微生物多样性16s助力好氧堆肥过程微生物互作和抗性基因去除机

　　我国人用和兽用抗生素使用量大，兽用抗生素年使用量高达8。4万吨，是美国的6倍、英国的150倍，其使用后7080随排泄物释放到环境中，严重危害了水生态健康。好氧堆肥是一种微生物群落驱动的固体发酵过程，涉及到多种功能微生物协同互作，并最终将大分子有机物转化为稳定的、无植物毒性的腐殖质前体物质。同时，好氧堆肥过程也被证明能有效的去除畜禽粪便中包含的抗生素基因（ARGs），而不同的好氧堆肥处理条件（底物类型、底物碳氮比和投入品添加）对ARGs的去除具有不同的影响。
　　为了评估不同处理对工业级好氧堆肥的微生物群落演替和ARGs动态的影响，揭示工业级好氧堆肥过程中ARGs的去除机制，山东大学郭卫华教授团队以常见的畜禽粪便作为好氧堆肥的底物，通过高通量扩增子测序技术和定量PCR技术对微生物（细菌、真菌）群落和ARGs进行了时间动态检测，结合网络分析、路径分析和方差分解分析评估了驱动ARGs动态变化的主要因素，系列研究成果发表在BioresourceTechnology、ScienceoftheTotalEnvironment和EnvironmentalPollution上。
　　揭示好氧堆肥嗜热微生物的互作模式，堆肥底物更高的微生物易利用养分维持好氧堆肥体系的稳定
　　在好氧堆肥过程中，嗜热微生物在大分子物质降解方面发挥了关键的作用。为了探究不同堆肥底物对好氧堆肥过程中微生物（细菌和真菌）群落演替过程和微生物互作网络的影响，本研究对牛粪、蘑菇渣、鸡粪和猪粪堆肥过程中细菌和真菌群落的动态变化进行测定，并构建了微生物的互作网络，发现微生物主要通过正向的互作参与微生物互作网络的形成；稀有种在维持微生物互作网络稳定方面发挥关键作用；牛粪（RC）和蘑菇渣（RM）处理组的微生物互作网络复杂度要小于鸡粪（RF）和猪粪（RP）堆肥处理组；对各个处理组的纤维素酶和半纤维素的酶活和酶谱的分析表明，相比于RF和RP，RC和RM中纤维素酶和半纤维素酶的表达更为高效，说明RP和RF中更多的微生物易利用养分抑制了纤维素酶和半纤维素酶的表达。结合上述结论，我们提出提出堆肥底物更高的微生物易利用养分维持好氧堆肥体系的稳定。
　　评估了堆肥底物碳氮比对ARGs去除的影响，明确影响细菌群落是驱动ARGs变化的关键因素
　　山东大学郭卫华教授课题组在ScienceofTheTotalEnvironment期刊上发表了堆肥过程中底物CN比诱导抗生素抗性基因的变异及去除机制的研究论文。
　　抗生素的滥用及排放会造成细菌产生耐药性以及抗生素抗性基因（Antibioticresistancegenes，ARGs）的传播和扩散。堆肥对大部分抗生素具有好的降解效果，作为一种经济、环保的技术，被广泛应用于农业和畜牧养殖领域有机废物的处理。微生物作为堆肥过程的主要参与者，其群落的演替与堆肥过程中有机质、抗生素、重金属和耐药基因（ARGs）等物质的动态变化密切相关。通过微生物多样性测序和定量PCR技术可以分别对堆肥过程中微生物和抗生素抗性基因的动态进行监测，帮助研究者从微观角度更深入地理解堆肥过程中的分子机制发生过程。
　　为全面了解在堆肥过程中抗生素去除的潜在机制，分析了不同CN比堆肥中，理化性质、细菌群落组成、真菌群落组成、抗性基因（ARGs）和可移动遗传元件（Mobilegeneticelements，MGEs）的动态变化。细菌群落主要由Firmicutes和Actinobacteria组成，而真菌群落主要由Ascomycota组成。在堆肥过程中，细菌和真菌之间主要是负相关。堆肥后，LL（CN26）中ARGs的去除效率高于HL（CN35），而MGEs在HL中完全降解。ARGs相对丰度的大幅减少可能是由于潜在宿主细菌属bacterialgeneraAdvenella，Tepidimicrobium，Proteiniphilum，Acinetobacter，Pseudomonas，FlavobacteriaandArcbacter受到抑制。研究结果揭示了细菌群落组成在的演替发挥了重要作用。
　　细菌群落是决定ARGs分布的关键因素，而真菌群落通过影响细菌群落结构组成来影响ARGs。这项研究揭示了真菌群落对ARGs的影响，并揭示了不同堆肥处理对ARGs去除的潜在机制。
　　评估了生物炭添加对工业级好氧堆肥的影响，揭示了ARGs相对丰度在堆肥腐熟期回弹的原因
　　牲畜粪便中大量抗生素抗性基因（ARGs）的存在对生态系统构成了迫在眉睫的严峻安全风险。为了进一步探究生物炭添加对工业级好氧堆肥的优化效果及全好氧堆肥阶段的ARGs动态变化机制，研究者构建了四个好氧堆肥处理（RF，芦苇鸡粪；RFC，芦苇鸡粪10生物炭；RP，芦苇猪粪；RPC，芦苇猪粪10生物炭），评估了堆肥初始阶段（0d）、升温阶段（24d）、高温阶段（2550d）和腐熟阶段（71d）的细菌群落和ARGs的动态变化。
　　结果表明，生物炭添加对好氧堆肥理化性质、细菌群落多样性、细菌群落结构以及ARGs构成没有显著影响。影响ARGs动态变化的关键因素是细菌群落组成，ARGs的潜在宿主是和。嗜热细菌的保留和初始细菌的繁殖是成熟阶段ARGs增加的主要原因。
　　在好氧堆肥过程中，ARGs和可移动基因元件（MobileGeneticElement，MGEs）的相对丰度总体呈现先降低后升高的趋势。通过普鲁克分析和线性回归分析发现，ARGs受到细菌群落和可移动遗传元件的显著影响，结合方差分解分析的量化发现，细菌群落是决定ARGs构成的决定性因素。基于这个结论，借助SourceTracker微生物溯源分析程序对高温末期和腐熟期的细菌群落进行溯源，结果发现嗜热微生物的保留和初始微生物的再次生长构成了高温末期和腐熟期细菌群落的主要部分，而未知来源的细菌可能来自于空气介质的传播。总体而言，本研究强调了生物炭添加对工业级好氧堆肥的优化需要进一步探究以及需要借助有效的手段抑制ARGs在堆肥腐熟期的回弹。
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