微生物菌剂对猪粪好氧堆肥过程中重金属钝化、抗生素与抗性基因削减的影响研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:waitvl
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近年来,为促进动物生长和降低疾病风险,铜(Cu)和锌(Zn)等重金属元素和各种抗生素被频繁添加入畜禽养殖的动物饲料中。然而这些元素并不能被动物完全吸收,大部分随粪便排出且仍具备高度的活性,使得猪粪中耐药基因频繁被检测到,造成巨大的环境风险。目前对于畜禽粪便的最佳处置方式就是堆肥法。但是传统的堆肥法不仅周期长,且氮流失严重,不仅产生恶臭,还削弱了堆肥产品的农用价值。基于此,本研究以猪粪为堆肥原料,采用接种以黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)(简写为p)、黑曲霉(Aspergillus Niger)(简写为a)和地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)(简写为b)为主的系列复合菌剂进行好氧堆肥,探究了添加不同配比菌剂对堆肥效果、重金属钝化、抗生素去除、耐药基因削减以及堆肥过程中氮转化的影响,并探讨了其对畜禽粪便好氧堆肥过程中抗生素去除和耐药基因削减的机理。本实验首先通过高温筛选法从新鲜猪粪中筛选出20株嗜热菌,对其进行耐热性检验后,进一步筛选出LB1、LB5、GS1、GS2、GS3、GS4、GS6等7株耐热菌,并分别对其进行形态学观察。结合耐热性实验和形态学观察结果,选取LB1作为堆肥所添加的嗜热菌。并通过分子生物学鉴定为地衣型芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)。其次,本研究探讨了以黄孢原毛平革菌(p)、黑曲霉(a)和地衣芽孢杆菌(b)组合的一系列微生物复合菌剂对猪粪好氧堆肥效果、重金属钝化以及氮转化的影响。研究结果表明,在促进堆肥进程和腐熟程度的效果上,菌剂(b+p+a)>菌剂(b+p)>菌剂(p)。当b:p:a=1:5:5(生物量)时(处理D),种子发芽率指数(GI)在第16 d即达到80%,且C/N降低至11.4,效果最佳。在重金属钝化方面,钝化效果为:菌剂(p)>菌剂(b+p+a)>菌剂(b+p)。重金属Cu和Zn钝化效率在仅添加菌剂(p)时最高,钝化率分别达到69.7%和59.4%。在固氮效果方面,菌剂(b+p)>菌剂(b+p+a)>菌剂(p),当b:p:a=1:8:0(生物量)时(处理E),固氮效果最优,与处理B(CK)比,总氮和有机氮损失分别减少了17.3%和18.5%。在此基础上,进一步探讨了复合菌剂中不同菌株组成猪粪对多种抗生素和耐药基因同时削减和细菌群落结构的影响。结果表明,菌剂D(b:p:a=1:5:5,生物量)对四环素和土霉素的去除率最高(b:p:a=1:5:5,生物量)分别达到89.2%和87.8%,菌剂A(b:p:a=0:1:0,生物量)对多西环素和恩诺沙星的去除率最高分别达到98.6%和89%。与B组(对照)相比,处理D中除磺胺类药物外的耐药基因(ARGs)总相对丰度下降了1.059×10-3~6.68×10-2。且单独接种黄孢原毛平革菌能有效降低int I1和int I2。皮尔逊相关分析结果表明,堆肥的理化性质、微生物群落结构、抗生素抗性基因、移动遗传因子丰度与抗生素残留具有较强的相关性。抗生素残留量与Treponema2,Rikenellaceae RC9gutgroup,Streptococcus,Ruminococcaceae TCG-005,Lachnospiraceae XPB1014group,Ruminococcaceae TCG-002,Ruminococcaceae TCG-014和Acinetobacter呈现出强烈的正相关,表明这些菌属可能具有降解这些抗生素的能力,是潜在的降解菌属。Treponema2,Rikenellaceae RC9gutgroup,Ruminococcaceae TCG-005,Prevotellaceae TCG-003和Lactobacillus与大多数耐药基因呈正相关,表明这些菌属可能与耐药基因的传播密切相关。综上所述,我们对添加菌剂D(p+b+a)进行好氧堆肥去除抗生素和耐药基因的机制进行了探讨。菌剂被添加入堆体后,促进了发酵的生化反应,堆体的理化性质发生显著变化达到高温期,这些理化因子的变化是引起微生物群落结构变化的主要原因。随后,与抗生素的去除和耐药基因减少密切相关的菌属在微生物群落结构的剧烈演变中大量繁殖。它们在降解抗生素和减少抗性基因的同时,迅速提高了堆肥效率,最终达到了在较短时间内获得了良好的堆肥效果。
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