施用畜禽粪便堆肥的土壤-蔬菜系统中抗生素及其抗性基因的扩散特征研究

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近年来,农家肥的广泛施用不仅带来大量的抗生素土壤污染,其携带的抗生素抗性基因(ARGs)也会随之进入到土壤生态环境中,土壤中的ARGs可以通过食物链对人类健康造成威胁。好氧堆肥被普遍认为是一种经济可行、环境友好的技术,可以有效地防止ARGs和ARBs从肥料向农田土壤扩散。堆肥后粪源抗生素与ARGs的变化情况已有大量研究,然而,施用不同成熟阶段的粪肥后土壤-蔬菜系统不同界面中ARGs的分布特征尚不清楚,对于不同类型的土壤-蔬菜系统(叶菜类植物和块茎类植物),两者之间的差异性亦有待探究。因此,本研究通过盆栽实验,以叶菜类植物(上海青)和块茎类植物(胡萝卜)为例,目的是为了研究施用不同成熟阶段的畜禽粪便堆肥对不同类型土壤-蔬菜系统中ARGs和细菌群落的影响;在此基础上,从蔬菜根系、根际土壤和非根际土壤三个界面研究抗生素及其抗性基因在不同类型土壤-蔬菜系统中的迁移分布,探究抗生素及其抗性基因在不同类型土壤-蔬菜系统中的扩散特征,并探究抗生素-ARGs-细菌群落之间的关系。论文的主要研究结论如下:(1)堆肥不同阶段的3大类抗生素的总含量大致符合升温阶段>高温阶段>冷却阶段(45d)>腐熟阶段这一规律;堆肥可以有效削减畜禽粪便中的抗生素和ARGs。堆肥样品中四环素类抗性基因绝对丰度是最高的,其次是磺胺类抗性基因和喹诺酮类抗性基因;ARGs丰度均下降了1个数量级,但对于1种编码泵外排机制的基因(tet G)和1种编码酶钝化机制的基因(tet X)的削减效果不明显;qnrs在整个堆肥过程中持续下降,四环素类、磺胺类抗性基因均呈现先上升后下降,在55d微弱升高后继续下降的趋势;同时发现,堆肥并不能完全去除ARGs,说明ARGs具有持久性;(2)堆肥可以有效降低粪源ARGs进入土壤-蔬菜系统,熟化程度越高的肥料引入的ARGs丰度越少;对比市售粪肥,实验室堆肥引入土壤-蔬菜系统的ARGs丰度相对较低;施肥土壤中ARGs的丰度和多样性的增加主要是由于粪肥促进了本地ARGs的开发和引入了新的ARGs;(3)不论叶菜类植物还是块茎类植物,都显著降低了粪肥引入土壤中的ARGs(tet A、tet C、tet G、tet X、sul1、sul2、sul3和qnr S)丰度;不同类型植物-土壤系统中ARGs的总丰度在三个界面的分布大致呈现:根际土壤>非根际土壤>植物根系的趋势,只有1种QRGs(qnr S)其分布为:植物根系>根际土壤>非根际土壤的趋势;叶菜类植物-土壤系统中各界面ARGs的总丰度显著高于块茎类植物-土壤系统;(4)不同类型土壤-蔬菜系统中三个界面中不同类型ARGs丰度的分布规律保持一致,为SRGs>TRGs>QRGs,其中sul1基因的丰度最高,酶钝化机制(tet X)是其中主要的四环素抗性机制;3种泵外排基因tet A、tet C和tet G在块茎类植物-土壤系统各界面的丰度都要显著高于叶菜类植物-土壤系统,而酶钝化基因tet X及sul1、sul2、qnr S基因则正好相反;(5)粪肥的施用显著改变了土壤微生物群落,是形成土壤ARGs剖面的主要驱动力。整体上熟化程度越高的粪肥对于土壤微生物群落多样性的改变越小,市售粪肥对于土壤微生物的改变与实验室堆肥有明显区别。块茎类植物和叶菜类植物通过降低根际土壤中变形菌门而削减ARGs的丰度,变形菌门可能为根际土壤环境中ARGs的主要驱动细菌之一;网络分析表明,变形菌门、放线菌门和厚壁菌门是根际土壤中主要的ARGs宿主菌,包括4个潜在致病菌(Bacillus、Acinetobacter、Mycobacterium和Staphylococcus);tet A、tet G、tet X、sul2和qnr S与潜在致病菌显著正相关(P<0.05),因此其在土壤环境中的扩散和传播过程中有着更大的风险。综上所述,在施用不同成熟阶段畜禽粪便堆肥的不同类型土壤-蔬菜系统中,对比市售粪肥,实验室堆肥引入不同类型土壤-蔬菜系统的ARGs丰度相对较低;熟化程度越高的肥料引入的ARGs丰度越少;叶菜类植物和块茎类植物都可以减少根际土壤中的抗生素和ARGs,因此这些植物可以用来消减土壤中的抗生素和ARGs。叶菜类植物其叶际中ARGs的总丰度显著高于块茎类植物,甚至要高于其根内生菌。蔬菜通过削减厚壁菌门的丰度进而减少ARGs的丰度,这为研究土壤中ARGs的消减提供了一个新的思路。
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