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粪污抗生素抗性基因传播和去除关键驱动因素方面取得新进展

重金属、抗生素和抗生素抗性基因是畜禽粪便中主要的有害物质,特别是抗生素抗性基因传播日益受到关注。明确粪污抗生素抗性基因传播和去除关键驱动因素,对于降低粪污有机肥农用抗生素抗性基因传播风险具有重要意义。

南京土壤研究所王兴祥研究团队通过典型地区调查,明确了畜禽粪便中抗生素和重金属的污染特征,发现了抗生素抗性基因传播的主要驱动因子及相关路径,明确了工程化厌氧和好氧发酵体系下影响抗生素和抗生素抗性基因去除的关键因素。主要结果如下:

1、四环素类抗生素和铜、锌在畜禽粪便中残留量较高,其中仔猪粪便残留浓度高于其他动物粪便。磺胺类(SAs)、氟喹诺酮类、大环内酯类抗生素和镉、砷在畜禽粪便中含量相对较低,在不同动物粪便类型之间差别不大。以仔猪粪便为例研究发现,虽然SAs残留量不高,但SAs显著影响细菌群落结构组成,SAs含量与抗性基因和移动遗传元件存在显著的相关性。通过网络分析发现有10个属与抗性基因的水平转移有关(MAB),26个属与抗性基因的垂直基因转移有关(AB)。最后利用结构方程模型解析了SAs诱导下抗性基因的主要传播途径,即SAs-MAB-AB-ARGs和SAs-AB-ARGs。

2、厌氧发酵过程中抗生素的降解主要发生在前21天,磺胺类抗生素的去除率明显高于其他类型抗生素。与抗生素降解相关的关键微生物菌群主要是厚壁菌门和拟杆菌门,关键酶基因主要是脱氨酶、肽酶、C-N连接酶、脱羧酶和烷基芳基转移酶基因。厌氧发酵过程中的丙酸积累是影响抗生素生物降解的关键因素,高浓度的丙酸会抑制关键微生物菌群和关键酶基因。

3、好氧堆肥过程中四环素类、磺胺类和大环内酯类的罗红霉素等抗生素降解率较高,而氟喹诺酮类抗生素的降解率较低。好氧发酵对抗生素抗性基因的去除主要发生在升温期和高温期,抗生素降解是抗生素抗性基因丰度降低的主要原因,而温度主要是通过影响抗生素浓度间接影响抗生素抗性基因的丰度,高温(>55℃)天数可作为衡量温度作用的重要指标。杆菌肽类抗性基因在堆肥过程中较难去除,枯草芽孢杆菌是该类抗性基因的主要宿主,意味着有机肥生产中加入生防菌枯草芽孢杆菌可能会加剧杆菌肽类抗性基因传播的风险。虽然沼渣堆肥较猪粪直接堆肥存在升温慢、高温期持续时间短等问题,但厌氧发酵结合好氧堆肥更有利于抗生素和抗生素抗性基因的去除。

该研究成果先后发表在Journal of Hazardous Materials 和Bioresource Technology上。研究工作得到了江西省重点研发计划重大专项“畜禽粪污无害化及资源化利用技术与设备研发”(20182ABC28006)的资助。

论文链接:123

 


磺胺类对关键宿主及抗生素抗性基因的影响及路径解析

丙酸对抗生素降解关键微生物菌群和关键酶基因的影响

好氧发酵过程中影响抗性基因去除的关键宿主及环境因子


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