本書為“畜禽糞污微生物治理及其資源化利用叢書”的一個分冊，全書共八章，以畜禽糞污降解、益生菌等相關微生物菌種研究與利用為主線，主要介紹了畜禽糞污微生物治理的範疇，糞污降解菌的功能、資源研究進展；畜禽糞污降解菌資源采集、鋻定、區域生態分布及多樣性、管理；中國西部嗜堿芽胞杆菌、福建近海灘塗沉積物微生物、臺灣省和福建武夷山自然保護區芽胞杆菌等資源情況；畜禽糞污降解菌的生長特性、混合培養生長競爭、混合培養溫度響應特征，以及產酶菌株的篩選及其酶學特性；畜禽糞污微生物降解色譜分析方法，畜禽糞污降解菌豬糞發酵行為的色譜分析，難降解有機物降解菌的篩選與鋻定、作用機理、代謝途徑等；異養硝化細菌的研究進展、分離鋻定、多態性、脫氮性能和產品包被技術；飼用益生菌的研究進展、篩選、免疫抗病特性、菌劑保存特性、應用效果評價、生理作用及其對腸道微生物的影響；畜禽糞污降解菌發酵裝備的設計、畜禽糞污降解菌的誘變育種、畜禽糞污降解菌產功能物質發酵條件優化及其脂肽研究等。

本書具有較強的知識性、繫統性和針對性，可供從事畜禽糞污治理及其資源化利用的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校環境科學與工程、農業工程、生態工程、生物工程及相關專業師生參閱。

章畜禽糞污微生物治理研究進展 001

節畜禽糞污微生物治理的範疇      002

一、畜禽糞污處理的策略      002

二、畜禽糞污處理和資源化利用現狀      003

三、畜禽糞污微生物治理研究範疇      004

第二節畜禽糞污降解菌功能研究進展      006

一、畜禽糞污治理技術      006

二、畜禽糞污處理方法      011

三、畜禽糞污微生物發酵      028

第三節畜禽糞污降解菌資源研究進展      034

一、微生物的地理分布      034

二、環境微生物多樣性      034

三、微生物多樣性分析方法      035

四、影響微生物多樣性的因素      040

第四節畜禽糞污治理降解菌——芽胞杆菌研究進展      040

一、芽胞杆菌的功能      040

二、芽胞杆菌的種類      041

三、芽胞杆菌的分類      042

四、芽胞杆菌資源多樣性      042

五、芽胞杆菌地理生境分布      044

六、芽胞杆菌資源的應用      045

第五節畜禽糞污資源化利用研究進展      045

一、我國微生物肥料產業現狀      045

二、微生物肥料產業存在的主要問題      047

三、微生物肥料的產業化方向      047

四、復合微生物肥料生產研究及其應用前景      048

五、微生物肥料的現狀和發展趨勢      054

六、微生物菌劑研究與應用      056



第二章畜禽糞污降解菌資源采集 069

節芽胞杆菌資源采集      070

一、全國區域芽胞杆菌資源采集      070

二、芽胞杆菌資源地理生境采集      071

第二節芽胞杆菌資源鋻定及其多樣性      074

一、世界芽胞杆菌種類      074

二、中國芽胞杆菌種類      168

三、研究團隊采集分離的芽胞杆菌種類      168

四、芽胞杆菌中國區域分布種的鋻定      171

五、芽胞杆菌中國新記錄種鋻定      175

第三節芽胞杆菌中國區域生態分布      177

一、芽胞杆菌區繫分布調查      177

二、芽胞杆菌種類總體分布      194

三、芽胞杆菌種類中國區域分布      200

四、芽胞杆菌種類區域生境分布      201

第四節芽胞杆菌全域資源多樣性指數      203

一、芽胞杆菌區域分布多樣性指數      203

二、芽胞杆菌生境分布多樣性指數      208

第五節芽胞杆菌地理分布      211

一、芽胞杆菌海撥分布      211

二、芽胞杆菌維度分布      212

第六節芽胞杆菌資源管理      213

一、微生物資源標本地理分布信息管理繫統建立      213

二、芽胞杆菌資源庫管理繫統實體模型構建      217

三、芽胞杆菌菌種資源庫管理繫統建立      227

第七節討論      234

一、畜禽糞污治理芽胞杆菌資源采集      234

二、芽胞杆菌多樣性分布分析      235

三、芽胞杆菌地理環境分布特征      236



第三章畜禽糞污降解菌資源分析 238

節中國西部嗜堿芽胞杆菌資源分析      239

一、概述      239

二、研究方法      244

三、嗜堿芽胞杆菌分離鋻定      253

四、嗜堿芽胞杆菌區域分布      260

五、嗜堿芽胞杆菌資源多樣性分析      281

六、嗜堿芽胞杆菌新種資源的鋻定      283

七、討論      328

第二節福建近海灘塗沉積物微生物資源分析      329

一、概述      329

二、研究方法      332

三、近海灘塗細菌群落多樣性      335

四、近海灘塗芽胞杆菌群落多樣性      362

五、福建近海芽胞杆菌新種資源鋻定      396

六、討論      408

第三節臺灣省芽胞杆菌資源分析      411

一、臺灣省芽胞杆菌的研究      411

二、研究方法      412

三、芽胞杆菌種類區繫調查      416

四、芽胞杆菌優勢種分布      421

五、芽胞杆菌種類組成多樣性      428

六、芽胞杆菌種群分布生態學特性      431

七、芽胞杆菌特征種群地理分化      444

八、討論      466

第四節福建武夷山自然保護區芽胞杆菌資源分析      473

一、概述      473

二、研究方法      475

三、芽胞杆菌種類區繫調查      480

四、芽胞杆菌種類分布多樣性      488

五、芽胞杆菌種群分布生態學特性      497

六、芽胞杆菌特征種群地理分化      517

七、討論      529



第四章畜禽糞污降解菌微生物學特性 532

節畜禽糞污降解菌的生長特性      533

一、研究方法      533

二、糞污降解菌的分離鋻定      536

三、糞污降解菌的生長曲線      538

四、糞污降解菌的營養需求      539

五、糞污降解菌生長動力學      541

六、討論      544

第二節畜禽糞污降解菌混合培養生長競爭      545

一、糞污降解菌混合培養的生長競爭數量測定      546

二、糞污降解菌兩菌株混合培養生長競爭動態變化      550

三、糞污降解菌三菌株混合培養生長競爭動態變化      559

四、糞污降解菌四菌株混合培養生長競爭動態變化      567

五、討論      569

第三節畜禽糞污降解菌混合培養溫度響應      573

一、糞污降解菌混合培養溫度響應數量測定      573

二、糞污降解菌單獨培養溫度響應      577

三、糞污降解菌兩菌株混合培養溫度響應      578

四、糞污降解菌三菌株混合培養溫度響應      588

五、糞污降解菌四菌株混合培養溫度響應      595

六、討論      598

第四節畜禽糞污降解菌產酶菌株的篩選      601

一、概述      601

二、芽胞杆菌產酶透明圈法篩選      609

三、芽胞杆菌酶活力的測定      620

四、芽胞杆菌幾種重要酶活性的相關性      639

五、討論      653

第五節畜禽糞污降解菌酶學特性的研究      655

一、概述      655

二、芽胞杆菌產復合酶特性      660

三、芽胞杆菌產酶生物學特性      668

四、芽胞杆菌纖維素酶和澱粉酶的酶學特性      674



第五章畜禽糞污降解菌的作用機理 681

節畜禽糞污微生物降解色譜分析方法      682

一、概述      682

二、研究方法      682

三、不同極性溶劑萃取總離子流圖分析      683

四、不同極性溶劑萃取效果比較      686

五、不同極性溶劑萃取物質鋻定      686

六、討論      690

第二節畜禽糞污降解菌豬糞發酵行為的色譜分析      690

一、研究方法      690

二、糞污降解菌豬糞發酵過程GS-MS總離子流譜圖      691

三、糞污降解菌豬糞發酵過程分解產物的分布特性      693

四、糞污降解菌發酵豬糞過程分解產物的聚類分析      696

五、糞污降解菌發酵豬糞過程的特征產物       698

六、討論      699

第三節難降解有機物降解菌的篩選與鋻定      700

一、概述      700

二、研究方法      704

三、降解菌FLQ-11-1的篩選      706

四、降解菌FLQ-11-1的鋻定      707

五、討論      709

第四節難降解有機物降解菌的作用機理      709

一、研究方法      710

二、接種量對FLQ-11-1降解氟氯氰菊酯的影響      711

三、溫度對FLQ-11-1降解氟氯氰菊酯的影響      712

四、pH值對FLQ-11-1降解氟氯氰菊酯的影響      712

五、響應面優化分析      712

六、降解菌對不同擬除蟲菊酯的降解      714

七、討論      714

第五節難降解有機物降解菌的代謝途徑      715

一、研究方法      715

二、提取條件的優化      716

三、降解代謝物的總離子圖譜及質譜鋻定      718

四、代謝產物的動態分析及代謝途徑的推測      719

五、討論      721

第六節難降解有機物降解菌的蛋白表達      722

一、研究方法      722

二、細胞破碎方法優化      727

三、芽胞杆菌FLQ-11-1降解過程分泌蛋白的雙向電泳分析      728

四、差異蛋白點的PMF鋻定      728

五、差異蛋白質層次聚類分析      732

六、通路分析      732

七、幾個差異蛋白點的肽質量指紋圖譜分析      733

八、討論      740

第七節難降解有機物降解菌的蛋白結構      740

一、研究方法      740

二、蛋白質點499的生物信息學分析      741

三、蛋白質點617的生物信息學分析      745

四、蛋白質點458的生物信息學分析      749

五、討論      752



第六章畜禽糞污異養硝化細菌的研究 754

節異養硝化細菌的研究進展      755

一、養豬廢水的危害      755

二、養豬廢水脫氮技術      755

三、異養硝化細菌的研究進展      756

第二節異養硝化細菌的分離及鋻定      759

一、研究方法      759

二、異養硝化細菌菌株分離和篩選      760

三、異養硝化細菌硝化活性分析      761

四、異養硝化細菌FJAT-14899的生理特性      762

五、異養硝化細菌FJAT-14899生長曲線測定      762

六、異養硝化細菌FJAT-14899的16S rDNA的鋻定      763

七、討論      763

第三節異養硝化細菌種類分子多態性分析      764

一、研究方法      764

二、異養硝化細菌菌株的BOX-PCR多態性分析      766

三、異養硝化細菌菌株的REP-PCR多態性分析      767

四、養硝化細菌菌株的ERIC-PCR多態性分析      768

五、異養硝化細菌種類的分子多態性分析      770

六、討論      770

第四節異養硝化細菌脫氮性能的研究      771

一、研究方法      771

二、標準曲線測定      772

三、脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能      772

四、接種量對脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能的影響      774

五、不同氮源對脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能的影響      776

六、C/N值對脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能的影響      776

七、氮源濃度對脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能的影響      778

八、pH值對脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能的影響      779

九、溫度對脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能的影響      780

十、環境條件下脫氮副球菌FJAT-14899脫氮性能      782

十一、討論      783

第五節異養硝化細菌產品包被技術研究      783

一、研究方法      784

二、固定化材料的篩選      785

三、海藻酸鈉濃度對固定化的影響      787

四、CaCl2濃度對固定化的影響      788

五、包埋時間對固定化的影響      788

六、保存時間對FJAT-14899活性的影響      789

七、脫氮副球菌FJAT-14899固定化小球脫氮效果      790

八、脫氮副球菌FJAT-14899固定化小球污水脫氮效果      790

九、討論      791



第七章畜禽飼用益生菌研究與應用 792

節飼用益生菌研究進展      793

一、飼用益生菌研究      793

二、益生菌發展歷程      795

三、飼用益生菌菌種管理      799

四、益生素的類型      801

五、益生菌作用機制      805

六、益生素的應用      807

七、芽胞杆菌益生菌      809

第二節飼用益生菌的篩選      809

一、研究方法      810

二、飼用益生菌菌株篩選與鋻定      813

三、飼用益生菌生物學特性      817

四、飼用益生菌酶學特性      818

五、討論      821

第三節飼用益生菌免疫抗病特性      823

一、研究方法      823

二、飼用益生菌拮抗特性      824

三、飼用益生菌在小鼠體內定殖特性      825

四、飼用益生菌對小鼠毒力的動力學模型      826

五、飼用益生菌對雞免疫功能的影響      829

六、討論      830

第四節飼用益生菌菌劑保存特性      831

一、研究方法      831

二、芽胞產率及芽胞耐熱性      834

三、人工胃腸液、豬膽鹽耐受性試驗      834

四、抑菌試驗及抗生素敏感試驗      835

五、不同穩定劑對芽胞杆菌FJAT-1501-BPA發酵液的影響      836

六、不同鹽濃度對芽胞杆菌FJAT-1501-BPA發酵液保存特性的影響      836

七、不同pH值對芽胞杆菌FJAT-1501-BPA發酵液保存特性的影響      837

八、不同防腐劑對芽胞杆菌FJAT-1501-BPA發酵液保存特性的影響      837

九、貯存過程中芽胞杆菌益生菌劑活菌數的變化及抑菌能力變化      838

十、討論      842

第五節飼用益生菌應用效果評價      844

一、研究方法      844

二、芽胞杆菌益生菌劑對斷奶仔豬生產性能的影響      846

三、芽胞杆菌益生菌劑對斷奶仔豬糞便微生物的影響      848

四、芽胞杆菌益生菌劑對糞便中常規有機營養成分含量的影響      849

五、芽胞杆菌益生菌劑對糞便酶活的影響      849

六、討論      851

第六節飼用益生菌的生理作用      853

一、研究方法      854

二、對仔豬血液中總膽紅素、直接膽紅素、間接膽紅素的影響      854

三、對仔豬血液中血尿素氮、肌酐、總膽固醇、α-羥基丁酸的影響      855

四、對仔豬血液中總蛋白、白蛋白、球蛋白、白球比的影響      856

五、對仔豬血液中谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶、堿性磷酸酶的影響      858

六、對仔豬血液中澱粉酶、谷氨酰轉肽酶、膽堿酯酶、乳酸脫氫酶的影響      859

七、對仔豬血液中鈣、磷、鎂、鐵的影響      860

八、對仔豬血液中IgA、IgG、IgM的影響      861

九、討論      862

第七節飼用益生菌對腸道微生物的影響      864

一、研究方法      865

二、仔豬糞便中微生物脂肪酸生物標記總量的比較      866

三、仔豬腸道微生物群落脂肪酸生物標記在各處理組的分布      866

四、不同處理組仔豬腸道微生物群落脂肪酸生物標記的聚類分析      868

五、不同處理組仔豬腸道微生物群落脂肪酸生物標記多樣性指數      868

六、討論      869



第八章畜禽糞污降解菌發酵工藝 871

節畜禽糞污降解菌發酵裝備的設計      872

一、基於TCP/IP協議的局域網發酵狀態遠程監控軟件設計      872

二、發酵罐微機控制繫統的設計      873

三、發酵罐微機控制軟件的設計      873

四、微機控制發酵繫統溫控實體模型      874

五、氣升式發酵罐溫控軟件的設計      875

六、溫控自識別切換管路設計      876

第二節畜禽糞污降解菌的誘變育種      877

一、基於突變體庫構建的芽胞杆菌篩選      877

二、突變子生物學特性及其培養條件優化      888

三、菌株抑菌功能物質羥苯乙酯的檢測      897

第三節畜禽糞污降解菌產功能物質發酵條件優化      901

一、菌株代謝組物質提取的響應面優化      901

二、產木聚糖酶、蛋白酶、果膠酶、普魯蘭酶菌株發酵條件優化      907

三、產纖維素酶、澱粉酶菌株發酵條件優化      924

四、產羥苯乙酯菌株發酵培養基優化      933

第四節畜禽糞污降解菌脂肽研究      943

一、概述      943

二、產脂肽菌株篩選與鋻定      950

三、產脂肽菌株基因組分析      963

四、菌株脂肽的分離純化      974

五、菌株脂肽的抑菌機理      980

六、產脂肽菌株發酵條件優化      983



參考文獻      1000

畜禽糞污是畜禽養殖過程中產生的主要污染物。原農業部印發了《畜禽糞污資源化利用行動方案（2017—2020年）》，提供了資源化利用的7種典型技術模式，包括糞污全量收集還田利用模式、糞污專業化能源利用模式、固體糞便堆肥利用模式、異位發酵床模式、糞便墊料回用模式、污水肥料化利用模式和污水達標排放模式。其中，異位發酵床模式、糞便墊料回用模式等均為農村糞污資源化關鍵技術。微生物發酵床是利用微生物建立起的一套生態養殖繫統，具有綠色低碳、清潔環保、就近收集、實時處理、原位發酵、高質化利用等特點，可為建設美麗鄉村環境提供技術保障。

在科技部973前期項目、863項目、國際合作項目，國家自然科學基金、原農業部行業專項等支持下，經過20多年的研究，作者所在團隊結合污染治理、健康養殖、資源化利用的機理，組織編寫了“畜禽糞污微生物治理及其資源化利用叢書”，包括《畜禽養殖微生物發酵床理論與實踐》《畜禽糞污治理微生物菌種研究與應用》《畜禽養殖廢棄物資源化利用技術與裝備》《畜禽養殖發酵床微生物組多樣性》《發酵墊料整合微生物組菌劑研發與應用》5個分冊，繫統介紹微生物發酵床理論和應用技術。本叢書主要從微生物發酵床畜禽糞污治理與健康養殖出發，研究畜禽糞污治理微生物菌種，設計畜禽養殖廢棄物資源化利用技術與裝備，分析畜禽養殖發酵床微生物組多樣性，提出了畜禽糞污高質化利用的新方案，為解決我國畜禽養殖污染及畜禽糞污資源化利用，為推動微生物農業特征模式之一的微生物發酵床的發展提供了切實可行的理論依據、技術參考和案例借鋻，有助於達到“零排放”養殖、無臭養殖、無抗養殖、有機質還田、智能輕簡低成本運行，實現種養結合生態循環農業、資源高效利用，助力農業“雙減（減肥減藥）”綠色發展。

本叢書反映了作者及其團隊在畜禽養殖微生物發酵床綜合技術研發和產業應用實踐方面所取得的原創性重大科研成果和創新技術。

（1）提出了原位發酵床和異位發酵床養殖污染微生物治理的新思路，研發了微生物發酵床養殖污染治理技術與裝備體繫，為我國養殖業污染治理提供技術支撐。

（2）創建了畜禽養殖污染治理微生物資源庫，成功地篩選出一批糞污降解菌、飼用益生菌，揭示其作用機理，顯著提升了微生物發酵床在畜禽養殖業中的應用和效果。

（3）探索了微生物發酵床的功能，研發了環境監控專家繫統，闡明了發酵床調溫機制，研究了微生物群落動態，揭示了豬病生防機理，建立了發酵床豬群健康指數，制定了微生物發酵床技術規範和地方標準，提升了發酵床養殖的現代化管理水平。

（4）創新了發酵床墊料資源化利用技術與裝備，提出整合微生物組菌劑的研發思路，成功研制出機器人堆垛自發熱隧道式固體發酵功能性生物基質菌肥自動化生產線，創制出一批整合微生物組菌劑和功能性生物基質新產品，實現了畜禽養殖糞污的資源化利用。

本叢書介紹的內容中，畜禽糞污微生物治理及其資源化利用的關鍵技術——原位發酵床在福建、山東、江蘇、湖北、四川、安徽等18個省份的豬、羊、牛、兔、雞、鴨等污染治理上得到大面積推廣應用。據不完全統計結果顯示，近年來家畜出欄累計達1323萬頭，禽類出欄累計達5.6億羽，產生經濟效益達142，並實現了畜禽健康無臭養殖、糞污“零排放”。異位發酵床被農業農村部選為“2018年十項重大引領性農業技術”之一，在全國推廣超過5000套，成為養殖糞污資源化利用的重要技術。而且，使用後的發酵墊料等副產物被開發為功能性生物基質、整合微生物組菌劑、生物有機肥等資源化品超過100萬噸，取得了良好的社會效益、經濟效益和生態效益。發酵床利用微生物技術，轉化畜禽糞污，發酵為益生菌，促進動物健康養殖，也能提高發酵產物菌肥的微生物組數量並保存豐富的營養物質，不僅實現污染治理，同時提高資源化利用整合微生物組菌劑的肥效；成為生態循環農業的重要技術支撐，推進農業的綠色發展。

本書為“畜禽糞污微生物治理及其資源化利用叢書”的一個分冊，以畜禽糞污降解、益生菌等相關微生物菌種研究與利用為主線，共分八章。章畜禽糞污微生物治理研究進展，主要介紹了畜禽糞污微生物治理的範疇，糞污降解菌的功能、資源研究進展；第二章畜禽糞污降解菌資源采集，主要介紹了芽胞杆菌資源的采集、鋻定、區域生態分布及多樣性、管理；第三章畜禽糞污降解菌資源分析，主要介紹了中國西部嗜堿芽胞杆菌、福建近海灘塗沉積物微生物、臺灣省和福建武夷山自然保護區芽胞杆菌等資源情況；第四章畜禽糞污降解菌微生物學特性，主要介紹了畜禽糞污降解菌的生長特性、混合培養生長競爭、混合培養溫度響應特征，以及產酶菌株的篩選及其酶學特性；第五章畜禽糞污降解菌的作用機理，主要介紹了畜禽糞污微生物降解色譜分析方法，畜禽糞污降解菌豬糞發酵行為的色譜分析，難降解有機物降解菌的篩選與鋻定、作用機理、代謝途徑等；第六章畜禽糞污異養硝化細菌的研究，主要介紹了異養硝化細菌的研究進展、分離鋻定、多態性、脫氮性能和產品包被技術；第七章畜禽飼用益生菌研究與應用，主要介紹了飼用益生菌的研究進展、篩選、免疫抗病特性、菌劑保存特性、應用效果評價、生理作用及其對腸道微生物的影響；第八章畜禽糞污降解菌發酵工藝，主要介紹了畜禽糞污降解菌發酵裝備的設計、畜禽糞污降解菌的誘變育種、畜禽糞污降解菌產功能物質發酵條件優化及其脂肽研究。本書理論與實踐有效結合，具有較強的技術應用性、可操作性和針對性，可供從事畜禽糞污處理處置及資源綜合利用的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校環境科學與工程、生物工程、農業工程及相關專業師生參閱。

本書由劉波、王階平、劉國紅、陳崢等編著，張海峰、邵國青、朱育菁、藍江林、車建美、肖榮鳳、阮傳清、鄭雪芳、陳德局、陳梅春、潘志針、陳倩倩、林營志、葛慈斌、黃素芳、史懷、蘇明星、劉芸、曹宜、陳燕萍、鄭梅霞、劉欣、戴文霄、夏江平等參與了部分內容的編著，在此表示感謝。本書內容涉及成果在研究過程中得到了農業種質資源圃（庫）（XTCXGC2021019）、發酵床除臭復合菌種（2020R1034009、2018J01036）、飼料微生物發酵床（2021I0035）、整合微生物組菌劑（2020R1034007、2019R1034-2）、微生物研究與應用科技創新團隊（CXTD0099）、農業農村部東南區域農業微生物資源利用科學觀測實驗站（農科教發〔2011〕8號）、科技部海西農業微生物菌劑國際科技合作基地（國科外函〔2015〕275號）、發改委微生物菌劑開發與應用國家地方聯合工程研究中心（發改高技〔2016〕2203號）等項目的支持；在圖書編著和出版過程中得到了陳劍平院士、李玉院士、瀋其榮院士、謝華安院士、趙春江院士、喻子牛教授、李季教授、姜瑞波研究員、張和平教授、李文均教授、朱昌雄研究員、王琦教授等精心指導，在此一並表示衷心的感謝。

限於編著者水平及時間，書中存在不足和疏漏之處在所難免，敬請讀者斧正，共勉於發展微生物農業的征程中。



編著者

2021年4月於福州