鸡粪堆肥中细菌群落变化规律及与重金属、抗生素和养分的相关性研究

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dong_0622
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随着我国养鸡业的迅速发展,产生了大量的粪便,给环境带来了污染。为研究鸡粪、堆肥发酵及发酵鸡粪施肥后土壤中细菌群落变化规律,探究重金属、抗生素残留及养分对细菌群落的影响,同时研究抗生素耐药基因消减情况,本研究采集鸡粪、鸡粪发酵堆肥及施肥土壤样品,采用16S rRNA高通量测序技术研究鸡粪-堆肥-土壤中细菌群落变化,分析潜在病原菌、益生菌的种类及丰度;测定样品中重金属、抗生素和养分含量,使用PCR检测了17种耐药基因,使用qPCR检测了5种耐药基因的相对丰度,分析重金属、养分、抗生素及其耐药基因含量在鸡粪-堆肥-土壤中的变化情况;分析重金属、养分、抗生素及抗生素耐药基因与细菌群落的相关性,探讨养分、重金属、抗生素对细菌群落、耐药基因的影响。高通量测序结果表明,在门水平,鸡粪及堆肥中以Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes 4个菌门为主,在土壤中以Proteobacteria,Acidobacteria和Firmicutes 3个菌门为主。在属水平,各组具有不同的优势物种,在组FM(鲜鸡粪)、FC(一次发酵)、SC(二次发酵)、Pd(有机肥成品)、FS(施肥土壤)和CS(未施肥土壤)中,相对丰度最高的分别为Bacteroides(12.9%)、Pseudomonas(7.9%)和Ignatzschineria(7.9%)、Paucisalibacillus(6.8%)、Halomonas(14.3%)、unidentifiedAcidobacteria(1.6%)和Sphingomonas(1.6%)。共发现10个潜在病原菌属和10个潜在益生菌属,随堆肥过程变化,潜在病原菌属的相对丰度从37.2%降至3.4%,益生菌从5.8%升至7.1%。施肥后,土壤中病原菌降低至0.91%。同一重金属在堆肥过程中浓度呈波动变化,与组FM相比,所有检测重金属的浓度在堆肥发酵后均显著上升(p<0.05)。在土壤中,除镉(Cd)外,重金属含量在施肥前后无显著变化(p>0.05),与组Pd中重金属浓度相比,砷(As)、铬(Cr)、镍(Ni)和铅(Pb)在土壤中浓度较高,锌(Zn)和铜(Cu)在土壤中浓度较低。在组FM(鲜鸡粪),不同抗生素的浓度差异较大,其中磺胺嘧啶(SDZ)浓度最高(10.98 mg/kg),恩诺沙星(ENR)浓度最低(0.05 mg/kg)。经堆肥发酵后,抗生素均有效降解,其中氧氟沙星(OFL)、ENR、土霉素(OTC)在组Pd中显著低于组FM(p<0.05),SDZ和强力霉素(DC)在组Pd中的浓度都低于检测限。在土壤样品中,抗生素SDZ、DC和OTC的浓度均低于检测限,ENR和氨苄西林(AMP)含量在施肥后显著高于施肥前(p<0.05)。在堆肥过程中,样品中pH值、全钾(TK)和全磷(TP)含量逐渐上升,并在堆肥后(组Pd)显著升高(p<0.05),有机质(OM)和全氮(TN)含量在堆肥过程中呈波动变化,并且都在堆肥后(组Pd)显著下降(p<0.05)。施肥后,土壤中TN含量上升了0.05 g/kg、TK和TP含量显著上升至14.98 g/kg和1.59 g/kg(p<0.05)。整体来看,各类耐药基因在组FM中检出率较高,为50%-100%,此外,堆肥对四环素类耐药基因的削减作用较大,堆肥后未检出基因。qPCR结果显示,基因ermB和aac(6’)-Ib-cr的相对丰度在组Pd中显著下降(p<0.05),基因blaCTX-M在组Pd中低于检测限,而基因sul1和tetM的相对丰度在堆肥后增加。在土壤中,基因aac(6’)-Ib-cr的相对丰度低于检测限,而基因sul1、ermB和tetM的相对丰度在施肥后显著下降(p<0.05)。对环境因子与菌群的相关性进行分析,结果显示菌群α多样性与重金属和养分指标显著相关(p<0.05)。CCA分析表明重金属是影响菌群结构的主要环境因子。VPA分析显示重金属对菌群分布的的解释量最大(54.75%),其次为抗生素(46.04%)和养分(33.87%),三者对菌群分布的共同解释量为7.67%。此外,菌属Psychrobacter、Atopostipes和Corynebacterium1同时与抗生素、重金属、养分和抗生素耐药基因有显著正相关性,以上菌属可能为耐药基因的宿主菌,与耐药基因的富集有关。结果表明,鸡粪经堆肥后可降低抗生素残留、病原菌以及耐药基因相对丰度,但抗生素及耐药基未完全消减。施用发酵鸡粪有机肥可有效抑制土壤中病原菌、降低抗生素耐药基因的丰度,同时促进土壤中益生菌的生长及养分的积累。相关性研究表明养分、重金属和抗生素可直接或间接影响菌群中耐药基因的水平,同时菌群结构变化也可影响耐药基因的水平。
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