四、发酵床细菌门菌群聚类分析  554 
第四节　养羊原位发酵床垫料细菌纲菌群异质性  556 
一、发酵床细菌纲组成  556 
二、发酵床细菌纲共有种类和独有种类  559 
三、发酵床垫料发酵细菌纲多样性指数变化  559 
四、发酵床细菌纲优势菌群差异性  560 
五、发酵床细菌纲菌群聚类分析  561 
第五节　养羊原位发酵床垫料细菌目菌群异质性  564 
一、发酵床细菌目组成  564 
二、发酵床细菌目共有种类和独有种类  569 
三、垫料发酵过程细菌目优势菌群的变化  570 
四、发酵床细菌目优势菌群差异性  571 
五、发酵床细菌目菌群聚类分析  574 
第六节　养羊原位发酵床垫料细菌科菌群异质性  579 
一、发酵床细菌科组成  579 
二、发酵床细菌科共有种类和独有种类  587 
三、垫料发酵过程细菌科优势菌群的变化  587
四、发酵床细菌科优势菌群差异性  589 
五、发酵床细菌科菌群聚类分析  596 
第七节　养羊原位发酵床垫料细菌属菌群异质性  604 
一、发酵床细菌属组成  604 
二、发酵床细菌属共有种类和独有种类  622 
三、垫料发酵过程细菌属优势菌群的变化  622 
四、发酵床细菌属优势菌群差异性  624 
五、发酵床细菌属菌群聚类分析  639 
第八节　养羊原位发酵床垫料细菌种菌群异质性  647 
一、发酵床细菌种组成  647 
二、发酵床细菌种共有种类和独有种类  653 
三、垫料发酵过程细菌种优势菌群的变化  653 
四、发酵床细菌种优势菌群差异性  659 
五、发酵床细菌种菌群聚类分析  661 

第八章　异位发酵床微生物组多样性  670 
第一节 异位发酵床微生物组研究  671 
一、样本采集与数据分析  671 
二、微生物种类多样性分析  679 
三、微生物种类稀释曲线分析  680 
四、微生物种类热图分析  681 
五、微生物种类成分分析  690 
六、异位发酵床细菌丰度结构  717 
七、微生物种类韦恩图分析  721 
第二节　异位发酵床细菌群落多样性  765 
一、细菌群落数量（read）分布多样性  765 
二、细菌群落种类（OTU）分布多样性  823 
三、细菌相对丰度分布多样性  878 

参考文献  929