畜禽养殖废水/粪便堆肥中典型抗药基因的分布和传播机制研究

抗生素在畜禽养殖业中的过量使用，使畜禽废水及粪便成为环境中抗生素及抗药基因的重要污染来源之一。而将畜禽废水和粪便堆肥作为农业肥料，可导致抗药基因向土壤、作物甚至人体细菌中迁移，造成严重的健康隐患。本项目旨在研究畜禽废水及粪便中典型抗药基因的迁移和传播机制，重点关注抗药基因在"畜禽废水/粪便堆肥-施肥土壤"传播过程中的机理。首先，明确养殖场废水、粪便堆肥及施肥土壤中典型抗生素及相关抗药基因的分布情况，获得区域性数据；其次，通过典型抗药基因的丰度、水平转移基因元件和主要宿主菌群等要素的解析，明确影响抗药基因行为的主控环境因素；并通过对主要宿主菌群的跟踪，揭示抗生素残留对于抗药基因水平转移行为的影响机理。本项目的研究结果将从微观上评估抗生素在畜禽养殖业中过量使用造成的生态风险，对解析自然界中抗药基因的迁移传播规律具有重要的理论参考价值。

近年来，畜禽养殖业废弃物排放造成的抗生素及抗药基因污染已日益受到关注。本课题以典型畜用抗生素及其相关抗药基因为对象，系统研究了其在养猪场的分布及迁移规律。首先，在北京、山东多家养猪场进行样本采集，获得抗生素、抗药基因在猪场废弃物处置路径中的分布、迁移、削减的一般规律；其次，对抗药基因与抗生素、环境因素及基因传播元件进行相关性分析，力求揭示抗药基因的传播机制及主要影响因素；另外，考察了高温堆肥过程中抗生素及相关抗药基因的变化并研究其主控因子。.结果显示：1）磺胺类、四环素类抗生素在猪场废水及粪便中普遍检出，四环素类浓度显著高于磺胺类，其最高检出浓度分别为223 mg kg-1（猪粪）及388.7μg L-1（废水），抗生素浓度随着粪便处置路径及废水排放路径呈下降趋势，但在下游样本（施肥土壤、池塘）中仍有相当浓度的抗生素被检出；2）抗药基因在粪便处置路径中的浓度显著低于废水排放过程，但其种类分布特征类似，粪便及原始废水中均以核糖体保护机制四环素抗药基因（RPPTRGs，tetM，tetO，tetQ，tetW）丰度为最高，其相对丰度的最大检出值为1.18 per 16srDNA，外排泵机制四环素抗药基因（EFPTRGs，tetA，tetC，tetG，tetL，tetA/P）和磺胺类抗药基因（SRGs，sul1和sul2）丰度较低，随着废水排放以及粪便处置路径，各类抗药基因丰度均有所下降（-0.29–3.93 log），而EFPTRGs与SRGs相对稳定，在下游样本（土壤、池塘）中成为主要的抗药基因种类；3）相关性分析显示，RPPTRGs丰度与四环素浓度在粪便中、SRGs丰度与磺胺浓度在废水中具有显著的相关关系，温度对抗药基因传播的影响也与其存在介质有关，水分及化学性质（化学需氧量、氨氮等）与RPP TRGs丰度显著相关，整合子基因（intI1和intI2）对抗药基因的传播起到了重要作用；4）小试实验结果显示堆肥达到腐熟并不代表ARGs受到有效控制，EFP-TRGs、tetX和SRGs等基因的相对丰度在堆肥过程中均有较大幅度的提升，整合子介导的水平转移对ARGs的传播有重要的促进作用。研究成果揭示了我国养猪业的典型抗生素及抗药基因的污染现状，为评估其环境风险并进行有效控制提供了依据，并对解析自然界中抗药基因的迁移传播规律具有重要参考价值。