菌剂添加对牛粪堆肥过程中抗生素去除和抗性基因消减的影响

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抗生素在畜禽养殖业中的过度使用使得畜禽粪便成为环境中抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的重要储存库,而且大部分的抗生素动物并不能够完全吸收而以原体或者代谢物的形式随畜禽粪便排出,因此畜禽粪便是进入环境的抗生素与ARGs的主要来源。好氧堆肥是一种有效的有机固体废弃物处理和资源化利用方法,并且可有效降低抗生素含量与ARGs丰度。微生物是堆肥生物转化过程中的关键驱动因素,接种外源微生物可有效提高微生物代谢活性,提高堆肥效率,改善堆肥产品质量。因此,本文研究了将菌剂添加到牛粪好氧堆肥过程中堆料的理化性质、抗生素的含量、ARGs丰度以及微生物群落的变化,分析了理化因子与抗生素的相关性,并进一步分析了ARGs、环境因子及微生物群落之间的相关性,为菌剂应用于牛粪堆肥过程中抗生素与ARGs的去除提供理论依据。主要研究结论如下:(1)菌剂的添加加快了堆肥中有机物的分解,提高了堆肥温度,延长了堆肥高温期,并且降低了高温期NH4+-N的含量,有利于增加堆肥后期NO3--N的含量,提高了堆肥质量和堆肥效率。菌剂的添加可以更快的去除堆肥中四环素和土霉素的含量,去除率分别达到99.83%和99.82%。NH4+-N和NO3--N是影响抗生素去除的重要环境因子。(2)菌剂的添加显著降低了堆肥后ARGs的丰度,去除率达到84.68%,其中tet(32)、tet H、tet M-02的去除率达到100%,特别是对于tet(32)、tet G-02、tet H、tet M-01、tet M-02、tet O-01、tet O-02、tet R、tet S、tet T、tet W、tet X的丰度对比未添加菌剂处理的消减量提高了0.03~3.20 logs,总去除率是未添加菌剂堆肥的4.34倍,有助于缓解由于牛粪直接施用于农田造成的ARGs积累。(3)厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)是堆肥过程中的优势菌门。菌剂的添加降低了堆肥产品中Proteobacteria和Bacteroidota的丰度,但增加了Firmicutes和Actinobacteriota的丰度,显著减少了人类致病菌Clostridium_sensu_stricto_1和Pseudomonas的丰度,降低了堆肥产品的生态风险。理化性质与细菌群落对ARGs的去除有着重要作用,Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes为ARGs的主要宿主菌门,且不同的ARGs可能具有相同的宿主细菌。菌剂的添加可能通过影响细菌群落的演替和减少ARGs潜在宿主菌的数量降低ARGs的丰度,为菌剂在堆肥中的应用提供了理论依据。
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