環(huán)保視角下農(nóng)業(yè)廢棄物處理問題研究——以微生物抗生素抗性基因研究為例

廣西大學 陳鴻城，馬大朝

自然環(huán)境中抗生素與抗性基因是共存的，人類在醫(yī)療和畜禽養(yǎng)殖中大量使用了抗生素，然而大多數(shù)抗生素不能完全被代謝，幾乎30-90%的抗生素通過尿液和糞便的排泄進入環(huán)境基質(zhì)，形成了較大的環(huán)境選擇壓力，促進了環(huán)境中抗生素抗性基因（ARGs）的產(chǎn)生[1]，全世界每年約有70萬人死于抗藥性感染，大部分發(fā)生在低收入和中等收入國家[2]，在全球范圍內(nèi)，每年約有21.4萬名新生兒死于抗生素耐藥性病原體導致的感染[3]。目前研究人員已經(jīng)在廣泛的環(huán)境中諸如河流[4]、水庫[5]、垃圾填埋場[6]、污水處理廠[7]、農(nóng)田[8]等發(fā)現(xiàn)了ARGs及耐藥菌的存在。

好氧發(fā)酵，也稱高溫堆肥是農(nóng)業(yè)廢棄物處理處置與資源化的重要技術。普通高溫堆肥不能夠達到有效殺滅ARGs宿主菌的溫度，部分潛在宿主即便被殺死也不能夠使其DNA結構完全降解，因而其中的ARGs仍舊被保存下來[9]。大量的學者研究了畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物在厭氧消化及好氧堆肥過程中ARGs的豐度變化，發(fā)現(xiàn)好氧堆肥等農(nóng)業(yè)廢棄物處理方法并不能完全將原料中的ARGs完全去除，部分ARGs相對豐度甚至在處理過程中有所增長[10]。農(nóng)業(yè)廢棄物在我國具有年均產(chǎn)量大、種類繁多的特點，其中主要有來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村居民生活排放等農(nóng)村生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的廢棄物，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)秸稈在9億t左右[11]，作為好氧發(fā)酵的主要原料，有必要對廚余垃圾、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物（本實驗主要使用蔗糖廠濾泥）、植物纖維性廢棄物（本實驗主要采用稻殼、落葉等）在協(xié)同好氧發(fā)酵過程中ARGs的消長規(guī)律進行研究。

本研究相關實驗在180L的(6×30L)不銹鋼容器中進行。原料用研磨機粉碎成2mm-8mm的顆粒，然后與成熟的堆肥/稻殼手動混合。FW和成熟堆肥的混合物用于FM，而米糠代替成熟堆肥作為FR的對照。兩種處理的初始含水率都約為38%，在整個84h的堆肥過程中沒有進行任何調(diào)整。堆肥裝置的靜態(tài)通風是通過自然通風進行的。在堆肥的0、6、28、60和84小時采集樣本，并根據(jù)堆肥材料的溫度變化進行測試。將圓柱形取樣器插入距底部約5cm的6個測試容器中同時旋轉，然后取出取樣器，獲取上、中、下三個部分的樣品組合成一個復合樣品。樣品在分析前儲存在-20℃的冰箱中。用中溫傳感器(PT100)監(jiān)測堆肥容器表面以下25cm處的溫度，每隔4h或8h監(jiān)測8次，同時記錄氣溫。其中FW為餐廚垃圾堆肥組，F(xiàn)WA為餐廚垃圾與綠化垃圾共堆肥組，F(xiàn)WB餐廚垃圾與米糠共堆肥組，數(shù)字代表堆肥時間。電導率(EC)用電導率儀測定，pH值用pH指示劑測定。在105°C的烘箱中干燥新鮮固體樣品直至恒重，從而監(jiān)測水分含量。根據(jù)國家有機肥標準(NY525-2012)測定了土壤中總有機碳(TOC)和氮（N)、磷（P）的含量。

抗生素抗性基因的相對豐度結果表明，樣品的理化性質(zhì)檢測結果如表1所示。從ARGs亞型豐度熱圖（圖1）來看，總豐度前10的ARGs分別為bacA（桿菌肽類）、lun(林可霉素類)、erm(MLS類)、fos(磷霉素類)、tet_efflux（四環(huán)素類）、ant（MLS類）、sul（磺胺類）、cml（氯霉素類）、mph（MLS類）及meca（β內(nèi)酰胺類）。這10種ARGs除meca外在所有樣品中均有檢出，桿菌肽類抗生素抗性基因（如bacA）被認為是一種廣泛存在于各種環(huán)境中的抗性基因，在每個種群中都有很高的豐度，不同種群之間的豐度幾乎相同，且它的同系物可以在153個屬中(ARDB)找到[12]。

圖1 總相對豐度（RPKM）前50的抗生素抗性基因熱圖

總相對豐度前20的ARGs與環(huán)境因子的相關性結果（圖2）表明，acr與WSOM（水溶性有機質(zhì)）、氮（N）、磷（P）均顯著負相關（p<0.05），與總有機碳（TOC）、有機質(zhì)（OM）呈顯著正相關（p<0.05）。nora與含水率（moisture）在0.001

圖2 總相對豐度（RPKM）前20的ARGs與環(huán)境因子的相關性熱圖