高吸水树脂对堆肥过程中抗生素抗性基因和微生物群落的影响

发布时间：2020-07-03 22:52

【摘要】：抗生素抗性基因(ARGs)是一种新型环境污染物,可通过移动基因元件(MGEs)以水平基因转移的方式在微生物间传播。ARGs污染会导致抗生素药物的疗效降低,人类生命健康将受到严重威胁。畜禽粪便已成为重要的ARGs储存库。利用畜禽粪便生产的有机肥料施入农田后,会增加ARGs向土壤传播的潜在风险。本试验选取具有吸附性能的新型环境材料高吸水树脂(SAP)作为堆肥添加剂,研究了添加0(CK)、5mg/kg(L)和15mg/kg(H)SAP对猪粪好氧堆肥过程中堆肥参数、有效铜和有效锌含量、MGEs和ARGs丰度以及微生物群落的影响,并分析了ARGs与环境因子、微生物群落之间的关系。主要研究结果和结论如下:(1)3个处理堆体最高温度分别为63.8?C(CK)、65.5?C(L)和71.0?C(H),15mg/kg SAP显著提高高温期堆体温度。堆料的pH值随SAP浓度升高而升高,15mg/kg SAP显著提高了堆料的pH值。H处理显著提高了堆料的含水率,但L处理和CK处理之间含水率无显著差异。添加SAP显著降低了堆料中bio-Cu和bio-Zn的含量,但对堆料的C/N无显著影响。(2)H处理中磺胺类抗性基因dfr A7、sul1和sul2的绝对丰度分别比对照处理低94.98%、93.08%、97.43%,大环内酯类抗性基因和四环素类抗性基因丰度也显著低于对照处理,对喹诺酮类抗性基因丰度的去除率高达99%,而5mg/kg SAP仅降低了几种ARGs的丰度,说明15mg/kg SAP对ARGs的去除效果更好。冗余分析表明环境因子pH、含水率和温度对ARGs和MGEs丰度变化的解释量较高。(3)厚壁菌门、变形菌门和放线菌门是堆肥样品中主要的微生物。对照处理和5mg/kg SAP处理的微生物群落较为相似,而在高温期以后,15mg/kg SAP处理的微生物群落发生了显著变化,具体表现为厚壁菌门丰度降低,变形菌门丰度升高。15mg/kg SAP可降低人类致病菌气单胞菌属和棒状杆菌属的丰度。network分析发现了9种ARGs的潜在宿主菌,主要为厚壁菌门和放线菌门。堆肥过程中潜在宿主菌丰度下降可能导致其携带的ARGs丰度降低。多个ARGs与MGEs共现表明这些ARGs可能与MGEs在同一基因片段上共存,并随MGEs在环境中转移和传播。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S141.4;X592
【图文】：

转移途径,重金属

图 1-1 基因水平转移途径（von Wintersdorff et al. 2016）Fig. 1-1 Pathway of horizontal gene transfer (von Wintersdorff et al. 2016)禽粪便中残留的重金属也可能是引起 ARGs 增殖的原因之一。重金属可通过协同抗性和协同调控作用对 ARGs 产生选择性压力（Baker-Austin et al. 200性是指微生物携带的 ARGs 和重金属抗性基因位于同一遗传元件上，如整合转座子等。交叉抗性是指微生物细胞对重金属和抗生素同时产生抗性时利用性系统，最常见的为外排泵系统。共调控是指在重金属或抗生素任一作用下内的转录、翻译应答系统作出相应反应的过程。研究表明环境中的重金属丰度维持较高水平（Gullberg et al. 2014；Seiler and Berendonk 2007）。因金属含量从而减轻重金属对 ARGs 的选择性压力，也可进一步控制 ARGs 污

抗性机制,抗生素,重金属,微生物

图 1-2 微生物抗生素与重金属协同选择抗性机制（季秀玲等 2010）Fig. 1-2 Co-selection mechanisms for microbial antibiotic and heavy metal resistance注：A 为协同抗性机制，B 为交叉抗性机制，C 为协同调控机制Note: A represents co-resistance mechanism, B represents cross-resistance mechanism, C representsco-regulation mechanism.好氧堆肥是无害化处理畜禽粪便的常用方法，堆肥产物可作为有机肥料施入土壤，但同时畜禽粪便中残留的 ARGs 可能也会随堆肥产品进入土壤中。为了控制 ARGs 向土壤中转移扩散的生态风险，国内外学者对堆肥过程中 ARGs 丰度变化进行了广泛研究，并尝试通过一定的方法来降低堆肥产物中 ARGs 的丰度。其中较为常见的方法是向堆肥中添加调理剂，例如 Cui et al.（2016）将水稻秸秆生物炭和蘑菇渣生物炭分别添加到堆肥中，结果表明堆肥产物中 ARGs 的去除率为：基质+水稻秸秆生物炭< 基质< 基质+蘑菇渣生物炭，添加蘑菇渣生物炭对堆肥中 ARGs 去除效果较好；Zhang et al.（2016a）向堆肥中添加硝化抑制剂和天然沸石，结果表明天然沸石处理降低了堆肥中 ARGs 的总丰度，可能的原因是天然沸石的多孔性结构以及其对重金属选择性压力的削减作用；Zhang et al.（2016b）将两种不同的表面活性剂添加到堆肥中，结果表明，添加表面活

【参考文献】