制药污泥的堆肥化对抗生素降解及ARGs转移的影响机制研究

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中国是世界上最大的抗生素生产国和消费国。随着制药行业的发展,产生了大量的制药污泥,若处置不当,容易引发抗生素(antibiotic)和抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes简称ARGs)的富集,对环境和人类健康造成潜在威胁。另一方面,人们对绿色产品的需求,特别是对有机蔬菜的需求一直在快速增长。然而,有机生产过程中引入更多的ARGs和抗生素抗性菌(antibiotic resistance bacteria简称ARB)的风险往往被忽视。本研究以青霉素制药污泥堆肥化为基础研究,同时进一步研究了施用不同污泥肥料对土壤及作物根和叶表中ARGs多样性和丰度的影响,为青霉素制药污泥资源化利用提供理论基础。主要研究结果概括如下:(1)以制药污泥为研究对象,采用葡萄糖、蔗糖、玉米秸秆粉及其混合物作为外加碳源和添加竹炭,研究不同类型的外加碳源及竹炭对堆肥系统一次发酵周期内温度、有机质等理化参数变化及青霉素的降解情况的影响。结果表明,堆体中有机质含量与外加碳源的量呈正比,堆体中有机质的质量分数随堆肥时间不断下降且趋于稳定。温度是青霉素降解的主要影响因素。外加碳源增加了堆体溶解性有机质质量分数,生物可利用碳源的增加促进了堆肥过程中微生物的转化作用,并有助于提高堆肥过程温度。在堆肥周期内外加碳源可以提高青霉素的降解速率(15 d内对照组青霉素降解率为94.44%,其他组均大于95%),且外加蔗糖与玉米秸秆粉的混合碳源处理组青霉素降解速率最快(15 d内降解率可达到99.08%)。堆肥过程中升温阶段(中温阶段和高温阶段)青霉素含量与温度呈负相关(P<0.01),与溶解性有机碳呈正相关(P<0.01)。15d内所有处理组青霉素降解率均可以达到90%以上,同时筛选出污泥肥料为T1-2、T2-2、T3-1。(2)基于实时荧光定量PCR的方法,对堆肥过程中各阶段堆肥样品中β-内酰胺类抗性基因(bla-CTX-M-1、bla-CMY、bla-OXA-23、bla-TEM、bla-NDM-1和blaCEP-02基因)进行定性和绝对定量,初步探讨制药污泥堆肥过程中β-内酰胺类抗性基因(bla-CTX-M-1、bla-CMY、bla-OXA-23、bla-TEM、bla-NDM-1和blaCEP-02基因)的数量变化。研究发现,高温好氧堆肥对β-内酰胺类抗性基因(bla-TEM、bla-NDM-1和blaCEP-02基因)数量有一定的消减作用,但是对于堆肥过程中ARGs的多样性和堆肥条件的控制仍需进一步研究。(3)通过室内盆栽实验研究了施用污泥肥料对青菜非根际土、根际土以及作物根和叶表面ARGs的影响。实验结果表明,污泥肥料能够增加非根际土、根际土、根和青菜(苏州青)叶际的ARGs丰度和多样性。Veen分析发现污泥肥料、非根际土、根际土、根和叶际样品中特有和共有的ARGs,说明污泥肥料施用后的土壤是叶际的ARGs的一个主要来源。对不同处理的非根际土、根际土、根和叶际共有操作分类单元(OTUs)与其携带的ARGs进行采用Mantel test和Procrustes test的分析,说明共有的OTUs对叶际的ARGs的组成有显著的影响。综合分析,可以推断出污泥肥料中的ARGs可以以微生物为媒介,通过土壤-植物体系进行扩散,最终转移到植物叶际,而在这一过程中根发挥着桥梁纽带的作用。
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