本文選題：好氧堆肥　切入點：抗生素　出處：《西北農(nóng)林科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：抗生素和重金屬由于具有防治動物疾病和促進動物生長的作用,被廣泛用于規(guī)�；B(yǎng)殖業(yè),導致了畜禽糞便中高濃度的抗生素、重金屬和抗生素抗性基因(ARGs)殘留。ARGs是一種新型環(huán)境污染物,可能通過水平基因轉(zhuǎn)移使人類致病菌獲得抗性,從而導致抗生素治療失效,嚴重威脅人類健康。好氧堆肥是畜禽糞便資源化利用的常用手段,堆肥產(chǎn)物的農(nóng)業(yè)利用也是ARGs進入環(huán)境的重要途徑。本文首先調(diào)查了規(guī)�；B(yǎng)殖場畜禽糞便中的ARGs賦存情況,以及工業(yè)堆肥技術(shù)對不同畜禽糞便中ARGs的影響。進一步采用實驗室模擬堆肥的方法研究了抗生素濃度、重金屬類型和濃度、重金屬鈍化劑以及溫度對ARGs的影響,分析了ARGs、MRGs、MGEs和細菌群落的關(guān)系,旨在探索促進好氧堆肥對ARGs削減效果的條件,并揭示不同因素影響ARGs變化的微生物學機理。取得的主要結(jié)果和結(jié)論如下:(1)從規(guī)�；B(yǎng)殖場動物糞便及其堆肥產(chǎn)物中檢出了豐富的ARGs類型和豐度,表明�；B(yǎng)殖場動物糞便是重要的ARGs儲存庫。不同動物糞便中的ARGs有顯著區(qū)別,整體上表現(xiàn)為雞糞和豬糞中的ARGs比牛糞更豐富。Network分析表明糞便和堆肥中的大量ARGs和MGEs之間存在共現(xiàn)情況。利用回歸分析建立了預(yù)測畜禽糞便和堆肥樣品中ARGs總豐度的方程。好氧堆肥對不同種類畜禽糞便中的ARGs影響不同,對雞糞和豬糞中的ARGs均表現(xiàn)為削減作用,且對雞糞中ARGs的削減效果更好。好氧堆肥輕微降低了肉牛糞中的ARGs總豐度,但提高了奶牛糞中的ARGs總豐度。冗余分析表明,轉(zhuǎn)座子豐度、重金屬Cu濃度和全氮含量差異是造成3種動物糞便及其堆肥產(chǎn)物中ARGs多樣性和豐度差異的主要原因。(2)不同土霉素處理的ARGs圖譜和細菌群落根據(jù)堆肥時間被區(qū)分開,且高濃度(200 mg/kg)土霉素對ARGs和細菌群落的影響更持久。高濃度的土霉素殘留增加了堆肥產(chǎn)物中5/8的ARGs和int1的絕對豐度和相對豐度,可能會促進這些ARGs在環(huán)境中的傳播和擴散。堆肥過程中細菌群落演替是ARGs變化的主要原因,相比之下添加土霉素不會影響堆肥過程ARGs的變化趨勢。好氧堆肥不能有效地去除奶牛糞中的大部分ARGs,堆肥產(chǎn)物中仍含有豐富的ARGs和抗生素抗性細菌,并檢測出攜帶ARGs的人類致病菌。除ARGs的絕對豐度和相對豐度,ARGs的形態(tài)及其宿主菌類型均應(yīng)被考慮納入堆肥產(chǎn)物生態(tài)風險評價的分析指標。(3)Cu-L(500 mg/kg Cu)、Cu-H(2000 mg/kg Cu)和Zn-L(2000 mg/kg Cu)處理顯著增加了堆肥產(chǎn)物中5種ARGs的豐度,Cu-H處理還顯著提高了堆肥產(chǎn)物中tetG和tetQ豐度。ARGs與MRGs之間存在共現(xiàn)情況,且整合子和轉(zhuǎn)座子是連接ARGs和MRGs的重要橋梁。Zn-H(15000 mg/kg)處理降低了堆肥產(chǎn)物中ARGs的總豐度,其中sul1、sul2和tetX豐度比對照低出0.51 1.87 logs,這可能是因為高濃度Zn的生物毒性大,殺死了這些ARGs的宿主菌。Cu和Zn在堆肥不同階段對ARGs的影響不同,可能與在堆肥不同階段細菌群落的組成差異有關(guān)。冗余分析的結(jié)果表明ARGs的變化同時受到MRGs、MGEs和細菌群落的影響,且在堆肥不同階段它們對ARGs的影響貢獻不同,證明重金屬對堆肥過程ARGs的影響是多種機制(如協(xié)同抗性、DNA損傷誘導細菌應(yīng)激反應(yīng)、毒性效應(yīng))的綜合效應(yīng)�？傮w看來,畜禽糞便中的重金屬增加了堆肥產(chǎn)物中ARGs豐度,提高ARGs的轉(zhuǎn)移能力,加劇了ARGs的生態(tài)風險。(4)添加3種鈍化劑至少降低了高Cu豬糞堆肥產(chǎn)物中6種ARGs的豐度,生物炭、沸石和粉煤灰堆肥產(chǎn)物中的ARGs總豐度分別比對照處理低81%、83%和74%。DTPA-Cu與MRGs之間無顯著相關(guān)性,且鈍化劑處理并未降低4種MRGs的豐度,表明鈍化劑并非通過削弱Cu的共選擇壓力而降低ARGs豐度。Network分析和冗余分析表明,添加重金屬鈍化劑降低了ARGs的宿主菌,是導致鈍化劑降低堆肥產(chǎn)物ARGs豐度的重要原因。鈍化劑處理對堆肥產(chǎn)物中整合子和轉(zhuǎn)座子豐度均有不同程度的降低,表明鈍化劑可以通過降低DTPA-Cu濃度抑制細菌間的水平基因轉(zhuǎn)移過程。(5)高溫期和腐熟期在好氧堆肥過程中ARGs的削減中均有重要作用。充分的高溫(普通高溫堆肥處理和連續(xù)高溫堆肥處理)顯著降低了5/10 ARGs和2種整合子的豐度,且它是降低tetC、tetG、tetQ和int1的必要條件。細菌群落演替和水平基因轉(zhuǎn)移均是引起堆肥過程中ARGs變化的原因。更高的溫度、更長的時間會減少ARGs的宿主菌(包括部分人類致病菌),抑制水平基因轉(zhuǎn)移過程,從而使產(chǎn)物中的ARGs豐度更低。連續(xù)高溫堆肥處理在降低ARGs、整合子和人類致病菌豐度方面均表現(xiàn)最好,可作為畜禽糞便循環(huán)利用的方法,以降低ARGs造成的環(huán)境風險。
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【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S141.4;X713
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本文編號：1609717