1.课题的研究意义

针对好氧发酵菌剂筛选效率低等问题，本研究拟基于物联网和基因测序等技术，研发出具有成本低、使用方便、效率高、数据精确等的好氧发酵菌剂快速筛选系统，促进有机废弃物好氧发酵微生物调控技术的研发。

2.研究背景及现状分析

2.1.我国有机废弃物产量大处理利用率低

有机废弃物伴随着人类生产、生活而产生，其包括畜禽粪便、农业秸秆、餐厨废弃物、园林绿化废弃物以及市政污泥等，产生量巨大，对环境造成的压力与日俱增。据国家农业部、住建部统计和估算，全国2016年产生畜禽粪污38亿吨，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近9亿吨，未利用的约2亿吨(中国农业部科技教育司, 2016)。据学者估算，我国每年大约产生3千万吨市政污泥(Awasthi et al., 2016)，且随着中国污水处理厂的升级和扩建，城市污泥产量每年以13%的速率递增(Lu et al., 2016)。有机废弃物种类多，产生量大，处理成本高，利用率低，同时含有大量的致病菌，可以传播疾病，堆积过程中产生高浓度渗漏液，给城乡生态安全带来严重隐患(李龙涛等, 2019)。

目前，国内外处理有机废物的方式主要有：填埋、焚烧、好氧发酵、厌氧发酵等。据中国住建部统计，2019年中国全国省市城市生活垃圾清运量为2.42亿吨，处理量2.41亿吨，处理率99.6%。其中，卫生填埋处理量为1.09亿吨，占45.2%，焚烧处理量为1.22亿吨，占50.6%，其他处理方式占4.2%(中国住建部, 2019)。而在垃圾分类后，有机废弃物在生活垃圾中的占比超过一半(杨娜等, 2018 , Li et al., 2019 , Chen et al., 2020)。在这些处理方式中，填埋的方式不仅要占用大量土地，而且产生的垃圾渗滤液容易对土壤和地下水造成严重污染，同时产生恶臭和温室气体等(马仕君等, 2019)，并且使得有机废弃物得不到有效利用。而焚烧则容易产生二噁英和重金属等污染物并对周边土壤造成污染(李英华等, 2020)。

2.2.好氧发酵是有机废弃物处理与资源化利用的重要途径之一

与填埋和焚烧处理方法相比，生物处理技术处理有机废弃物具有保护环境、节约能源和原料、费用低、投资少等优点(薛莹, 2016 , 何侃侃等, 2018)。生物处理技术又包括好氧发酵、厌氧发酵、蚯蚓堆肥等，其中好氧发酵技术是生物处理技术的主要方法之一，其生物转化过程本质上是一个以碳、氮、硫富营养的有机物为底物的生物化学多因素共同影响下，多种功能微生物协同、竞争或耦合等作用下的复杂过程，最终形成稳定的产物有机肥(Insam et al., 2010)。利用好氧发酵技术处理有机废弃物，不仅可以避免填埋、焚烧等处理产生的环境污染、资源浪费等问题，而且产生有机肥料或土壤改良剂可以调节植物生长(张文纬, 2014)。在近几年，好氧发酵由于其具有无害化、资源化程度高，减量化效果明显，成本低等优点而成为有机固体废弃物无害化和资源化的最有发展潜力的方式之一(卢钰升等, 2020)。

2.3.高通量测序在堆肥微生物过程研究中的进展

高通量测序(High-through sequencing)技术又称下一代测序技术(Next Generation Sequencing，NGS)，可以同时对数百万个DNA分子实施序列检测(王兴春等, 2012)。目前，研究微生物群落多样性的高通量测序平台主要有Roche公司的454焦磷酸测序、Illumina公司的Solex合成测序以及ABI公司的SOLID连接法测序。高通量测序技术利用芯片进行测序，操作简单，不需要提前克隆等操作，研究者可以利用它发现基因组和转录组上可能存在的细微差异。随着高通量测序技术的不断发展和测序成本的不断降低，近几年高通量测序在堆肥微生物研究领域中得到了充分应用。许修宏等采用16SrRNA基因高通量测序技术分析好氧过程中细菌群落特征，发现在牛粪堆肥期间细菌群落结构发生显著变化，细菌群落结构变化与堆肥理化因子存在相关关系(许修宏等, 2018)。Shi等在研究了四环素对好氧发酵过程中理化性质，酶活性以及微生物群落演替的影响时，采用高通量16S rRNA基因测序技术对堆肥中微生物群落结构进行了分析，结果表明，四环素浓度的增加显著改变了堆肥中的微生物群落演替，降低了微生物的多样性和丰度，从而阻碍了堆肥产物的腐熟(Shi et al., 2018)。杨萍萍等利用高通量测序技术，研究了污泥堆肥过程中细菌群落结构变化及外接菌种对细菌群落的影响，结果表明，外接菌种可以延长堆体高温持续时间，降低氮损失，加快堆体腐熟脱毒。在整个堆肥过程中，细菌群落结构发生了较大的演变，同一堆肥的不同阶段的细菌群落结构相似性较低，同一时期不同堆肥的细菌群落结构相似性较高。外接菌种提高了堆体中细菌群落的丰富度，增加了高温期优势菌的所占比例，但未改变优势菌的种类(杨萍萍等, 2017)。以上研究表明，高通量测序技术在堆肥微生物研究领域具有独特优势。

2.4.外源微生物接种菌剂能够加速好氧发酵过程

微生物在好氧发酵过程中扮演着举足轻重的角色，对于腐熟周期的缩短、品质的提升具有促进作用。目前，很多研究表明外源微生物接种菌剂能够加速好氧发酵过程，如张玉凤等研究接种菌剂对牛粪和秸秆混合物料好氧发酵过程的影响，结果表明，接种菌剂能提高发酵速度，接种菌剂处理达到50℃的时间比不接种提前4天(张玉凤等, 2019)；金香琴等通过添加不同比例组成的微生物菌剂进行牛粪堆肥试验，并对堆肥温度、含水率、pH 值、C/N等进行指标分析，结果表明，添加菌剂能有效促进升温过程，明显加速堆肥的腐熟，提高畜禽堆肥资源化利用(金香琴等, 2015)；XI等在堆肥过程中投加了一种复合微生物菌剂，增加堆肥过程中优势菌的多样性，提高了堆肥效率(Beidou et al., 2015)；ZHAO等从堆肥中筛出4 株嗜热放线菌，制成一种微生物菌剂，能够提高堆体腐熟程度，缩短了堆肥周期(Zhao et al., 2017)；李尚民等研究不同微生物菌剂对鸡粪堆肥发酵效果的影响，结果表明3种微生物菌剂均能够有效促进堆体升温，延长高温期，加快腐熟进度(李尚民等, 2018)。以上研究还表明添加外源微生物接种菌剂不仅可以促进好氧发酵进入高温期、加快腐熟进程，而且可以提高优势菌群的数量、提高有机质降解率。