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我国是四环素类抗生素生产和消耗大国,四环素在养殖业中持续发挥着重要的作用。随着畜禽养殖规模的日益庞大,抗生素的滥用造成粪便中四环素残留超标,并诱导微生物抗生素耐药基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的产生。ARGs通过在各个环境介质中迁移、转化,对生态环境与人类健康构成巨大的威胁。堆肥技术在养殖粪便无害化处理上被普遍使用,黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)由于含有多种过氧化物酶系在诸多领域具有降解潜能,因此本实验在此基础上探究了P.chrysosporium生物强化对粪便中四环素的降解能力,以及对四环素抗性基因(Tetracycline resistance genes,TRGs)的削减,并探讨生物强化削减TRGs的机制,课题分为以下几个部分:
(1)首先通过Agrobacterium介导的真菌转化法使P.chrysosporium标记GFP能够表达绿色荧光,方便对添加后菌体的生长形态追踪观察;设计实验装置并投加白腐真菌P.chrysosporium建立实验体系,并对从养殖场取样的初始粪便进行30种TRGs的筛查。共有21种TRGs在初始粪便中被检出,其中相对丰度(relative abundance,RA)较高的主要有五种tetW,tetM,tet(32),tetPA,tetO。
(2)检测五种RA较高的TRGs变化,并对P.chrysosporium去除四环素的效果进行检测。结果发现,与对照相比,P.chrysosporium的添加导致5种TRGs的削减效率提高7.9-100倍,证明这是降低猪粪中TRGs的潜在方法。第35d,处理组中四环素的去除率为83.55%,与对照相比增加了11.93%,表明生物强化增强了四环素的降解能力。
(3)探讨P.chrysosporium生物强化削减抗性基因的机制。结论如下:真菌生物强化进一步增强了降解四环素的能力,这可能是处理组中TRGs减少的原因之一;细菌和四环素抗性菌数量的减少直接解释TRGs的减少;从营养角度考虑,降低铵态氮的损失并改善堆肥的质量间接导致处理组TRGs削减效率的增加;高通量测序结果表明,细菌群落的生态演替现象并不是处理组中TRGs少于对照的原因。第35d,处理组的真菌群落中Phanerochaete的RA高达62.7%,利用GFP与平板计数法检测P.chrysosporium的数量,达到4.3×105cfu/g,且以大量厚垣孢子的形式存在,这一事实解释了处理组四环素的去除率高于对照的原因;TRGs削减的主要原因之一是P.chrysosporium厚垣孢子对细菌捕获作用。
(4)对细菌荧光标记后观察细菌向P.chrysosporium厚垣孢子的转移现象。分别在在共培养72h与96h观察到EscherichiacoliMG1655与Bacillussubtilis92082转移现象的发生。随着共培养时长的增加,发现厚垣孢子内发出绿色和红色荧光的菌体数量减少,在共培养216h后镜检基本看不到菌体的荧光,且培养液中的细菌数量也显著减少。
(5)初步研究细菌进入厚垣孢子的途径,并对这种捕获现象进行普查试验。结果发现,E.coliMG1655由厚垣孢子细胞壁的伤口和裂缝进入。B.subtilis92082进入厚垣孢子共有两种途径:菌丝的中间膨大断裂处以及菌丝顶端细胞膨大后破裂的部位。普查试验证实很多细菌包括革兰氏阴性菌和阳性菌均可以进入真菌厚垣孢子。
(1)首先通过Agrobacterium介导的真菌转化法使P.chrysosporium标记GFP能够表达绿色荧光,方便对添加后菌体的生长形态追踪观察;设计实验装置并投加白腐真菌P.chrysosporium建立实验体系,并对从养殖场取样的初始粪便进行30种TRGs的筛查。共有21种TRGs在初始粪便中被检出,其中相对丰度(relative abundance,RA)较高的主要有五种tetW,tetM,tet(32),tetPA,tetO。
(2)检测五种RA较高的TRGs变化,并对P.chrysosporium去除四环素的效果进行检测。结果发现,与对照相比,P.chrysosporium的添加导致5种TRGs的削减效率提高7.9-100倍,证明这是降低猪粪中TRGs的潜在方法。第35d,处理组中四环素的去除率为83.55%,与对照相比增加了11.93%,表明生物强化增强了四环素的降解能力。
(3)探讨P.chrysosporium生物强化削减抗性基因的机制。结论如下:真菌生物强化进一步增强了降解四环素的能力,这可能是处理组中TRGs减少的原因之一;细菌和四环素抗性菌数量的减少直接解释TRGs的减少;从营养角度考虑,降低铵态氮的损失并改善堆肥的质量间接导致处理组TRGs削减效率的增加;高通量测序结果表明,细菌群落的生态演替现象并不是处理组中TRGs少于对照的原因。第35d,处理组的真菌群落中Phanerochaete的RA高达62.7%,利用GFP与平板计数法检测P.chrysosporium的数量,达到4.3×105cfu/g,且以大量厚垣孢子的形式存在,这一事实解释了处理组四环素的去除率高于对照的原因;TRGs削减的主要原因之一是P.chrysosporium厚垣孢子对细菌捕获作用。
(4)对细菌荧光标记后观察细菌向P.chrysosporium厚垣孢子的转移现象。分别在在共培养72h与96h观察到EscherichiacoliMG1655与Bacillussubtilis92082转移现象的发生。随着共培养时长的增加,发现厚垣孢子内发出绿色和红色荧光的菌体数量减少,在共培养216h后镜检基本看不到菌体的荧光,且培养液中的细菌数量也显著减少。
(5)初步研究细菌进入厚垣孢子的途径,并对这种捕获现象进行普查试验。结果发现,E.coliMG1655由厚垣孢子细胞壁的伤口和裂缝进入。B.subtilis92082进入厚垣孢子共有两种途径:菌丝的中间膨大断裂处以及菌丝顶端细胞膨大后破裂的部位。普查试验证实很多细菌包括革兰氏阴性菌和阳性菌均可以进入真菌厚垣孢子。