论文部分内容阅读
抗生素和重金属由于具有防治动物疾病和促进动物生长的作用,被广泛用于规模化养殖业,导致了畜禽粪便中高浓度的抗生素、重金属和抗生素抗性基因(ARGs)残留。ARGs是一种新型环境污染物,可能通过水平基因转移使人类致病菌获得抗性,从而导致抗生素治疗失效,严重威胁人类健康。好氧堆肥是畜禽粪便资源化利用的常用手段,堆肥产物的农业利用也是ARGs进入环境的重要途径。本文首先调查了规模化养殖场畜禽粪便中的ARGs赋存情况,以及工业堆肥技术对不同畜禽粪便中ARGs的影响。进一步采用实验室模拟堆肥的方法研究了抗生素浓度、重金属类型和浓度、重金属钝化剂以及温度对ARGs的影响,分析了ARGs、MRGs、MGEs和细菌群落的关系,旨在探索促进好氧堆肥对ARGs削减效果的条件,并揭示不同因素影响ARGs变化的微生物学机理。取得的主要结果和结论如下:(1)从规模化养殖场动物粪便及其堆肥产物中检出了丰富的ARGs类型和丰度,表明模化养殖场动物粪便是重要的ARGs储存库。不同动物粪便中的ARGs有显著区别,整体上表现为鸡粪和猪粪中的ARGs比牛粪更丰富。Network分析表明粪便和堆肥中的大量ARGs和MGEs之间存在共现情况。利用回归分析建立了预测畜禽粪便和堆肥样品中ARGs总丰度的方程。好氧堆肥对不同种类畜禽粪便中的ARGs影响不同,对鸡粪和猪粪中的ARGs均表现为削减作用,且对鸡粪中ARGs的削减效果更好。好氧堆肥轻微降低了肉牛粪中的ARGs总丰度,但提高了奶牛粪中的ARGs总丰度。冗余分析表明,转座子丰度、重金属Cu浓度和全氮含量差异是造成3种动物粪便及其堆肥产物中ARGs多样性和丰度差异的主要原因。(2)不同土霉素处理的ARGs图谱和细菌群落根据堆肥时间被区分开,且高浓度(200 mg/kg)土霉素对ARGs和细菌群落的影响更持久。高浓度的土霉素残留增加了堆肥产物中5/8的ARGs和int1的绝对丰度和相对丰度,可能会促进这些ARGs在环境中的传播和扩散。堆肥过程中细菌群落演替是ARGs变化的主要原因,相比之下添加土霉素不会影响堆肥过程ARGs的变化趋势。好氧堆肥不能有效地去除奶牛粪中的大部分ARGs,堆肥产物中仍含有丰富的ARGs和抗生素抗性细菌,并检测出携带ARGs的人类致病菌。除ARGs的绝对丰度和相对丰度,ARGs的形态及其宿主菌类型均应被考虑纳入堆肥产物生态风险评价的分析指标。(3)Cu-L(500 mg/kg Cu)、Cu-H(2000 mg/kg Cu)和Zn-L(2000 mg/kg Cu)处理显著增加了堆肥产物中5种ARGs的丰度,Cu-H处理还显著提高了堆肥产物中tetG和tetQ丰度。ARGs与MRGs之间存在共现情况,且整合子和转座子是连接ARGs和MRGs的重要桥梁。Zn-H(15000 mg/kg)处理降低了堆肥产物中ARGs的总丰度,其中sul1、sul2和tetX丰度比对照低出0.51–1.87 logs,这可能是因为高浓度Zn的生物毒性大,杀死了这些ARGs的宿主菌。Cu和Zn在堆肥不同阶段对ARGs的影响不同,可能与在堆肥不同阶段细菌群落的组成差异有关。冗余分析的结果表明ARGs的变化同时受到MRGs、MGEs和细菌群落的影响,且在堆肥不同阶段它们对ARGs的影响贡献不同,证明重金属对堆肥过程ARGs的影响是多种机制(如协同抗性、DNA损伤诱导细菌应激反应、毒性效应)的综合效应。总体看来,畜禽粪便中的重金属增加了堆肥产物中ARGs丰度,提高ARGs的转移能力,加剧了ARGs的生态风险。(4)添加3种钝化剂至少降低了高Cu猪粪堆肥产物中6种ARGs的丰度,生物炭、沸石和粉煤灰堆肥产物中的ARGs总丰度分别比对照处理低81%、83%和74%。DTPA-Cu与MRGs之间无显著相关性,且钝化剂处理并未降低4种MRGs的丰度,表明钝化剂并非通过削弱Cu的共选择压力而降低ARGs丰度。Network分析和冗余分析表明,添加重金属钝化剂降低了ARGs的宿主菌,是导致钝化剂降低堆肥产物ARGs丰度的重要原因。钝化剂处理对堆肥产物中整合子和转座子丰度均有不同程度的降低,表明钝化剂可以通过降低DTPA-Cu浓度抑制细菌间的水平基因转移过程。(5)高温期和腐熟期在好氧堆肥过程中ARGs的削减中均有重要作用。充分的高温(普通高温堆肥处理和连续高温堆肥处理)显著降低了5/10 ARGs和2种整合子的丰度,且它是降低tetC、tetG、tetQ和int1的必要条件。细菌群落演替和水平基因转移均是引起堆肥过程中ARGs变化的原因。更高的温度、更长的时间会减少ARGs的宿主菌(包括部分人类致病菌),抑制水平基因转移过程,从而使产物中的ARGs丰度更低。连续高温堆肥处理在降低ARGs、整合子和人类致病菌丰度方面均表现最好,可作为畜禽粪便循环利用的方法,以降低ARGs造成的环境风险。