猪粪高固体厌氧发酵中抗生素抗性基因消长及驱动因子分析

The overuse of antibiotics in livestock and poultry breeding industry results in the producing of antibiotic resistance genes (ARGs) in environment. With the land use, animal manure has become one of the main sources for ARGs entering into soil environment. The effective disposal of animal manure is a key step for reducing the environmental risks of ARGs. Anaerobic digestion is an important approach to treat animal manure. Especially the high solid anaerobic digestion has become a hot research topic for many advantages. However, the existing researches mainly focus on the fate of ARGs in low solid anaerobic digestion system. The fate of antibiotic resistance genes and its drivers in high solid anaerobic digestion system of swine manure is rarely studied. This study will focus on the high solid anaerobic system with swine manure, and the starting mode is set to control the start stage, acidification stage and stable stage etc. Then the following will be studied: (1) the fate of ARGs and mobile genetic elements will be analyzed under different reaction stages; (2) the microbial community structure characteristics will be illuminated, and the relationship of microbial community and ARGs will be stablished, to exploit the potential host bacterium for ARGs; (3) the driving effects of microbial community structure, mobile genetic elements and environmental factors on ARGs variation will be comprehensively studied to determine the main drivers of ARGs and evaluate the starting modes of high solid anaerobic digestion. The study will provide the theoretical foundation for exogenous methods of controlling anaerobic conditions to prevent ARGs contamination and transmission.

抗生素在养殖业大量使用导致了抗生素抗性基因（ARGs）的产生，畜禽粪便农用已成为ARGs进入土壤环境的主要途径之一，因此对畜禽粪便的有效处置对降低ARGs环境风险至关重要。厌氧发酵技术是畜禽粪便主要处置方式之一，尤其是高固体厌氧发酵技术已成为研究热点，然而，目前研究主要集中于低固体厌氧发酵中ARGs归趋，对粪便高固体厌氧发酵中ARGs消长机制及驱动因子研究未见报道。本项目通过不同启动方式，控制高固体厌氧发酵经历启动期、酸化期、稳定期等阶段，并针对不同阶段研究如下内容：（1）明确高固体厌氧发酵过程中ARGs及可移动遗传元件消长规律；（2）分析微生物群落结构，建立微生物群落与ARGs关系，挖掘ARGs潜在宿主菌；（3）探索微生物群落、可移动遗传元件、环境因子等对ARGs消长的驱动作用，确定主导驱动因子，并对不同启动方式进行评估。为采用外源手段干预厌氧发酵工艺防止ARGs污染传播提供理论依据。

高固体厌氧发酵技术已成为养殖场固体粪便处理的主要技术之一，然而猪粪中含有多种耐药基因（ARGs），不同类型ARGs在高固体厌氧发酵过程中的消长机制是否相同，以及在不同反应阶段ARGs的驱动因素是否相同等问题仍需进一步明确。本项目以猪粪高固体厌氧发酵体系为研究对象，利用宏基因组学和高通量测序等手段，研究不同启动方式下厌氧发酵体系中耐药基因的消长机制和驱动因素。首先，针对不同启动方式下厌氧发酵体系产气性能和ARGs的行为归趋进行研究，结果表明，快速启动方式可以使得体系甲烷累计产量增加3.1-7.3倍，猪粪中共有922种耐药基因本定量检出，它们大部分属于多重耐型，所有ARGs的相对丰度有所降低，大部分ARGs的绝对丰度呈下降趋势，这种下降主要表现为外排泵类ARGs的减少；其次，高固体厌氧发酵体系内细菌和古菌的分析结果表明，快速启动方式有助于甲烷八叠球菌丰度的增加，从而可以促进甲烷产生量；最后，针对不同反应阶段下ARGs的驱动因素进行解析，结果表明，再启动阶段和酸化阶段，ARGs变化由微生物、MGEs和环境因素共同驱动，产气阶段，ARGs主要受16S和一些未知因素共同驱动，而结束阶段，ARGs的主要驱动因素是16S和微生物；此外，关于ARGs潜在宿主菌的研究表明，大约80%的ARGs潜在宿主菌属于厚壁菌门，而厚壁菌门菌在产气阶段具有最低丰度，因此厚壁菌门的变化直接影响着ARGs的变化。综上所述，本项目的研究结果可以促进高固体厌氧发酵技术的发展，为外源手段调控ARGs污染提供理论基础和科学依据。