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近年来因为抗生素的滥用,增强了生物对其的耐药性,导致抗生素抗性基因(Antibiotic Resisitance Genes,ARGs)的形成,造成环境ARGs污染。本试验选取市政污泥为研究对象,通过设置三种不同外环境温度(30℃、50℃和55℃)、添加超嗜热菌剂、超嗜热菌剂和不同比例生物炭混合堆肥,研究堆体理化性质、微生物多样性和ARGs丰度的变化,分析堆体理化性质、微生物多样性与ARGs丰度间的关系,揭示不同堆肥方式对污泥中ARGs的消减机制,得到主要研究结果和结论如下:
(1)适当提高外环境温度可以提高堆体温度,缩短堆肥周期,50℃和55℃外环境温度堆肥条件腐熟速度和腐熟程度明显高于30℃。添加超嗜热菌剂堆肥腐熟程度和腐熟速率均高于普通堆肥,堆体在第2天就达到最高温,在第24天开始达到腐熟发芽指数(Germination index,GI)为57.89%,第50天达到最高73.5%。添加生物炭可以升高堆温,超高温堆肥组(HT)、生物炭比例2%超高温堆肥组(HT2)和生物炭比例5%超高温堆肥组(HT5)均在第24天开始达到腐熟,第50天GI值达到最高,生物炭添加量与GI值成正比,与堆肥腐熟程度成正比。
(2)适当提高外环境温度、添加超嗜热菌剂、超嗜热菌剂和一定比例的生物炭结合会降低细菌群落的相对丰度。堆肥初期三种堆肥方式的细菌群落组成相同,丰度较高的菌落主要是拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门和绿弯菌门。堆肥结束时,不同堆肥方式微生物群落组成不同,50℃和55℃外环境温度堆肥放线菌门相对丰度占比较高,30℃堆肥变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门占比较高;HT处理相对丰度占比较高的为变形菌门和放线菌门,普通堆肥则为变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和放线菌门。HT、HT2、HT5处理变形菌门和放线菌门为优势菌群。青岛工程化堆肥处理组(GCCT)高温期厚壁菌门相对丰度较高,堆肥结束时变为拟杆菌门。
(3)堆肥结束时,不同堆肥处理堆体ARGs和可移动遗传元件(Mobile genetic elements,MGEs)绝对丰度均有所下降。50℃和55℃外环境温度堆肥ARGs总去除率和IntI1的去除率较高,分别为66%~83%和92%以上。超高温对堆体中ARGs总去除率达86.3%,IntI1的去除率达95.7%,远高于普通堆肥。HT5对堆体中ARGs总去除率为95.9%,对IntI1的去除率达99.5%,远高于HT、HT2和GCCT。不同堆肥条件主要是通过提高堆体温度影响微生物活性和丰度,进而影响堆体中ARGs和MGEs的丰度。
综上,适当提高外环境温度、添加超嗜热菌剂、超嗜热菌剂和一定比例的生物炭结合可有效去除污泥中的ARGs和MGEs,为进行工程化堆肥提供了理论依据,具有一定的可行性。
(1)适当提高外环境温度可以提高堆体温度,缩短堆肥周期,50℃和55℃外环境温度堆肥条件腐熟速度和腐熟程度明显高于30℃。添加超嗜热菌剂堆肥腐熟程度和腐熟速率均高于普通堆肥,堆体在第2天就达到最高温,在第24天开始达到腐熟发芽指数(Germination index,GI)为57.89%,第50天达到最高73.5%。添加生物炭可以升高堆温,超高温堆肥组(HT)、生物炭比例2%超高温堆肥组(HT2)和生物炭比例5%超高温堆肥组(HT5)均在第24天开始达到腐熟,第50天GI值达到最高,生物炭添加量与GI值成正比,与堆肥腐熟程度成正比。
(2)适当提高外环境温度、添加超嗜热菌剂、超嗜热菌剂和一定比例的生物炭结合会降低细菌群落的相对丰度。堆肥初期三种堆肥方式的细菌群落组成相同,丰度较高的菌落主要是拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门和绿弯菌门。堆肥结束时,不同堆肥方式微生物群落组成不同,50℃和55℃外环境温度堆肥放线菌门相对丰度占比较高,30℃堆肥变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门占比较高;HT处理相对丰度占比较高的为变形菌门和放线菌门,普通堆肥则为变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和放线菌门。HT、HT2、HT5处理变形菌门和放线菌门为优势菌群。青岛工程化堆肥处理组(GCCT)高温期厚壁菌门相对丰度较高,堆肥结束时变为拟杆菌门。
(3)堆肥结束时,不同堆肥处理堆体ARGs和可移动遗传元件(Mobile genetic elements,MGEs)绝对丰度均有所下降。50℃和55℃外环境温度堆肥ARGs总去除率和IntI1的去除率较高,分别为66%~83%和92%以上。超高温对堆体中ARGs总去除率达86.3%,IntI1的去除率达95.7%,远高于普通堆肥。HT5对堆体中ARGs总去除率为95.9%,对IntI1的去除率达99.5%,远高于HT、HT2和GCCT。不同堆肥条件主要是通过提高堆体温度影响微生物活性和丰度,进而影响堆体中ARGs和MGEs的丰度。
综上,适当提高外环境温度、添加超嗜热菌剂、超嗜热菌剂和一定比例的生物炭结合可有效去除污泥中的ARGs和MGEs,为进行工程化堆肥提供了理论依据,具有一定的可行性。