牛粪厌氧消化工艺参数对其抗生素抗性基因丰度和微生物群落结构的影响

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厌氧消化对畜禽粪便中抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)具有削减作用,有助于降低其造成的环境污染及生态风险。工艺参数是影响厌氧消化系统的重要因素,为研究工艺参数对牛粪厌氧消化系统中ARGs丰度和微生物群落结构的影响,本研究开展了温度、搅拌和固含率3种工艺参数下的厌氧消化试验,分析了厌氧消化理化特征、ARGs丰度、可移动遗传元件(Mobile genetic elements,MGEs)丰度和微生物群落结构,探究理化因子、ARGs、MGEs和微生物群落间的相互关系,揭示厌氧消化过程中不同工艺参数条件下影响ARGs丰度变化的关键因素。研究的主要结果和结论如下:(1)高温厌氧消化较中温反应时间缩短了15天,总产气量和总产甲烷量分别增加13.92%和16.86%;SCOD浓度升高了47.49%,氨氮浓度降低了5.64%;ARGs的绝对丰度降低了0.75 log;拟杆菌门丰度从40.26%降低至1.24%,螺旋体门丰度从15.42%降低至2.26%,厚壁菌门丰度从33.40%升高至86.58%。(2)中温厌氧消化下,搅拌使总产气量和总产甲烷量分别增加12.63%和6.00%;SCOD浓度升高26.39%,氨氮浓度降低3.91%;ARGs的绝对丰度提高0.13 log;螺旋体门丰度从15.42%降低至2.66%,拟杆菌门丰度从40.26%增加至52.49%。高温厌氧消化下,搅拌对总产气量、总产甲烷量和ARGs绝对丰度无明显影响,但MGEs的绝对丰度降低了0.18 log;绿弯菌门丰度从5.43%降低至3.15%,厚壁菌门丰度从86.58%增加至91.96%。(3)固含率从4%增加至16%时,厌氧消化总产气量和总产甲烷量分别从4463 mL和1987 mL增加至6637 mL和3602 mL;SCOD浓度从3158 mg/L增加至5575 mg/L;ARGs的绝对丰度从0.70 log降低至0.06 log,MGEs的绝对丰度从0.62 log降低至0.23 log;拟杆菌门和厚壁菌门丰度分别从49.70%和31.84%降低至38.17%和24.75%,螺旋体门丰度从9.37%升高至28.69%。(4)RDA分析表明,理化因子、MGEs及微生物群落可解释ARGs变化的99.8%以上。拟杆菌门、变形菌门和厚壁菌门与tet O、tetT、tetQ和tet X呈正相关,是其宿主菌;螺旋体门与tet A、tetC和tet G呈正相关,是其宿主菌。高温厌氧消化降低了变形菌门、拟杆菌门和螺旋体门丰度,促进了ARGs的去除;搅拌增加了拟杆菌门丰度,所以tetQ、tet X、intI1和int I2的绝对丰度升高0.18~2.24 logs;降低了螺旋体门丰度,所以tet A、tetC、tet G和Tn916/1545的绝对丰度降低0.22~0.73 log。高固含率降低了拟杆菌门和厚壁菌门丰度,增加了螺旋体门丰度,所以促进了tetA、tetG、tetQ、tetT、tetX、intI1和Tn916/1545的去除。
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