猪粪中抗生素耐药性在好氧堆肥过程中的消长机制

The overuse of antibiotics in medicine, livestock and poultry systems accelerates the environmental dissemination of antibiotic resistance, posing a potential threat to public health. Land application of livestock manure is one of major sources for antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) entering into soil environment. Therefore, the effective treatment of livestock manure is essential to reduce its environmental risk. Studies show that composting process has good reduction effect on residual antibiotics in manure, but little is known about its removal efficiency for ARGs. Especially the fluctuation mechanism and influence factors of ARGs in livestock manure during composting are not clear. In this study, a simulated experiment of aerobic composting will be conducted on swine manure to investigate the variation of antibiotic concentrations, the fluctuation mechanism and influence factors of ARGs, the dynamics of bacteria communities, as well as the effect of main composting parameters (aeration modes, temperature of plies) on behaviors of antibiotics and ARGs in swine manure. The reduction effect of aerobic composting on antibiotic resistance in swine manure will be evaluated. This study aims to provide a scientific basis for harmless and reduction treatment of livestock manure from large-scale livestock and poultry systems.

抗生素在医疗和畜禽养殖业的大量使用加速了抗生素耐药性在环境中的传播，给人类公共健康造成潜在威胁。畜禽粪便施用是抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）进入土壤环境的主要途径之一，对畜禽粪便进行有效处置以降低其环境风险至关重要。研究表明堆肥过程对畜禽粪便中残留的抗生素具有良好的削减效果，但对ARGs的去除效率目前研究还较少，特别是畜禽粪便中ARGs在堆肥过程中的消长机制及影响因素还不明确。本项目拟在人工控制条件下对猪粪进行好氧堆肥的模拟实验，研究堆肥过程中粪便中典型抗生素浓度变化、ARGs的消长机制及影响因素，微生物群落结构的演替，以及主要堆肥工艺参数（通风方式、堆体温度）对猪粪中抗生素及ARGs行为特征的影响，从而考察好氧堆肥技术对猪粪中抗生素耐药性的削减效果。项目旨在为规模化养殖业畜禽粪便的无害化、减量化处理提供科学依据。

畜禽粪便施用是抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）进入土壤环境的主要途径之一，对畜禽粪便进行有效处置以降低其环境风险至关重要。堆肥是一种常见的畜禽粪便无害化和资源化的手段，但畜禽粪便中ARGs在堆肥过程中的消长机制及影响因素还不明确。因此本项目针对堆肥过程中猪粪中ARGs、可移动基因元件（MGEs）和抗重金属基因（MRGs）的消长机制，微生物群落结构的演替，以及长期施用有机肥对农田土壤中抗生素耐药性的影响等方面开展了相关研究。.在不同堆体温度的影响下，对猪粪好氧堆肥过程中基本理化性质（pH、电导率、发芽指数、有机碳、总氮、总磷）及重金属Cu、Zn含量的变化进行了分析，以了解主要堆肥工艺参数对猪粪腐熟效率的影响。探究了堆肥不同阶段（升温期、高温期、降温期和腐熟期）微生物群落结构的演替，结果表明堆体温度对微生物群落变化产生了重要影响。利用高通量定量PCR技术，研究了猪粪中213种ARGs、44种MGEs和9种MRGs的消长情况。堆肥进程中，ARGs、MGEs和MRGs的多样性在高温期都有一定程度降低。相较于低温组，中、高温组堆肥对于ARGs多样性的削减作用更为明显。好氧堆肥对不同类型ARGs的去除效果差异明显，例如好氧堆肥对Beta lactamase和Glycopeptide类抗性基因的去除效果较好，而对大部分Aminoglycoside、MLSB类抗性基因的削减作用有限。同时研究了施用有机肥的农田土壤中ARGs和MGEs的污染特征，并对一类整合子intI1和大环内酯类基因ermF的宿主细菌多样性进行了探究。结果表明ARGs与土壤理化性质（总碳，总氮和有机质），重金属（Cu，Zn和Pb）和MGEs紧密相关，而与土壤pH或C/N没有显著关系。长期施用粪肥可能会加速农田土壤中抗生素耐药性的传播。.项目研究成果为畜禽粪便堆肥过程中抗生素耐药性的传播与扩散的风险评价提供参考依据，同时为规模化养殖业畜禽粪便的无害化、减量化处理提供科学依据。