堆肥是实现养殖废弃物无害化、减量化和资源化的一项有效措施。然而,畜禽粪便好氧堆肥过程伴随氧化亚氮(N2O)的大量排放,这不仅造成堆肥中氮素大量的损失,而且带来了显著的增温效应。另外,堆肥物料中的木质纤维素类生物质难于降解,导致传统好氧堆肥技术发酵周期较长,严重影响了畜禽粪便处理处置效果并限制了后续堆肥产品的农业资源化利用。为了实现畜禽粪便的资源化利用,满足日益提高的环保要求,适应规模化处理的快速发展趋势,本研究通过大型好氧堆肥试验,采用静态采气箱方法,系统考察生物质炭输入对畜禽废弃物好氧堆肥过程中温室气体N2O排放的影响,为堆肥工艺的优化提供科学依据；同时,结合多种分子生物学方法研究畜禽养殖废弃物好氧堆肥过程中具有木质纤维素降解功能的放线菌群落结构多样性及其演替规律,并利用宏基因组学方法揭示了微生物降解堆肥物料木质纤维素生物质的行为特征与作用机理。论文研究结果对堆肥过程温室气体N2O减排技术的研发具有重要的现实意义,为开发新型木质纤维素降解菌剂和提高堆肥效率提供重要的理论指导。研究主要结论如下：(1)通过大型好氧堆肥试验,采用静态箱法,系统考察生物质炭输入对畜禽废弃物好氧堆肥过程中常规指标和温室气体N2O排放的影响。相对对照处理,添加生物质炭处理能够更快地完成堆肥腐熟进程。另外,生物质炭的添加可显著降低堆肥物料湿度和EC值,显著增加堆体物料pH和C/N值。尽管生物质炭的添加对堆肥过程中铵态氮和硝态氮含量的影响较小,但在堆肥腐熟期内进可显著降低物料中亚硝态氮的含量。畜禽废弃物堆肥过程中N2O排放呈现先缓慢增加-迅速增加-逐渐降低的变化趋势,其中,在堆肥降温期N2O排放量最大。最为重要的是,3%(w/w)生物质炭的添加可减少堆肥过程中氧化亚氮排放总量的25.9%。(2)采用定量PCR研究了生物质炭对四种反硝化功能基因(narG、nirK、 nirS和no sZ)丰度的影响。试验结果表明,narG、nirK、nirS和nosZ这四种反硝化功能基因的丰度在堆肥降温期和腐熟期相对较高,在堆肥升温期和高温期则相对较低；并且生物质炭输入显著影响这四种反硝化基因的丰度。Spearman相关性结果显示,N2O排放量与nosZ基因丰度、nirK基因丰度、nirS基因丰度以及EC和湿度之间均呈显著性相关,并且反硝化功能基因nosZ、nirK和nirS的丰度两两相关,表明反硝化作用是堆肥过程温室气体N2O产生的主要来源。而生物质炭的添加可通过改变堆体温度、含氧量、pH、含水率和氮素含量等环境因子影响氮素循环相关的功能微生物。一方面减少了堆肥生境中亚硝酸盐还原菌的数量,另一方面增加了氧化亚氮还原菌的数量,最终达到堆肥过程中氧化亚氮减排的效果。(3)通过结合多种分子生物学方法(定量PCR, DGGE,克隆文库以及高通量测序技术)研究了畜禽养殖废弃物好氧堆肥过程中具有木质纤维素降解功能的放线菌群落结构多样性及其演替规律。研究发现,放线菌和细菌的丰度在堆肥过程中均呈现先上升后下降的变化趋势,放线菌与总细菌的比值在堆肥腐熟期时达到最大值(0.86),表明放线菌在堆肥腐熟期内具有绝对优势。放线菌群落结构组成在堆肥过程中也发生了显著的变化,并且每个典型时期内都存在其独有的优势菌群。具体来看,放线菌群落主要从堆肥初期的棒杆菌逐渐演替成堆肥高温期的糖单孢菌和嗜热裂孢菌,而堆肥腐熟期的放线菌优势菌群最终由微杆菌、盖球菌、短杆菌和短状杆菌构成。另外,堆体温度是影响堆肥过程放线菌群落结构演替的关键环境因子。(4)通过对堆肥生境中木质纤维素降解富集物的宏基因组文库进行基因组序列测定和分析,重点研究了堆肥生境微生物群落的功能基因组成和代谢生理特征。结果显示,可降解木质纤维素的富集微生物RSA菌群以Actinobacteria占优势菌。通过COG和KEGG的功能注释,发现RSA菌群的碳水化合物代谢相关基因在文库中占有较高比例(COG中7.3%；KEGG中12.1%),说明RSA菌群中含有大量可降解堆肥生境秸秆类木质纤维素生物质的微生物。经序列系统发育分析,发现纤维素的降解是在放线菌、绿弯菌和拟杆菌产生的纤维二糖水解酶,内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶作用下共同协作完成。半纤维素的降解主要由绿弯菌和拟杆菌产生的内切木聚糖酶和β-木糖苷酶共同参与完成。而放线菌通过降低木聚糖的乙酰化程度和侧支数量以协助提高木聚糖的水解效率。参与果胶分解的酶类包括果胶裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶、半乳糖苷酶、阿拉伯呋喃糖苷酶和鼠李糖苷酶。其中,果胶裂解酶主要来源于稀有放线菌。该研究结果为实现畜禽废弃物的快速高效堆肥发酵提供有力的技术支撑与理论指导。