典型兽用抗生素污染对沼气发酵过程中微生物多样性及酶活性的影响

Along with the rapid development of stockbreeding, antibiotics were widely used in livestock and poultry industry as veterinary medicine and feed additives, resulting in the higher concentrations of veterinary antibiotics residue in manure. The livestock and poultry manure can be effectively used to produce biogas on the basis of biogas fermentation technology for realizing the harmless treatment and energy conversion of manure. However, the antibiotic residue in manure is one of the reasons for inefficient operation of biogas fermentation. This project takes the swine manure biogas fermentation system as the carrier, through using the method of molecular ecology, studies on the microbial diversity in succession and dynamic change features of hydrolase activity under the stress of typical veterinary antibiotics pollution during the biogas fermentation, obtains the correlation between microbial diversity changes and fermentation performance, including the hydrolase activity, the biogas production and gas production rate. This research aims to reveal the inhibitory effects of veterinary antibiotics pollution on fermentation properties, discuss the main factors and mechanism of veterinary antibiotics on biogas fermentation process from the microbial ecology, which would provide microbial parameters and lay a foundation for the design and optimization of biogas fermentation process.

随着畜牧业的快速发展，抗生素作为兽药和饲料添加剂被广泛应用于畜禽养殖业中，导致畜禽粪便中含有较高浓度的兽用抗生素残留量。沼气发酵技术可以有效地利用畜禽粪便来生产沼气，实现畜禽粪便的无害化处理和能源化转换，然而，畜禽粪便中残留的兽用抗生素成分是造成沼气发酵低效运行的原因之一。本项目以猪粪沼气发酵系统为载体，利用分子生态学方法，研究典型兽用抗生素污染胁迫下猪粪沼气发酵运行过程中微生物群落结构多样性的演替规律及水解酶活性的动态变化特征，初步掌握微生物多样性变化与水解酶活性、沼气产气量、产气速率等发酵性能之间的相关性，进而揭示兽用抗生素污染对猪粪沼气发酵系统的抑制规律，以期从微生物生态学角度探讨分析兽用抗生素影响沼气发酵过程的主要因素及内在机制，为沼气发酵条件和发酵过程优化设计提供微生物基础参数，为畜禽粪便沼气发酵处理的设计和优化提供技术支持和理论依据。

兽用抗生素被广泛应用于畜禽养殖业，抗生素通过口服或肌肉注射进入动物体内很少被内脏器官吸收利用，大部分会以原药和代谢产物的形式残留在畜禽粪便中。沼气发酵技术可以利用畜禽粪便生产沼气，然而残留在畜禽粪便中的抗生素会使沼气发酵的产气效率出现不同程度的下降。本研究以猪粪便的沼气发酵系统为主要研究载体，以土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶为兽用抗生素的典型代表，研究兽用抗生素胁迫下沼气发酵过程中微生物群落多样性的演替规律、水解酶活性变化特征和沼气产气率等指标的变化。由AWCD值、Shannon指数和Simpson指数分析所得的微生物多样性试验结果表明，在厌氧发酵启动期对照组的微生物群落与功能多样性指数最高，在厌氧发酵稳定期所有处理的微生物群落和功能多样性指数基本一致，在厌氧发酵末期，添加抗生素浓度为120mg/kg试验组的微生物群落和功能多样性指数最高。水解酶活性试验结果表明，发酵初期不同浓度的土霉素和恩诺沙星对纤维素酶和脲酶活性都有明显抑制作用，而20mg/kg浓度的磺胺二甲嘧啶对脲酶活性表现为促进作用，土霉素对淀粉酶活性具有抑制作用，低浓度恩诺沙星促进了蔗糖酶活性，而60mg/kg和120mg/kg浓度的恩诺沙星则抑制了蔗糖酶活性，发酵末期高浓度的磺胺二甲嘧啶促进了脱氢酶活性。产气速率试验结果表明，添加抗生素的试验组，其产气速率均呈现先升高后降低的趋势。试验组与对照组相比，产气速率峰值出现的时间均延后，并且添加抗生素浓度越高峰值越小，表明添加抗生素延迟了产气速率峰值出现的时间，抑制了产气量。抗生素对厌氧发酵pH值的影响很小。随着厌氧发酵的进行，3种抗生素的浓度都不断降低，在发酵结束时土霉素的去除率达到60%以上，恩诺沙星和磺胺二甲嘧啶的去除率均在70%以上。