抗生素对堆肥中关键功能微生物驱动硝化作用的影响机制研究

High temperature aerobic composting is an effective approach for stabilizing livestock waste via the biological degradation of organic matter, which has been shown to be effective in reducing the levels of persistent organic pollutants such as veterinary antibiotics. This study aims to illuminate the mechanism and effect of residual antibiotics in livestock manure on the nitrification during composting. Real-time PCR and 16S rDNA High-Throughput Sequencing techniques will be employed to characterize the effect of antibiotic contents and antibiotic resistance genes (ARGs) on nitrification rate, and aims to light the influences of antibiotics on the structure of ammonia oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea communities, and the abundance of amoA gene. Then the structural equation model (SEMs) is adopted to reveal the interaction among the nitrification rate in composting, the concentration of antibiotic, the abundance of resistance gene, the microhabitat factors, the community structure of key functional microbial, and the abundance of amoA gene. Based on Gene Co-expression Network Analysis prediction method, ARGs, the key factors microhabitat, the activity of key functional microorganism, and the nitrification rate regulating technical system will be established. This study can provide a technical support for reducing nitrogen loss in compost and promoting innocuity and resource livestock manure compost.

高温好氧堆肥是无害化处理和资源化利用畜禽粪便的重要途径之一。针对畜禽粪便中残留的抗生素对堆肥硝化作用的影响机制研究不足等问题。本研究利用实时定量PCR和16S rDNA高通量测序技术手段，拟阐明抗生素的含量和抗生素抗性基因对堆肥中硝化速率的响应规律，以及抗生素对功能微生物氨氧化细菌和氨氧化古群落结构和关键因子amoA基因丰度的影响。结合结构方程模型，揭示堆肥过程中硝化速率与抗生素含量和抗性基因丰度、微生境因子、关键功能微生物群落结构和amoA基因丰度的交互作用机制。利用基因共表达网络调控分析的预测方法，建立堆肥过程中抗生素抗性基因-微生境关键影响因子-关键功能微生物活性-硝化速率调控技术体系。为减少堆肥中氮素损失，促进含畜禽粪便的无害化处理及资源化利用提供技术支撑。

高温好氧堆肥是无害化处理和资源化利用畜禽粪便的重要途径之一。针对畜禽粪便中残留的抗生素对堆肥硝化作用的影响机制研究不足等问题。项目利用实时荧光定量 PCR和16S rDNA高通量测序技术手段，阐明了抗生素对堆肥中硝化速率的响应规律，以及抗生素对功能微生物群落结构和关键功能基因丰度的影响。结合结构方程模型，建立了堆肥过程中硝化速率与抗生素含量和抗性基因丰度、微生境因子、关键功能微生物群落结构和功能基因丰度的交互作用机制。鸡粪中残留的抗生素直接影响堆肥的进程和堆肥产品的质量。通过比较了三种不同浓度的抗生素（土霉素）对鸡粪堆肥过程中氮转化和细菌群落多样性的影响，揭示了抗生素的含量对细菌群落的演替具有显著影响，抗生素对硝化细菌的抑制作用导致堆肥过程中氨态氮转化为硝态氮的含量减少。在堆肥过程中，添加抗生素可以抑制堆肥过程中核心微生物的生长，导致堆肥过程中硝化作用的延迟效应。利用16SrRNA测序进行功能预测，表明氮转化可能受到细菌群落代谢多样性和活性的影响。通过网络分析，鉴定出四种与氮转化有关的核心微生物。抗生素的胁迫使核心微生物发生了变化，出现了芽孢杆菌和嗜热菌，抑制了氮的转化。为了减少堆肥过程中抗生素对硝化作用的负面影响，可以通过调控核心微生物来减少氮素的损失。因此，本研究为减少堆肥过程中的氮损失提供了指导，有助于降低堆肥产品的环境风险。