东北地理所在饲用抗生素降低“秸秆养牛-粪便基质发酵-草生菌栽培”循环系统中氮转化的作用机理研究方面取得进展

氮参与蛋白质、核酸等生命必需生物大分子的合成，是生物体中的重要成分。生物圈中的氮循环是氮的生物地球化学循环的重要组成部分之一。随着农业和畜牧业的发展，大量畜禽粪便和农作物秸秆被闲置、浪费，被称为“农业废弃物”。种养循环技术模式是促进营养物质循环利用、提高农牧业生产效率的重要农业生产方式。目前，种养循环系统中关于氮循环效率及其调控的研究较为薄弱。中国科学院东北地理与农业生态研究所草地农牧业学科组基于“玉米秸秆养牛-粪便基质化-草生菌栽培”循环系统，探究了莫能菌素及秸秆种类对氮回收率的影响（氮回收率定义为蘑菇子实体中总氮与初始原料中总氮的比值），旨在明确该循环系统中氮的回收率，并揭示莫能菌素影响循环系统中氮转化的微生物学机制。

研究发现，在四种发酵基质（无抗牛粪+玉米秸秆、无抗牛粪+小麦秸秆、有抗牛粪+玉米秸秆、有抗牛粪+小麦秸秆）上栽培双孢蘑菇，可以蘑菇氮的形式回收秸秆和粪便中总氮的3.33-5.88%。残留的莫能菌素抑制了基质中氨化与反硝化菌的活性，从而降低了基质发酵过程中的氮损失，提高了氮转化效率（表1）。而发酵和栽培过程中，基质中与氮转化相关的酶活性（表2）以及微生物群落结构和演替变化（如图）引起的氮损失变化，莫能菌素最终降低了整个循环系统中氮回收率的0.13%-1.57%。该研究为构建高效的种养一体化循环农业技术模式提供了数据支撑。

近日，相关研究成果发表在Waste Management上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、吉林省与中科院科技合作高技术产业化专项资金项目、吉林省科技发展计划项目以及中科院青年创新促进会优秀会员人才专项的支持。

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表1.基质发酵、蘑菇栽培及采收过程中的氮回收率

Stages	Items	Treatment¹				SEM	P value
		No-antibiotic		Antibiotic			P value
		NC	NW	AC	AW		Straw	Antibiotic	Straw×Antibiotic
Start of fermentation	Starting substrate (kg)	15.12	15.22	15.18	15.21	0.042	0.129	0.650	0.378
	N concentration in starting substrate (g/kg)	16.45^c	18.96^a	16.21^d	18.73^b	0.035	<0.001	<0.001	0.981
	Total N in starting substrate (g)	248.7^c	288.7^a	246.1^d	284.8^b	0.855	<0.001	0.001	0.462
End of fermentation	Fermented substrate (kg)	11.20^b	10.65^c	11.41^c	10.38^d	0.035	<0.001	0.342	<0.001
	N concentration in fermented substrate (g/kg)	21.08^b	21.54^b	21.01^b	22.87^a	0.299	<0.001	0.047	0.029
	Total N in fermented substrate (g)	236.1	229.4	239.6	237.3	3.316	0.189	0.098	0.516
	N retention rate during fermentation² (%)	94.93^a	79.45^c	97.37^a	83.33^b	1.194	<0.001	0.016	0.555
End of cultivation	Cultivated substrate (kg)	6.96^b	7.14^a	6.81^c	7.09^a	0.038	<0.001	0.020	0.190
	N concentration of cultivated substrate (g/kg)	14.54^c	17.43^a	16.21^b	17.27^a	0.192	<0.001	<0.001	<0.001
	Total N in cultivated substrate (g)	101.1^c	124.3^a	110.4^b	121.2^a	1.350	<0.001	0.012	<0.001
	N retention rate during cultivation³ (%)	40.64^c	43.07^b	44.87^a	42.98^b	0.460	0.564	<0.001	<0.001
Harvested mushroom	Fruit body yield (kg DM)	0.080^a	0.067^b	0.047^c	0.052^c	0.002	0.129	<0.001	<0.001
	N concentration in fruit body (mg/kg)	18.27	18.52	18.24	18.17	0.301	0.755	03542	0.600
	Total N in fruit body (g)	1.463^a	1.247^b	0.852^c	0.948^c	0.049	0.231	<0.001	0.004
	N recycled rate⁴ (%)	5.88^a	4.31^b	3.46^c	3.33^c	0.189	<0.001	<0.001	0.001

NC= no-antibiotic manure and corn straw, NW: no-antibiotic manure and wheat straw, AC= antibiotic manure and corn straw, AW= antibiotic manure and wheat straw, N retention rate= Total N in fermented substrate/Total N in starting substrate, N retention rate= Total N in cultivated substrate/Total N in fermented substrate, N recycled rate= Total N in fruit body of mushroom/ Total N in starting substrate.

表2.基质发酵和蘑菇栽培过程中的关键酶活性

Index	Stage	Treatment¹				SEM	P value
		No-antibiotic		Antibiotic			P value
		NC	NW	AC	AW		Straw	Antibiotic	Straw × Antibiotic
Urease (U/g)	End of feeding	5770.3^b	5775.5^b	8556.4^a	8125.7^a	277.74	0.453	<0.001	0.442
	End of fermentation	3014.6^b	3911.0^a	2345.1^c	2173.2^d	24.30	<0.001	<0.001	<0.001
	End of cultivation	43.38^b	218.80^a	45.10^b	32.01^c	0.704	<0.001	<0.001	<0.001
Nitrate reductase (U/g)	End of feeding	7.43^b	7.25^b	13.61^a	13.63^a	0.147	0.611	<0.001	0.529
	End of fermentation	1.04^b	1.18^a	0.74^c	0.90^d	0.012	<0.001	<0.001	0.631
	End of cultivation	38.75^bc	49.2^b	30.24^c	152.4^a	4.104	<0.001	<0.001	<0.001
Nitrite reductase (U/g)	End of feeding	15.77^b	15.79^b	15.94^a	15.95^a	0.078	0.731	0.002	0.890
	End of fermentation	14.20^a	10.49^d	11.22^c	13.02^b	0.018	<0.001	<0.001	<0.001
	End of cultivation	11.22^a	9.49^b	8.58^c	8.48^d	0.028	<0.001	<0.001	<0.001