章概述 / 1



節微生物發酵床研究進展                                              
1



一、微生物發酵床養豬技術起源                                               1



二、微生物發酵床養豬技術原理                                              
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三、微生物發酵床的管理                                                    
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四、發酵床微生物特性研究                                                  
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五、微生物發酵床墊料的資源化利用技術                                       6



第二節基於宏基因組技術分析微生物組研究進展                                 7



一、微生物宏基因組技術發展與應用                                           7



二、細菌群落宏基因組研究進展                                             10



三、真菌群落宏基因組研究進展                                             21



第三節異位發酵床的原理與結構                                             32



一、異位發酵床原理與處理工藝                                             32



二、異位微生物發酵床結構設計                                             33



三、異位微生物發酵床運行管理                                             35



四、討論                                                                
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第二章發酵床微生物宏基因組研究方法 / 39



節概述                                                              
39



一、發酵床的原理與優勢                                                  
39



二、發酵床微生物群落研究進展                                             39



三、基於宏基因組技術分析微生物組研究                                     40



第二節基於宏基因組技術分析發酵床微生物組研究方法                         40



一、發酵床墊料樣本采集及墊料理化性質測定                                 40



二、發酵床墊料的發酵程度等級劃分     
                                   41



三、宏基因組高通量測序                                                  
41



四、宏基因組測序數據質控                                                
41



五、分類(OTUs)聚類分析                                       41



六、分類(OTUs)抽平處理                                       41



七、核心微生物組(core microbiome)分析                                   41



八、物種分類和豐度分析                                                  
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九、樣本復雜度分析                                                      
42



十、顯著性差異分析          
                                            42



第三節發酵床微生物高通量測序與統計工作流程                               43



一、微生物組高通量測序                                                  
43



二、短序列去雜                                                          
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第四節微生物發酵床細菌分類（OTU）分析                           45



一、發酵床細菌分類(OTU)提取                                   45



二、發酵床細菌分類(OTU)比對                                   45



三、發酵床細菌分類(OTU)抽平處理                               46



四、發酵床細菌分類(OTU)稀釋曲線                               46



五、發酵床細菌分類(OTU)群落α-多樣性                           48



六、發酵床部分樣本微生物(OTUs)物種譜繫演化                           49





字數限制，僅顯示部分目錄。

著者研究團隊從事微生物發酵床養豬至今,研發出4個類型微生物發酵床:①原位微生物發酵床(In situ microbial fermentation
bed,In situ MFB),由傳統豬舍與發酵床結合形成,豬舍地面直接鋪上墊料；②低位微生物發酵床(lower microbial fermentation bed,LMFB),由漏縫地板與發酵床結合形成, 在漏縫地板的下方建設發酵床；③飼料微生物發酵床(fodder microbial
fermentation bed,FMFB),由發酵飼料與發酵床結合形成,利用豬可飼性農業副產物為墊料鋪設豬舍,其上豬養,糞便排洩其上,糞便作為可飼性墊料的補充氮源和健康豬腸道微生物組的接種來源,與墊料一同發酵,形成發酵飼料提供豬取食； ④ 異位微生物發酵床(ectopic microbial fermentation bed,EMFB),由豬糞處理池與發酵床結合形成。目前,微生物發酵床技術向大型化、機械化、智能化方向發展,在動物養殖方面拓展出了新的應用領域,成功地應用在豬、牛、羊、兔、雞、鴨、鵝等畜禽規模化養殖上,實現了無臭味、零排放、資源化的畜禽污染治理和資源高效利用的目標。



作為微生物發酵床中的一種類型,異位微生物發酵床是集中處理有機污染物的一種有效方法,其可用於養殖污染、餐廚垃圾、城市污水、有機廢料等微生物處理,具有無臭味、成本低、效率高、分解徹底等優點。異位發酵床的發酵裝備可分為小型、中型、大型,適應於家庭、餐館、養殖場中廢物的集中處理。異位發酵床由鋼構房、噴淋池和發酵池組成(或發酵床箱),配備翻堆機、噴淋流加泵、微生物發酵菌種等設備和菌種。發酵床內鋪設墊料,將有機污染物引導到異位微生物發酵床內,通過翻堆機將排洩物與發酵墊料混合,進行發酵,消納糞污,消除臭味,實現零排放。發酵產物用於生產微生物菌劑、復合微生物肥料、生物有機肥等。異位發酵床投資少、運行費用低、操作簡便,可適用於各種有機污染物微生物治理及其廢棄物循環利用,具有較高的生態效益、經濟效益和社會效益。



異位發酵床是利用微生物發酵集中處理養殖糞污等固體有機廢棄物的一種槽式發酵裝備,適用於動物糞便、餐廚垃圾、城市污泥等廢棄物的發酵處理和資源轉化。本書針對異位發酵床處理豬糞過程中的微生物組變化進行研究,全書共分五章。章概述,闡述了微生物發酵床研究進展、基於宏基因組技術分析微生物組研究進展、異位發酵床的原理與結構。第二章發酵床微生物宏基因組研究方法,闡述了發酵床微生物群落研究進展、基於宏基因組技術分析發酵床微生物組研究方法、發酵床微生物高通量測序與統計工作流程、微生物發酵床細菌分類(OTU) 分析、微生物發酵床核心微生物組(OTUs)分析、α-多樣性種類復雜度分析、β-多樣性種類復雜度分析、差異效應判別分析(LEfSe)、種類冗餘(RDA)分析等。第三章異位發酵床微生物宏基因組分析,闡述了樣本采集與數據分析、微生物組種類(OTUs)多樣性指數分析、稀釋曲線分析、熱圖分析、成分分析、分類學分析、Venn圖分析等。第四章異位發酵床細菌微生物組多樣性,闡述了細菌群落數量分布多樣性、細菌群落種類(OTUs)分布多樣性、細菌豐度(%)分布多樣性。第五章異位發酵床真菌微生物組多樣性,闡述了真菌群落數量(reads)分布多樣性、真菌群落種類(OTUs)分布多樣性。書後列出了真菌分類綱要和細菌分類綱要。



本書研究從2013年開始,得到了國家農業部公益性行業(農業)科研專項———功能性微生物制劑在農業副產物資源化利用中的研究與示範(201303094)、984重點項目———高效新型微生物資源引進與創新(2011-G25)等的支持；得到了國家科技部國際合作項目———規模化養豬污染微生物治理關鍵技術聯合研發(2012DFA31120)、國家重點研發計劃———農業廢棄物耗氧發酵技術與智能控制設備研發(2016YFD0800606)、國



家科技支撐計劃———規模化養殖場發酵床微生物制劑研究及其廢棄物多級循環利用技術的集成示範(2012BAD14B00)、國家973計劃前期項目———芽胞杆菌種質資源多樣性及其生態保護功能基礎研究(2011CB111607)等的支持；得到了國家基金委自然科學基金項目———中國芽胞杆菌資源分類及繫統發育研究(31370059)等的支持；得到了福建省政府財政廳、發改委、科技廳等部門多個項目的支持,如養殖污染微生物綜合治理———微生物發酵床大欄養殖繫統的研究、財政科技專項———生產性工程化實驗室重大裝備建設、農業“五新”工程項目———利用豬糞資源固體發酵微生物菌劑產品的研究與應用、科技創新平臺———福建省農業生物藥物研究與應用平臺(2007N02010)、農業微生物科技創新團隊項目———農業微生物基礎生物學與農業生物藥物的研究與應用(STIF-Y03)等的支持,在此一並致謝。



本書研究過程得到了許多專家學者的支持和幫助,其中我們與中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所朱昌雄博士等進行了多年的合作研究；福建農林大學林乃銓博士、關雄教授、張紹升教授、尤民生教授在實驗方法討論方面提供了許多幫助；中國科學院微生物研究所姚一建博士為異位發酵床菌種芽胞杆菌的采集提供許多支持；福建農林大學謝聯輝院士、福建農科院謝華安院士、吉林農業大學李玉院士等對本書的著述給予了極大的鼓勵和支持；等等。在此深表感謝。



限於著者學術水平,書中不足與疏漏之處在所難免,望國內同行批評指正,與之共勉。



著者



2018年5月於福州