畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书--发酵垫料整合微生物组菌剂研发与应用

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）》，提供了资源化利用的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，以整合微生物菌组剂的研发与应用为主线，共分六章：第一章整合微生物菌组剂的提出、研发与应用，主要介绍了连作障碍与根际微生物组变化的关系，整合微生物组菌剂的生产过程和产品特性；第二章菌剂发酵床特征微生物空间分布，主要介绍了菌剂发酵床芽胞杆菌空间生态位、芽胞杆菌空间分布型、真菌空间分布特性；第三章整合微生物组菌剂微生物组多样性，主要介绍了整合微生物组菌剂微生物含量的估计，菌剂发酵床与堆肥工艺产品微生物组差异，整合微生物组菌剂细菌物种多样性；第四章整合微生物组菌剂的作用机理，主要介绍了整合微生物组菌剂肉汤培养物质组特性、可培养细菌群落变化、宏基因组变化、酶学特性、微生物脂肪酸组；第五章整合微生物组菌剂功能群与同工菌，主要分析了肉汤实验微生物组功能群和芽胞杆菌同工菌；第六章整合微生物组菌剂的应用，主要介绍了整合微生物组菌剂用于生防菌肥二次发酵、植物疫苗二次发酵以及配制育苗基质等。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、郑雪芳、肖荣凤等编著，邵国青、张海峰、朱育菁、蓝江林、车建美、陈峥、阮传清、陈德局、刘国红、陈梅春、潘志针、陈倩倩、林营志、葛慈斌、黄素芳、史怀、苏明星、刘芸、曹宜、陈燕萍、郑梅霞、刘丹莹、夏江平、戴文霄、刘欣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（202110035）、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；在图书编著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2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， 全书共六章，主要介绍了整合微生物菌组剂的提出、研发与应用，菌剂 发酵床特征微生物空间分布，整合微生物组菌剂微生物组多样性，整合 微生物组菌剂的作用机理，整合微生物组菌剂功能群与同工菌和整合微生物组菌剂的应用。 
本书具有较强的技术应用性和针对性，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、农业工程及相关专业师生参阅。

第一章　整合微生物菌组剂的提出、研发与应用 001
第一节　连作障碍与根际微生物组 002
一、连作障碍引起作物产量下降 002
二、作物根际微生物组变化 003
三、作物根际微生物组的重建 004
四、整合微生物组菌剂概念的提出 004
五、整合微生物组菌剂的研究 005
第二节　整合微生物组菌剂的研究方法 008
一、整合微生物组菌剂的生产过程 008
二、整合微生物组菌剂营养成分分析 008
三、整合微生物组菌剂芽胞杆菌活菌总含量的测定 009
四、基于宏基因组的整合菌剂产品细菌微生物组的测定 009
五、整合微生物组菌剂对种子发芽影响的测定 009
六、整合微生物组菌剂对番茄穴盘育苗壮苗作用的研究方法 010
七、整合微生物组菌剂对番茄穴盘育苗青枯病防控的研究方法 010
第三节　整合微生物组菌剂产品特性 010
一、整合微生物组菌剂生产工艺简述 010
二、整合微生物组菌剂营养成分分析 012
三、整合微生物组菌剂芽胞杆菌总活菌数测定 013
四、基于宏基因组整合菌剂产品细菌微生物组测定 016
五、整合微生物组菌剂对种子发芽的影响 020
六、整合微生物组菌剂的壮苗作用 021
七、整合微生物组菌剂对病害防控的作用 022
第四节　整合微生物组菌剂特点及生产质量标准化讨论 023
一、整合微生物组菌剂提出、研发与应用 023
二、整合微生物组菌剂特点 024
三、整合微生物组菌剂生产出大量的芽胞杆菌 025
四、整合微生物组菌剂中猪病原菌的含量 025
五、 整合微生物组菌剂对种子发芽、种苗生长和病害防控的影响 026
六、整合微生物组菌剂生产工艺和质量标准初步确定 027

第二章　菌剂发酵床特征微生物空间分布 028
第一节　菌剂发酵床芽胞杆菌生态位 029
一、概述 029
二、研究方法 030
三、菌剂发酵床空间生态位垫料营养特性分析 032
四、菌剂发酵床空间生态位细菌宏基因组测序 033
五、菌剂发酵床空间生态位芽胞杆菌活菌计数 034
六、基于宏基因组测序菌剂发酵床空间生态位芽胞杆菌数量（read）分布 035
七、菌剂发酵床空间生态位芽胞杆菌亚群落分化 039
八、菌剂发酵床空间生态位芽胞杆菌种群空间分布型 041
九、菌剂发酵床空间生态位芽胞杆菌数量（read）与垫料营养特性的相关性 042
十、菌剂发酵床芽胞杆菌空间生态位宽度 044
十一、菌剂发酵床芽胞杆菌空间生态位重叠 046
十二、讨论与总结 048
第二节　菌剂发酵床芽胞杆菌数量与空间分布研究 051
一、概述 051
二、研究方法 052
三、菌剂发酵床芽胞杆菌种类和数量分布 055
四、菌剂发酵床芽胞杆菌空间分布 056
五、菌剂发酵床芽胞杆菌空间分布型 066
六、菌剂发酵床芽胞杆菌多样性指数 068
七、讨论与总结 071
第三节　菌剂发酵床真菌空间分布 075
一、概述 075
二、研究方法 076
三、菌剂发酵床真菌的分离鉴定 079
四、菌剂发酵床真菌种群空间分布格局 080
五、菌剂发酵床真菌种群空间分布频次 082
六、菌剂发酵床真菌种群空间分布型 082
七、菌剂发酵床真菌种群多样性指数 083
八、菌剂发酵床真菌种群生态位特性 084
九、讨论与总结 086

第三章　整合微生物组菌剂微生物组多样性 088
第一节　整合微生物组菌剂微生物含量估计 089
一、概述 089
二、整合微生物组菌剂样本芽胞杆菌属活菌计数 089
三、整合微生物组菌剂细菌含量的估算 094
四、讨论与总结 097
第二节　菌剂发酵床与堆肥工艺产品微生物组差异 097
一、不同工艺细菌属种类差异 097
二、不同工艺前5个优势细菌属结构差异 110
三、不同工艺千级含量（read）细菌属组成差异 111
四、不同工艺芽胞杆菌属种类差异 112
五、菌剂发酵床与堆肥工艺产品细菌活菌数的估计 113
六、讨论与总结 114
第三节　整合微生物组菌剂细菌物种多样性 114
一、整合微生物组菌剂细菌物种分析 114
二、整合微生物组菌剂物种组成 158
三、整合微生物组菌剂细菌样本特性 247
四、整合微生物组菌剂细菌物种差异分析 313
五、整合微生物组菌剂多级物种差异分析（LEfSe） 338
六、整合微生物组菌剂细菌物种系统进化分析 342
七、讨论与总结 345

第四章　整合微生物组菌剂的作用机理 347
第一节　概述 348
一、土壤微生物组 348
二、作物连作障碍及其防治 349
三、微生物组的生产技术 351
四、微生物组菌剂功能研究 352
第二节　添加菌剂对肉汤实验可培养细菌群落影响 353
一、概述 353
二、研究方法 353
三、可培养细菌分离 355
四、可培养细菌鉴定 360
五、不同菌剂对可培养细菌群落数量变化的影响 369
六、整合菌剂对可培养细菌群落生态学特性的影响 373
七、讨论与总结 395
第三节　添加菌剂对肉汤实验微生物组的影响 396
一、概述 396
二、肉汤实验体系微生物组总量的恒定特性 396
三、添加菌剂对肉汤实验微生物组结构变化的影响 399
四、添加菌剂对肉汤实验细菌群落分布的影响 406
五、讨论与总结 415
第四节　添加菌剂对发酵阶段微生物组的影响 415
一、肉汤实验发酵阶段的划分 415
二、发酵阶段细菌群落组成的变化 416
三、发酵阶段芽胞杆菌种群组成的变化 449
四、讨论与总结 457
第五节　添加菌剂对肉汤实验脂肪酸组的影响 460
一、概述 460
二、研究方法 460
三、不同处理组肉汤实验过程脂肪酸组分析 463
四、不同处理组肉汤实验过程特征脂肪酸变化 499
五、不同处理组肉汤实验脂肪酸培养组变化 520
六、讨论与总结 550
第六节　添加菌剂对肉汤实验物质组的影响 551
一、概述 551
二、研究方法 552
三、肉汤实验物质组发酵过程物质组变化 552
四、添加芽胞菌剂发酵过程物质组特性分析 561
五、添加链霉菌剂发酵过程物质组特性分析 635
六、添加整合菌剂发酵过程物质组特性分析 693
七、空白对照发酵过程物质组特性分析 748

第五章　整合微生物组菌剂功能群与同工菌 805
第一节　概述 806
一、物种功能群 806
二、微生物群落 808
三、微生物功能群和同工菌 811
第二节　研究方法 814
一、肉汤实验 814
二、微生物组和酶活性分析 814
第三节　肉汤实验微生物组功能群的分析 816
一、引言 816
二、芽胞菌剂组功能群分析 817
三、链霉菌剂组功能群分析 820
四、整合菌剂组功能群分析 824
五、空白对照组功能群分析 827
六、讨论 831
第四节　肉汤实验芽胞杆菌同工菌的分析 831
一、引言 831
二、芽胞菌剂组芽胞杆菌同工菌分析 833
三、链霉菌剂组芽胞杆菌同工菌分析 838
四、整合菌剂组芽胞杆菌同工菌分析 842
五、空白对照组芽胞杆菌同工菌分析 846
六、讨论 850

第六章　整合微生物组菌剂的应用 851
第一节　整合微生物组菌剂用于生防菌肥二次发酵 852
一、用于细菌生防菌肥二次发酵 852
二、用于真菌生防菌肥二次发酵 858
第二节　整合微生物组菌剂用于植物疫苗二次发酵 893
一、用于细菌植物疫苗二次发酵 893
二、用于真菌植物疫苗二次发酵 901
第三节　整合微生物组菌剂用于配制育苗基质 908
一、概述 908
二、研究方法 908
三、不同配方的基质理化性质分析 910
四、 不同垫料浸提液对种子发芽的影响及不同基质对蔬菜生长的影响 911
五、基于垫料的基质配方蔬菜育苗生长特性的相关性分析 917
六、讨论 919
第四节　整合微生物组菌剂用于防治番茄青枯病 920
一、概述 920
二、研究方法 920
三、不同处理番茄根系的土壤养分含量分析 922
四、青枯病植物疫苗对番茄育苗健康的作用 923
五、青枯病植物疫苗及其应用方式对番茄田间生长特性的影响 923
六、青枯病植物疫苗及其应用方式对番茄青枯病田间防效的影响 924
七、讨论 925
第五节　整合微生物组菌剂用于修复番茄连作障碍 926
一、概述 926
二、研究方法 926
三、不同处理对土壤养分含量的影响 928
四、不同处理对土壤酶活性的影响 928
五、不同处理对番茄田间植株生长特性的影响 929
六、不同处理对番茄青枯病害防效的影响 929
七、讨论 930

参考文献 932