生物质炭对粪肥堆肥过程中抗生素抗性基因行为特征的影响

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近年来,作为威胁人类健康的一种新型污染物“抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Gene, ARG)",其在畜禽粪肥中有较高的检出丰度,表明畜禽粪肥是抗生素抗性基因的一个重要蓄积库。本研究通过向三种不同的粪肥(猪粪肥、鸡粪肥和鸭粪肥)中添加不同种类的生物质炭(RSB:稻草生物质炭、CM:蘑菇渣生物质炭)进行好氧堆肥实验,研究了其对抗生素抗性基因(四环素类抗性基因、磺胺类抗性基因和氯霉素类抗性基因)、重金属(Cu、Zn和As)的影响。同时以鸡粪堆肥为例,用16S rRNA基因测序手段探究鸡粪肥堆肥过程中微生物群落结构的变化,并分析其与抗生素抗性基因的关系。结果表明:(1)堆肥前,抗生素抗性基因总丰度顺序为鸡粪肥>鸭粪肥>猪粪肥。在不添加生物质炭的情况下,抗生素抗性基因的平均去除率顺序为鸭粪肥堆肥(DM)>猪粪肥堆肥(PM)>鸡粪肥堆肥(CM),相对应的数值分别是2.58 logunits、2.19 log units and 0.80 log units。在猪粪肥和鸡粪肥堆肥过程中,总的来说,稻草生物质炭(RSB)的添加降低了抗生素抗性基因的平均去除率,而蘑菇渣生物质炭(MB)的添加增加了抗生素抗性基因的平均去除率。在鸭粪肥堆肥过程中,生物质炭的添加均降低了抗生素抗性基因的平均去除率。(2)在三种粪肥堆肥过程中,总量As和有效态As比例下降,生物质炭的添加进一步减少As的有效态比例。在鸡粪肥堆肥过程中,总量Cu、Zn下降,但有效态Cu、Zn比例上升,生物质炭的添加显著减少Cu、Zn的有效态比例(p<0.05)。相关性分析结果还表明,与总量重和抗生素抗性基因的相关性相比,有效态重金属和抗生素抗性基因的相关性更明显。(3) 16S rRNA基因测序结果表明,鸡粪肥堆肥过程中优势菌群并未改变,均为厚壁菌门(Fimicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)。但优势菌群的比例发生了较大改变。粪肥堆肥过程中抗生素抗性基因丰度减少的原因可能是厚壁菌门Fimicutes含量的降低。和未添加生物质炭的堆肥相比,添加稻草生物质炭(RSB)的堆肥中属于厚壁菌门Fimicutes的三种细菌科大量增加,RDA分析结果表明这三种细菌科和抗生素抗性基因呈显著相关性(p<0.05),所以稻草生物质炭(RSB)的添加会降低抗生素抗性基因去除率。此外,鸡粪肥堆肥过程中致病菌去除率的顺序和抗生素抗性基因去除率的顺序一致。
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