環保視角下農業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

自然環境中抗生素與抗性基因是共存的，人類在醫療和畜禽養殖中大量使用了抗生素，然而大多數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境基質，形成了較大的環境選擇壓力，促進了環境中抗生素抗性基因（ARGs）的產生[1]，全世界每年約有70萬人死于抗藥性感染，大部分發生在低收入和中等收入國家[2]，在全球范圍內，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]。目前研究人員已經在廣泛的環境中諸如河流[4]、水庫[5]、垃圾填埋場[6]、污水處理廠[7]、農田[8]等發現了ARGs及耐藥菌的存在。

好氧發酵，也稱高溫堆肥是農業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業廢棄物在厭氧消化及好氧堆肥過程中ARGs的豐度變化，發現好氧堆肥等農業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]。農業廢棄物在我國具有年均產量大、種類繁多的特點，其中主要有來自農業生產、農產品加工、畜禽養殖業和農村居民生活排放等農村生產生活過程中產生的廢棄物，其中農業生產秸稈在9億t左右[11]，作為好氧發酵的主要原料，有必要對廚余垃圾、農產品加工廢棄物（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）在協同好氧發酵過程中ARGs的消長規律進行研究。

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整。堆肥裝置的靜態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)監測堆肥容器表面以下25cm處的溫度，每隔4h或8h監測8次，同時記錄氣溫。其中FW為餐廚垃圾堆肥組，FWA為餐廚垃圾與綠化垃圾共堆肥組，FWB餐廚垃圾與米糠共堆肥組，數字代表堆肥時間。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，從而監測水分含量。根據國家有機肥標準(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（四環素類）、ant（MLS類）、sul（磺胺類）、cml（氯霉素類）、mph（MLS類）及meca（β內酰胺類）。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與環境因子的相關性結果（圖2）表明，acr與WSOM（水溶性有機質）、氮（N）、磷（P）均顯著負相關（p<0.05），與總有機碳（TOC）、有機質（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與環境因子的相關性熱圖