粪肥施用土壤抗生素抗性基因来源、转移及影响因素

随着新型抗生素开发速度的不断下降以及抗性基因(Antibiotic resistant genes,ARGs)的快速出现和传播,细菌抗药性和ARGs对公共健康存在威胁,被公认为当前全球亟待解决的难题。虽然土壤本底存在ARGs,但畜禽粪便施用等人类活动加速了ARGs在土壤环境中的扩散和传播。粪肥施入土壤后,其对土壤微生物的抗性选择压力及基因水平转移导致的ARGs扩散转移将持续存在。畜禽粪便中的抗性细菌所携带的ARGs、土壤中抗生素累积导致微生物产生的ARGs和粪肥刺激含有ARGs微生物的繁殖等均为土壤中ARGs的主要来源。土壤中ARGs可以向水体和农作物传移,并随着食物链向动物及人类传播。自然因素(温度、降水、时间和土壤类型)和人为因素(抗生素的含量和种类、粪便种类和处理方式、重金属含量及生物质炭添加)均会影响土壤中ARGs的持久和扩散。目前,粪肥施用土壤中ARGs污染对环境质量及健康的潜在影响并不完全清楚,建议加强模型建立、溯源、生物地理分布、从污染源向环境介质的转移规律、削减措施和机制等方面研究,以有效遏制ARGs在环境中的污染,真正做到畜禽粪便资源化、无害化利用。     

大薸对奶牛场废水中耐药基因的去除效果和驱动因子分析

为探究大薸对奶牛场废水的净化效果,该研究选用温室模拟培养结合高通量测序方法,研究大薸对奶牛场废水中耐药基因（Antibiotic Resistance Genes,ARGs）的去除效果及驱动因子。结果显示：对于奶牛场3种实际废水（原水、厌氧池和氧化塘废水）,大薸整体呈现良好的净化效果,废水中大部分ARGs的绝对丰度呈现正去除效果,在原水、氧化塘废水和低浓度厌氧池废水中,大薸处理后ARGs绝对丰度（lg值）分别下降0.25（ermA 和fexA）～3.66（blaOXA-1）、0.08（blaTEM-1）～3.51（strB）和0.09（fexA）～4.07（strB）,而对高浓度厌氧池废水,则仅有9/16的ARGs呈现正去除。经过大薸处理后,不同废水中的微生物多样性和丰度均升高,废水中优势菌种Proteobacteria和Firmicutes相对丰度下降,而Bacteroidetes 和Actinobacteriota相对丰度上升,相较于无植物处理组中微生物群落差异较大。RDA分析结果表明,优势菌属（Hydrogenophaga、Flavobacterium、Bacillus和Gemmobacter）结合环境因子对ARGs变化的解释率分别为77.67%和78.57%,网络分析结果亦表明,ARGs变化与微生物和环境因子密切相关。因此,大薸对ARGs的去除是通过微生物变化和环境因子改变等多种作用共同驱动的。研究结果可为畜禽污水中ARGs污染防控提供理论依据,有助于推动植物生态处理技术的绿色可持续发展。     

重金属复合污染下土壤微生物群落功能多样性动力学特征

用碳素利用法对浙江省天台铅锌银尾矿区重金属复合污染土壤微生物群落功能多样性动力学特征进行了初步探讨。研究结果表明 ,矿区重金属复合污染降低了供试土壤的微生物群落代谢剖面 ,且群落代谢剖面值与培养时间之间呈非线性关系 ,其变化过程符合微生物种群生长动态模型 (S形 )。随着重金属复合污染程度的加剧 ,土壤微生物群落功能多样性动力学参数K和r值越低 ,参数s值所需的时间则越长。上述动力学参数与群落代谢剖面各自的主成分分析结果显示 ,微生物群落功能多样性的动力学参数K值和s值能够很好地区分矿区土壤重金属污染程度 ,并且其区分效果比微生物群落代谢剖面值好。土壤微生物群落功能多样性动力学特征的变化可以较好地显示矿区重金属复合污染土壤微生物群落对碳源利用模式的差异 ,反映矿区特定生境土壤微生物群落功能多样性的变化 ,在一定程度上揭示重金属胁迫下环境微生物种群作用机理。     

土壤抗生素抗性基因研究进展及热点分析

抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）的产生和传播对全球公共健康产生巨大威胁。土壤作为ARGs的重要储存库和介质，已引起众多学者广泛关注。为全面了解土壤ARGs相关领域的研究进展及热点，本研究利用可视化软件VOSviewer和CiteSpace，基于Web of Science数据库，对2013–2022年发表的土壤ARGs领域相关文献进行计量学分析。结果表明，土壤ARGs相关研究的发文数量和被引频次逐年上升。我国在土壤ARGs领域的发文量最高，占总发文量的61.40%，且与澳大利亚、美国等27个国家合作紧密。四环素和磺胺嘧啶为该领域重点关注的抗生素类型；大肠杆菌作为模式菌一直是土壤ARGs领域备受关注的微生物类型。不同时期土壤ARGs研究热点存在明显差异：初期关注的重点方向为ARGs的认识和定量，随后引起较多关注的是ARGs源解析及其与微生物的内在联系，而对ARGs传播扩散和归趋相关研究已成为现今科学家关注和研究的热点。     

铜和强力霉素复合污染对土壤微生物与酶活性的影响

当前土壤环境中重金属和抗生素的广泛共存及二者复合存在所诱导出的细菌抗性,与单一物质的污染相比,均能够加剧对土壤质量和作物安全的破坏。在在实验室模拟培养条件下,向土壤中加入不同浓度的重金属(铜)和抗生素(强力霉素),探讨抗生素和重金属复合污染对土壤微生物呼吸、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性和四环素抗性基因的丰度等土壤微生物指标的影响。结果显示,在整个培养期(30 d)内,铜和强力霉素单一及复合污染均会显著抑制土壤微生物呼吸强度,对脲酶活性主要表现为促进作用,对蔗糖酶、过氧化氢酶活性主要为抑制作用,对过氧化氢酶活性的抑制强度明显大于蔗糖酶。综合而言,铜和强力霉素的复合污染相对于单一污染对上述微生物指标的影响较大,强力霉素的加入可以促进铜对微生物呼吸或酶活性的初始影响。此外,该研究还表明添加为400mg·kg~(–1)铜可以提高强力霉素在土壤培养中后期诱导的抗性基因相对丰度的能力水平。本研究从微生物角度定量探讨铜与强力霉素单一及复合污染对土壤微生物指标的影响程度,以期为重金属与抗生素协同污染的土壤构建微生物预警体系,并为土壤修复和风险评估工作提供理论依据。     

内生菌-植物联合修复污染土壤研究进展

环境污染对生态系统及人类健康造成严重威胁。近年来,许多学者研究发现内生菌联合植物修复体系对修复自然环境中的重金属和有机物具有巨大的潜力。本文主要从内生菌联合植物进行污染修复的机理和应用两方面入手,介绍了内生菌接种宿主植物根、茎、叶部的几种方法及定殖的检测方法,总结了污染土壤中内生菌在植物组织内的定殖动态,以及内生菌-植物联合体系强化有机物污染和重金属污染修复效果的应用,并从内生菌调节生长因子、生物固氮和溶磷、在宿主植物体内的共代谢有机物、产生特异性酶降解有机物、提升植物对重金属抗性和降低重金属毒性几个方面解释了内生菌和植物的联合修复机理。最后指出,虽然已经有许多对于内生菌联合植物修复体系的研究,但是目前两者相互作用机理尚未完全清楚,对于多种内生菌组合体系以及处理水体和大气污染的研究并不完善,这些都将成为今后的研究重点。     

我国畜禽粪肥还田对农田土壤抗性基因积累的影响综述

畜禽养殖粪肥还田导致抗生素及抗性基因(ARGs)在农田土壤中的残留与传播,农作物及土壤动物亦受到影响。论文以长期施用粪肥的农田为主要研究对象,在充分的文献阅读基础上,阐述了我国畜禽养殖粪肥所导致的农田生态系统中ARGs的残留情况,重点分析了我国农田土壤中ARGs的污染扩散程度以及粪源ARGs的传播路径,概述了粪肥种类和预处理技术等粪肥条件对还田土壤中ARGs水平的影响,并对后续研究提出了建议和展望。     

铁/锰氧化菌诱导土壤重金属生物成矿研究进展

综述了铁锰氧化菌诱导成矿对重金属环境行为的影响,分别从铁/锰氧化菌与生物成矿、铁/锰氧化菌诱导铁锰氧化物沉淀耦合重金属稳定化以及铁锰氧化物对土壤中重金属的作用方面进行阐述;并从铁/锰氧化菌生物成矿方式、铁/锰氧化菌诱导生物成矿过程对土壤重金属的稳定化机制等方面进一步总结了铁/锰氧化菌在不同重金属生物成矿修复中的应用,以及微生物诱导成矿过程的调控因素,分析胞外聚合物、温度与酸碱度、共存离子和其他因素对成矿过程的影响,以期为微生物诱导成矿修复重金属污染提供理论参考。未来工作可进一步关注生成矿物稳定重金属的长效性,不同微生物菌群组合对成矿效果的调控,以及铁/锰氧化菌在重金属复合污染场地土壤修复中的应用等方面。     

河套灌区盐渍土壤原核生物群落特征及其潜在功能研究

辨明盐渍土原核生物群落特征及潜在功能对盐渍化程度和土地利用类型的响应，对理解盐渍土壤元素循环与植物互馈效应、构建良性循环农田生态系统具有重要意义。以河套灌区不同盐渍化程度的农田和荒地为研究对象，结合土壤基本理化性质分析与原核生物高通量测序方法，探究盐渍化土壤中原核生物的群落组成特征、环境驱动要素及其潜在功能。结果表明，农田土壤盐渍化程度显著低于荒地，其原核生物多样性更高，特别是富集了大量农田特有的ASV（扩增子序列变体，amplicon sequence variant）；原核生物的群落组成在农田和荒地间差异最大，并主要受到土壤电导率（EC）、pH和有机质（SOM）等环境因子的驱动。基于群落组成和功能预测的差异分析结果表明，盐渍化农田中具有较高丰度的氮循环相关微生物以及潜在的植物促生菌，如亚硝化球菌（Nitrososphaeraceae）、亚硝化单胞菌（Nitrososmonadaceae）、诺卡氏菌（Nocardioidaceae）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonadaceae）等；而盐渍化荒地富集了以盐杆菌（Halobacterota）为代表的古菌和具有烃类化合物分解功能的原核生物类群。本研究对于明晰北方灌区盐渍土原核生物群落特征与土壤微环境的互馈关系、揭示土壤养分周转对提升土壤-植物-微生物跨域有益协同具有指导意义。     

多氯联苯污染农田土壤的细菌群落结构差异及其影响因素

应用PCR-DGGE技术分析多氯联苯长期污染农田土壤的细菌群落结构,并主要运用统计学方法探讨了多氯联苯总量和土壤理化因子对细菌群落结构的影响。结果显示:不同水平多氯联苯污染农田土壤中细菌群落结构存在差异,较高水平多氯联苯(64.0~484.5 ng g-1dw)污染土壤的细菌群落结构较为接近;相对于其他土壤理化因子(如有效磷、pH、有机质等),多氯联苯显著影响农田土壤中的细菌群落结构(p<0.05)。这表明在多氯联苯胁迫下土壤细菌整体群落结构发生改变,提示多氯联苯污染对土壤微生物生态的影响,这可能导致土壤生态环境质量发生变化,是潜在的生态风险因素。     

Effects of long-term manure applications on the occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) in paddy soils: Evidence from four field experiments in south of China

Most studies of the effects of manure amendment on the occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) in soil employ the investigation of grab samples or short-term laboratory studies. However, the effects of long-term manure applications on antibiotics, ARGs and their vertical distribution in paddy soil in field experiments are lacking. We assessed the concentrations of antibiotics, ARGs and their vertical distribution in paddy soil receiving long-term manure applications in four field experiments. High concentrations of tetracyclines were detected in most manured soils, while sulfonamides were not detectable. Long-term manure amendments generally increased the antibiotic concentrations and ARGs abundances in the paddy soil over decades. However, in some sites such significant trends of ARGs could not be observed. The abundance of ARGs was statistically correlated with antibiotics and soil properties including pH and soil organic matter (SOM), indicating their importance in the selection of resistance genes. Tetracyclines could be detected in soil at different depths and the concentrations of tetracyclines and abundance of ARGs generally decreased with increasing soil depths.     

Effects of Initial Total Solids on Composting of Raw Manure with Biogas Recovery

A batch anaerobic composting process was investigated to evaluate the potential for biogas recovery from animal manure under the worst scenario of high initial solids and non-well adapted microorganisms. The effects of composting time and initial total solids content on biogas recovery and reduction of solids during anaerobic digestion of swine, poultry and beef manure were studied. Volatile solids reductions averaged 10% or less over a 30-day period for all initial solids contents, which was considerably lower than expected. Reductions in VS increased slightly as initial solids content in the reactor decreased. Reductions in COD were somewhat higher than for VS. The pH values were fairly stable during the composting experiments and within the range suitable for anaerobic digestion. Decreases in TKN and ammonia nitrogen during the process were insignificant, and greater decreases were observed for lower initial solids content in the reactors. Cumulative biogas production increased with decreasing solids content in the reactor for all types of manure. For the lowest initial solids contents (12-14%), swine manure produced more biogas, but at the higher initial solids contents there was little difference among the manure types. Biogas yields were about 0.5 m³/kg VS consumed for the lowest solids contents; however, yields were only about 0.2 m³/kg VS consumed for the higher initial solids. Methane content of the biogas samples averaged 49%. Based on these results, it appears that adapting microbial populations in the high solids feedstock may obtain reasonable biogas production rates and VS reduction during anaerobic digestion. Although some differences in results among the three types of manure were noted, they were not large and likely would not be significant with adapted microbial populations.     

恩诺沙星对厌氧发酵过程中水解酶活性及 沼气产量的影响

兽用抗生素因其具有防病、促生长的作用被广泛应用于畜禽养殖业,而在畜禽粪便发酵生产沼气的过程中,残留在畜禽粪便中的抗生素可能会抑制沼气发酵过程。该文以猪粪和玉米秸秆为原料,采用自行设计的恒温厌氧发酵装置,研究了外源添加恩诺沙星(ENR)对猪粪厌氧发酵过程中水解酶活性及产气量的影响。结果表明,添加20 mg·kg?1、60 mg·kg?1和120 mg·kg?1恩诺沙星条件下,猪粪厌氧发酵初期不同浓度恩诺沙星对纤维素酶和脲酶活性有显著抑制作用(P0.05);厌氧发酵的前15 d,添加20 mg·kg?1恩诺沙星对蔗糖酶活性有一定的激活作用(P0.05),添加60 mg·kg?1和120 mg·kg?1的恩诺沙星对蔗糖酶活性有抑制作用(P0.05);猪粪厌氧发酵后期,恩诺沙星对纤维素酶、脲酶和蔗糖酶活性影响不显著(P0.05)。在发酵产气速率增长期的第5~11 d和21~31 d,添加20 mg·kg?1、60 mg·kg?1和120 mg·kg?1恩诺沙星对沼气产气速率有明显抑制作用(P0.05);而在发酵的第31 d后,添加各浓度恩诺沙星对沼气产气速率影响不大。在整个50 d的厌氧发酵过程中,与不添加恩诺沙星的对照相比,添加20 mg·kg?1、60 mg·kg?1和120 mg·kg?1恩诺沙星处理的总产气量分别减少7.38%、12.08%和15.77%。可见,恩诺沙星影响了猪粪厌氧发酵过程中水解酶活性和沼气产气速率及产气量,在厌氧发酵不同阶段,恩诺沙星对不同水解酶活性和产气速率影响也不同。该文研究结果可为无害化处理含恩诺沙星的畜禽粪便及提高厌氧发酵效率提供参考。     

畜禽粪便与玉米秸秆厌氧消化的产气特性试验

为设计厌氧消化器的有效容积提供参考,该文研究了不同混合比例下的粪便与秸秆在厌氧消化过程中的膨胀特性,同时在35℃条件下,采用批次模拟厌氧消化,对3种典型畜禽粪便和3种不同贮存方式的玉米秸秆进行中温厌氧产气特性试验,分析了6种典型物料的产气规律。试验结果表明:猪粪在厌氧消化过程中会发生膨胀,且干物质含量越高,膨胀系数越大;3种典型畜禽粪便以猪粪的产气效果最好,干物质产气量达到375.5mL/g;不同贮存条件下农作物秸秆的理化特性对产气特性有很大的影响,3种贮存条件的玉米秸秆以黄贮秸秆的产气效果最好,干物质产气量达到445.8mL/g。该文为物料贮存条件选择和优化厌氧消化工艺提供了依据和参考。     

麦秸生物炭添加对猪粪中温厌氧发酵产气特性的影响

为探明不同热解温度生物炭添加对猪粪中温厌氧消化产气的影响,以400、500、600℃热解制成的麦秸生物炭（BC400、BC500、BC600）为研究对象,采用批次发酵试验,探讨了生物炭添加对猪粪中温（37±1）℃厌氧发酵产气特性的影响。研究结果表明：麦秸热解生物炭可显著（P<0.05）提高猪粪发酵系统的产气潜力和甲烷含量,其影响从大到小依次为BC600>BC500>BC400。厌氧发酵49 d期间,添加生物炭处理的产气量和产甲烷量分别为260.7~288.7 mL·g-1 VS和163.7~185.5 mL·g-1 VS,较纯猪粪处理提高了77.1%~96.1%和78.1%~101.8%。同时,添加生物炭可明显提高猪粪厌氧发酵系统的消化效率（T90）,缩短厌氧发酵的延滞期。不同热解温度麦秸生物炭对猪粪厌氧消化产气特征的影响明显不同,对畜禽养殖场沼气工程运行中的物料选择和条件优化有实际的指导意义。     

膨润土改善鸡粪厌氧消化产酸产甲烷特性

为探究膨润土对鸡粪厌氧消化过程中产甲烷特性和可溶性有机酸代谢特性的影响,采用L8(23)正交试验设计,以鸡粪添加量(有机负荷率)、膨润土添加量和接种量为三因素,每个因素设置2个水平,研究了中温条件下(35±1)℃膨润土添加对鸡粪厌氧消化过程中产酸和产甲烷特性的影响。结果表明:与对照组相比,低有机负荷条件下,膨润土添加能显著(P0.05)提高鸡粪挥发性固体(volatile solid,VS)产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了22.72%、27.72%(膨润土添加量不同的组差异不显著(P0.05));高有机负荷条件下,膨润土添加能极显著(P0.01)提高鸡粪VS产甲烷量,添加量为3.0%和1.5%时VS产甲烷量分别提升了78.68%和55.41%(膨润土添加量不同的组差异显著(P0.05))。当鸡粪添加量为19.91 g挥发性固体,膨润土添加量为3.0%(占干基比)和接种量为80 m L(体积分数20%)时,单位挥发性固体产甲烷量最高为301.92 m L/g,比对照组高87.8%,此时可变成本也最低为2.43元/m~3,比两对照组分别低1.29和1.68元/m~3。方差分析表明:膨润土添加可提高鸡粪厌氧消化过程中挥发性脂肪酸,pH值,可溶性有机碳和可溶性无机碳的稳定性。膨润土可加强鸡粪厌氧消化系统的稳定性,降低产甲烷的可变成本,为膨润土强化鸡粪厌氧处理提供了试验验证据。     

适宜水分和养分提高土壤中磺酸二甲嘧啶降解率

医疗和养殖过程中抗生素的广泛使用导致了土壤环境中抗生素的污染。为了解进入农田土壤中抗生素的降解规律,该文以养殖业广泛使用的磺胺二甲嘧啶和2种不同养分水平的土壤为试验材料,采用盆栽方法研究了肥料种类(有机肥、NPK肥、N肥、PK肥等)、耕作强度(翻耕、免耕)、水分条件(长期干燥、长期湿润、干湿交替、长期潮湿)及种植作物(种植蔬菜、不种蔬菜)对土壤中磺胺二甲嘧啶降解的影响。结果表明,与不施肥处理比较,施用有机肥、NPK肥、N肥可促进土壤中磺胺二甲嘧啶在土壤中的降解,并以施用有机肥的效果最为明显;但施用PK肥对土壤中磺胺二甲嘧啶的降解影响不明显。翻耕可促进土壤中磺胺二甲嘧啶的降解,干湿交替、长期湿润比长期干燥和长期潮湿土壤环境下更有利于磺胺二甲嘧啶的降解。种植蔬菜比不种蔬菜土壤的磺胺二甲嘧啶的降解率高,根际土壤中磺胺二甲嘧啶的降解高于总体土壤。高养分土壤中磺胺二甲嘧啶的降解一般高于低养分土壤。分析认为,施肥、土壤养分水平、种植蔬菜对土壤中磺胺二甲嘧啶的降解的影响可能主要与这些因素改变了土壤微生物活性有关;翻耕可促进土壤中抗生素的光降解强度。研究认为,施肥、耕作和水分管理可以在一定程度上加速土壤中磺胺二甲嘧啶的降解。     

土壤宏基因组学研究方法与进展

土壤微生物驱动着土壤中的物质循环和养分转化。在土壤学的研究中,长期将土壤作为一个黑箱系统来对待,对其中的生物组成及其参与的生化过程知之甚少。土壤中绝大部分微生物目前尚难以分离培养,因此基于传统的培养方法对于认识土壤微生物群落组成和功能有其局限性。宏基因组学直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,或通过测序探究环境中微生物的群落结构和功能(序列驱动),或构建宏基因组文库,筛选新的基因或生物活性物质(功能驱动),克服了传统培养方法的缺陷,极大地丰富了对土壤微生物多样性及其功能的认知。本文在综述土壤宏基因组学研究基本流程的基础上,重点介绍了日益重要的第二代测序平台在土壤宏基因组学研究中的应用及其产生的海量数据的分析处理方法,并简要探讨了宏基因组学在土壤微生物生态学中的应用。最后,作者建议在国家层面上展开相关土壤宏基因组学研究,调查微生物群落及其变化,为生物资源开发、农业生产和环境保护作出应有的贡献。