科研|豬糞與棉稈共堆肥過程中微生物群落和環境變數對抗生素抗性基因的貢獻

來自專欄微生太

導讀

為了降低環境中抗生素耐葯基因(ARGs)的傳播，該篇論文利用豬糞與棉桿混合堆肥，共進行40 d，通過添加不同濃度泰樂菌素，對不同時間節點樣本的理化參數進行測定，結合qPCR以及16S rRNA細菌多樣性分析，對堆肥過程中細菌丰度、種類以及不同環境因子、潛在寄主細菌與ARGs之間的關係進行研究，進一步了解影響ARGs傳播的主要驅動因素，為ARGs的清除提供數據支撐。

論文ID

原名：Contributions of the microbial community and environmental variables to antibiotic resistance genes during co-composting with swine manure and cotton stalks

譯名：豬糞與棉稈共堆肥過程中微生物群落和環境變數對抗生素抗性基因的貢獻

期刊：Journal of Hazardous Materials

IF：6.434

發表時間：2018年

通信作者：Jie Gu

通信作者單位：西北農林科技大學

實驗設計

本試驗採用42*42*55.5 cm（長*寬*高）的塑料泡沫箱作為堆肥容器，設置三種不同泰樂菌素濃度，以不添加泰樂菌素進行比較研究，進行牛糞-棉桿混合堆肥。基於不同時間節點下泰樂菌素殘留量以及堆肥理化性質，結合Illumina Hiseq2500高通量測序分析，從而了解不同時間節點下不同微生物群落，不同堆肥環境因子和ARGs之間相關性關係。

實驗內容

1. 堆肥過程中ARGs丰度的變化

基於qPCR技術，在堆肥原料中共檢測到3.8*109copies kg-1的ARGs拷貝數。雖然溫度被認為可以有效的減少或鈍化ARGs，但在升溫期（2 d）時，總的ARGs丰度較初始相比反而提高了1.6-1.7倍。到堆肥結束時（40 d），Tly 75的ARGs丰度高於Tly 25和Tly 50，但與空白組相比差異不顯著（p>0.05），而Tly 25和Tly 50的ARGs丰度分別降低了34%和39%（圖1a）。整個堆肥過程中，可能由於泰樂菌素的降解，添加泰樂菌素的處理組其ARGs丰度並沒有增加。

進一步評價ARGs在總細菌群落中的變化中，在升溫期（2 d），各組ARGs相對丰度分別下降了61%（CK），56%（Tly 25），45%（Tly 50），69%（Tly 75）。隨堆肥進行，CK和Tly 75的ARGs相對丰度變化趨勢相同，而Tly 25和Tly 50呈現不規律性（圖1b），說明整個堆肥過程中，ARGs的變化受到諸多複雜因素的影響。

2. 堆肥過程中微生物群落的組成

基於高通量測序，在17個樣本中共獲得了1482348個質量序列，在97%相似度下得到了50337個可操作的分類單元。在門水平上主要包括厚壁菌門，變形菌門，擬桿菌門，放線菌門，綠彎菌門，芽單胞菌門等；與空白相比，在升溫階段（2 d），添加泰樂菌素的處理組中，攜帶ARGs的厚壁菌門和放線菌門相對丰度呈現上升趨勢，而變形菌門和擬桿菌門相對丰度下降。

屬水平上， Clostridium_sensu_stricto_1， Corynebacterium_1， Pseudomonas， Psychrobacter和Acinetobacter在原料中相對丰度顯著高於其他樣本。在細菌群落變化上，作者發現，與添加泰樂菌素濃度相比，堆肥時間對細菌群落結構影響作用更大。因此，在考慮對細菌群落結構影響方面，除了泰樂菌素濃度，還應該充分考慮其他方面因素。

3. ARGS堆肥參數與潛在寄主菌的相關性

基於Spearman相關性分析，分析了主要優勢細菌屬和堆肥不同理化參數之間的關係，作者發現，NH4+-N和溫度分別與68.6%和45.7%的細菌具有相關性關係（圖3）。進一步分析了與ARGs之間的呈現正相關的主要細菌屬，通過繪製代謝網路圖，作者發現，與ARGs之間的呈現正相關的主要細菌屬主要分布於厚壁菌門（8個），變形菌門（7個），放線菌門（5個），擬桿菌門（3個）等，通過分析發現，每個細菌屬可與多個ARG共存，同時每個ARG也有多個潛在的寄主細菌（圖4）。

利用進一步RDA進一步分析了堆肥理化參數和潛在寄主細菌之間的關聯，作者同樣發現，潛在寄主細菌可通過堆肥時間的進行而分開。在所有的可變因子中，NH4+-N，含水率以及溫度對於潛在的寄主細菌的影響幾乎同樣重要（圖5）。

4. 堆肥過程中ARG動力學的確定性驅動.

進一步了解本試驗堆肥過程中所有因素對ARG的影響作用效果，作者選擇了25中潛在的寄生細菌，不同堆肥理化因子，不同泰樂菌素濃度,整合基因以及可供生物利用重金屬離子進行冗餘分析，通過分析作者發現，所選各種因子可以解釋本研究中97.4%的總變異度，其中堆肥時間對與ARG的影響要高於不同泰樂菌素濃度對ARG的影響。由於高溫可以降解泰樂菌素，不同堆肥理化因子可以解釋42.6%的總變異度，而不同泰樂菌素濃度僅解釋6.8%的總變異度（圖6）。其中，不同堆肥理化因子對ARG影響的貢獻主要是由於它們對潛在寄主細菌的影響，從而解釋了不同堆肥理化因子對潛在宿主細菌變化78.4%的總變異度的影響（圖5）。通過以上分析，作者發現，由於堆肥是一個動態的過程，它受到多種微生物種群的綜合活性的影響，因而其中ARGs的變化更多地取決於潛在寄主細菌的動態變化，而不是由整合子和重金屬生物有效組分的選擇壓力所決定。

結 論

研究結果表明：（1）添加低濃度的泰樂菌素對堆肥體系中ARG的丰度和微生物群落的動態幾乎沒有影響;（2）在堆肥過程中，微生物群落組成是ARGs的主要驅動因素，同樣也受相關的環境參數的影響; （3）大環內酯抗性基因與殘留的泰樂菌素濃度有顯著的相關性，此外，本研究中，整合基因以及可供生物利用的重金屬對ARGs的影響較小，但仍不可忽視，需要在今後的研究中被進一步證實。

點 評

堆肥進程中，高溫可以有效降解抗生素殘留，但其過程中對抗生素耐藥性基因的主要影響主動因素卻不明確。通過作者的研究可以了解到，堆肥過程中抗生素的降解以及抗性基因的清除與微生物群落密切相關，同樣，堆肥是一個複雜的動態變化過程，在今後研究的研究過程中，應從多方面考慮，除了高溫對抗生素的降解外，不同環境因子對微生物的生長的影響，進而微生物對抗生素的降解也不可忽視。

想獲得更多的免費學術資料嗎？想認識更多的小夥伴嗎？請加微信wxid_qk4bijnecwf322，審核過後會將您邀請進學術群。這些微信群旨在為微生態研究者提供交流平台，而且我們會通過網路舉辦一系列的微生態研究技術講座，分享一系列相關研究文獻，舉辦一系列交流研究成果的學術活動。您也可以關注《微生太》公眾號，獲得更多更全關於菌群的動態。

你可能還喜歡：