中药渣对污泥蚯蚓堆肥中耐药基因的削减作用

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangshun102
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随着我国经济的持续稳定快速发展,我国城镇污水处理规模日益提升,污泥产量也随之增加,其安全处理处置成为了污水处理行业的一大难题。蚯蚓堆肥技术已成为极具发展潜力的有机废弃物资源化方法。蚯蚓粪作为蚯蚓堆肥的最终产物,其中含有大量的农业益生菌及氮磷等营养成分,具有极高的农用价值。但由于污泥中抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)的存在,致使污泥蚯蚓粪中亦含有大量的ARGs,增加了其农用的环境风险。同时,随着新冠疫情在全球的不断肆虐,中药成了我国的抗疫担当,随之而来的问题是产生了大量的中药渣。中药渣中除了含有氮磷钾等营养元素外,还含有大量未被提取的药用抑菌成分,可能对ARGs的水平转移具有一定的抑制作用。因此将脱水污泥与中药渣混合蚯蚓堆肥不仅可同步解决二者处理处置的难题;还可降低蚯蚓粪中ARGs的丰度,减轻蚯蚓粪的农用风险。基于此,本研究以纯污泥蚯蚓堆肥(CK)为对照组,分别向污泥蚯蚓堆肥中添加10%(LC)、30%(MC)及50%(HC)的中药渣,进行为期30 d的蚯蚓堆肥实验。研究中药渣对污泥蚯蚓堆肥中典型ARGs及遗传元件变化的影响;探明中药渣对污泥ARGs影响的潜在机理;提出中药渣对污泥ARGs传播的控制策略;为污泥与中药渣的共资源化利用提供理论依据。结果如下:(1)堆肥结束后相较于CK组,LC、MC、及HC组中蚯蚓生物量分别增加了9.1%、15.9%和4.5%;污泥蚯蚓粪中电导率分别显著(P<0.05)升高了20.1%、28.7%和16.4%;硝氮含量分别显著(P<0.05)增加了20.7%、38.6%和33.8%;溶解性总氮含量分别显著(P<0.05)增加了25.4%、15.6%和19.0%;溶解性总磷的含量分别增加了7.6%、25.3%和15.1%。三维荧光结果显示,添加中药渣后促进了可溶性蛋白及溶解性微生物副产物向胡敏酸与富里酸类物质的转化,提高了堆体的腐殖化程度。相比而言,MC组的中药渣污泥蚯蚓粪更适合农用。(2)荧光定量PCR结果显示,相较于CK组,LC、MC及HC组在第30 d的污泥蚯蚓粪中细菌16S r DNA丰度分别显著(P<0.05)降低了83.5%、93.1%和42.6%,而真核生物18S r DNA丰度分别显著(P<0.05)增加了66.0%、205.6%和825.8%。堆肥结束后对各组污泥蚯蚓粪中细菌16S r DNA高通量测序结果显示,与CK组相比,LC、MC及HC组中的物种总数分别下降了8.7%、6.5%与3.6%,但细菌种群的多样性和均匀度略有增加。添加中药渣后细菌种群的Beta多样性也发生较大的改变。相较于CK组,中药渣组在第30 d的污泥蚯蚓粪中放线菌门丰度显著(P<0.05)增加了33.3%~90%;中药渣堆肥组中的优势菌门主要有变形菌门、放线菌门和拟杆菌门;在属水平上MC组中Bacteroides、Enhydrobacter的丰度显著(P<0.05)高于CK组。值得注意的是,对各组细菌功能代谢通路对比发现,MC组中与人类疾病相关的功能基因丰度显著(P<0.05)低于CK组。(3)可移动遗传元件的荧光定量PCR结果表明,与CK组相比,LC、MC及HC组第30 d的污泥蚯蚓粪中整合子基因int I-1的绝对丰度分别显著(P<0.05)减少了38.3%、71.4%和28.4%;转座子基因tnp A-4的绝对丰度分别显著(P<0.05)降低了56.1%、74.4%和82.7%。对于ARGs而言,相较于CK组,LC、MC及HC组第30 d的污泥蚯蚓粪中大环内酯类耐药基因erm B的绝对丰度分别显著(P<0.05)降低了42.7%、81.0%和52.8%;对erm F的绝对丰度分别显著(P<0.05)下降了68.8%、85.1%和50.7%;四环素类耐药基因tet C的绝对丰度分别显著(P<0.05)降低了41.5%、82.7%、47.5%;tet M的绝对丰度分别显著(P<0.05)下降了47.9%、69.7%、22.0%;磺胺类耐药基因sul1的绝对丰度分别显著(P<0.05)降低了73.0%、90.1%、47.3%;sul2的绝对丰度分别显著(P<0.05)降低了47.4%、68.9%、23.6%。在堆肥结束后,LC、MC及HC组的总ARGs丰度比CK组分别显著(P<0.05)降低了50.4%、77.9%和42.7%。相比而言,MC组对于污泥蚯蚓堆肥中耐药基因的削减程度最大。(4)微生物与ARGs之间的共选择网络分析发现,原始污泥、CK、LC、MC、及HC组第30 d的污泥蚯蚓粪中微生物丰度与ARGs多样性之间的正相关性分别为70%、62.5%、48.75%、32.5%和40%。另外,相较于MC组,CK组中环境因子(电导率、硝氮)与tet C、tet M与sul2之间具有更高的相关性,并且在CK组中erm B对tet C和tet M有显著性(P<0.05)影响;tet C与tet M以及tet M与sul2之间均有显著(P<0.05)相关性,而在MC组中仅erm B与tet M之间具有显著(P<0.05)相关性。这表明中药渣的添加不仅能通过减少ARGs的宿主细菌而降低微生物与ARGs之间的相关性,而且还可降低环境因子与ARGs之间的相关性以及不同ARGs之间的相关性。综上所述,污泥蚯蚓堆肥中添加中药渣可增加蚯蚓粪中的电导率、硝氮、溶解性总氮及溶解性总磷的含量,提升了堆肥产物的腐殖化程度,提高了蚯蚓粪的农用价值。另外,中药渣的添加改变了原有的微生物种群结构。中药渣通过降低MGEs的丰度来抑制ARGs的水平转移,并通过减少ARGs的宿主细菌来控制ARGs的传播,从而降低蚯蚓粪农用的环境风险。
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