热水解强化土霉素菌渣好氧堆肥及肥料安全性研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xjtu_kendy
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抗生素菌渣因含有一定量的抗生素残留而具有一定的耐药风险,我国已于2008年将其定性为危险废弃物。此后,制药企业只能采用焚烧技术对抗生素菌渣进行处置,高昂的处理费用限制了制药企业的健康发展。土霉素菌渣是抗生素菌渣的一种,其有机质含量高,是生产有机肥的理想原料。好氧堆肥是实现废弃物肥料化的高效处理技术。目前,土霉素菌渣的肥料化价值虽已得到初步肯定,但对于限制土霉素菌渣好氧堆肥处理推广应用的产品安全性问题,则仍未得到有效研究和解决。基于土霉素的热不稳定性和菌渣的酸性性质,采用热水解作为预处理技术对土霉素菌渣的好氧堆肥处理进行强化,并详细考察了肥料对土壤肥力的影响及使用安全性,旨在为土霉素菌渣安全的肥料化提供理论依据。探究了热水解处理过程中有机质的释放及菌渣结构的破解规律,并考察了土霉素的降解规律及生物毒性变化。结果表明,当温度高于150°C时,热水解即可有效破坏菌渣中菌丝体的结构,促进有机质、多糖及蛋白质的释放,有利于改善菌渣的可生物降解性;而当温度达到180°C时,虽然热水解的破解效率更高,但却导致了大量有机质的损失及难生物降解物质的生成。当温度高于120°C时,土霉素及其中间产物的去除速率较快,在150°C条件下处理240 min后,土霉素及其中间产物的总检出量已低于8 mg/kg,总去除率超过了99%,表明热水解有利于解除土霉素对菌渣堆肥过程的不利影响并提高堆肥产品的安全性。通过对比热水解处理前后土霉素菌渣的堆肥效果,考察了热水解预处理对菌渣堆肥效率和肥料产品安全性的影响,并阐明了热水解预处理对耐药基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的影响机制。研究结果表明,热水解预处理提高了堆肥温度,加速了光谱特征参数及作物毒性的稳定化过程。整体而言,热水解预处理缩短了物料的腐熟时间,提高了菌渣的堆肥效率。经过热水解预处理(150°C、240 min)后,堆肥产品中土霉素及其中间产物的含量由89.96 mg/kg下降至2.61 mg/kg,ARGs、可移动遗传元件(Mobile genetic elements,MGEs)的相对丰度分别降低了51.80%、80.72%,表明热水解提高了菌渣肥的安全性。ARGs的削减主要是由于热水解预处理对堆肥过程中理化性质的变化产生了影响,降低了微生物群落中ARGs宿主微生物的占比,并减少了ARGs的水平转移几率。在150°C、240 min条件下预处理土霉素菌渣堆肥产品的各项指标均满足《有机肥料》(NY/T 525-2021)的要求。菌渣肥经过灭活处理后,ARGs已呈现阴性,且土霉素及其中间产物的含量已接近市售商品肥,肥料安全性得到有效提高。采用土壤模拟实验考察了热水解预处理土霉素菌渣肥对土壤肥力的影响及使用安全性。以溶解性有机物为指标揭示了菌渣肥在土壤中的分解转化规律,并考察了肥料对土壤养分含量、酶活性的影响,探究了土霉素的土壤稳定性及其对微生物群落、ARGs、MGEs的影响。结果显示,菌渣肥施加土壤中溶解性有机物的变化在培养时间(16周)内即达到了稳定状态,表明肥料的分解转化在短期内即基本完成。菌渣肥提高了土壤有机物、碱解氮、速效磷和速效钾的含量,增强了土壤磷酸酶和过氧化氢酶的活性,有效地提高了土壤的肥力,且提高效果较对比有机肥(猪粪肥)更为显著。采用热水解预处理降低了菌渣肥中的土霉素残留后,减小了施肥过程中土霉素的暴露风险,随肥料引入土壤的土霉素含量极低,且可以在2周内快速降解;此外,土霉素含量的降低有利于减少施肥过程中土壤ARGs的水平转移几率,降低其相对丰度水平,提高了土霉素菌渣肥的安全性。
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