生物炭对土壤中抗生素及其抗性基因变化的影响研究

摘要

近年来，由于畜禽养殖业中抗生素的滥用及其诱导产生抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes，ARGs）的传播，导致粪便受纳土壤成为抗生素和ARGs的储存库。抗生素和ARGs可通过食物链对人类健康产生威胁。生物炭（Biochar）常用作农田土壤的改良剂和污染修复剂，但使用生物炭对土壤和植物体中抗生素和ARGs的累积和转运的影响仍不清楚。因此，本文系统研究了3种畜禽养殖场（猪场、鸡场和肉牛场）粪便堆放地和使用粪便的菜地土壤中抗生素及ARGs的赋存情况，分析了影响ARGs分布的主要因素；并以土霉素（Oxytetracycline, OTC）为典型污染物，研究其在不同类型生物炭土壤中的吸附情况；探讨了吸附性能最强的生物炭对土壤中OTC降解和ARGs变化规律的影响；通过盆栽试验进一步研究了 OTC、ARGs及 intI1在添加生物炭的土壤和生菜系统的转运和累积，分析了土壤细菌和生菜内生菌的结构变化，明确了 ARGs与OTC和微生物群落间的关系，揭示了土壤和生菜中ARGs变化的主要机制。本研究的结果为评价土壤中抗生素和ARGs生态风险及消减其危害提供理论依据。主要研究结论如下：
　　（1）畜禽粪便的堆放和农用使得养殖场土壤中含有大量的ARGs、抗生素和重金属。以猪场粪便堆放地土壤的ARGs、抗生素和重金属含量最高，其次为鸡场，牛场最低。养殖场土壤中ARGs的绝对丰度为未施粪便农田土壤的2.62倍以上。11种ARGs中，以酶修饰基因tetX的绝对和相对丰度最高，其次是核糖体保护基因sul1、sul2和外排泵基因tetG，它们是畜禽养殖场土壤中的优势基因。粪便堆放地土壤中四环素类抗生素浓度为0.15~4.76 mg/kg，磺胺类抗生素浓度为0~2.62 mg/kg，明显大于未施粪的农田土壤。细菌结构分析表明堆粪地和菜地土壤的细菌属水平结构明显不同于未施粪的农田土，主要表现在Actinomadura、Lysobacter、Flavobacterium和Bacillus等菌属丰度的差异。冗余分析和Network分析表明土壤中铜和锌、放线菌门和四环素类抗生素是引起养殖场土壤ARGs分布差异的主要原因。
　　（2）利用小麦秸秆、玉米秸秆和苹果树枝为前驱材料在500℃制备3种生物炭，并对其理化性质进行表征。苹果树枝生物炭交换阳离子的能力大于小麦秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭。苹果树枝裂解后的生物炭的碳含量（66.1％）为小麦秸秆和玉米秸秆生物炭的1.9和1.3倍。苹果树枝生物炭的表面积（126.6 m2/g）为玉米秸秆生物炭和小麦秸秆生物炭的1.7和48.7倍。相比于小麦秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭，苹果树枝生物炭具有更高的芳香化结构和比表面积，可作为吸附材料用于土壤OTC污染的修复试验。
　　（3）小麦秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭和苹果树枝生物炭提高了土壤对OTC的吸附能力，以苹果树枝生物炭对OTC的吸附量最大，达4.24 mg/g。Freundlich模型能较好的描述OTC在添加生物炭土壤中的吸附过程（R2>0.9）。添加生物炭土壤对OTC的吸附主要由分配作用主导，其次是π-π电子供体-受体作用的表面吸附。准二级动力学模型能很好的拟合OTC在添加生物炭土壤上的吸附动力学过程（R2=1）。吸持过程可以分为前期快速反应和中后期慢速平衡两个阶段。土壤溶液中 pH、离子强度和铜浓度均影响含有生物炭的土壤对OTC的吸附。
　　（4）苹果树枝生物炭有助于降低土壤中OTC，缩短OTC在土壤中的半衰期。土壤中tetG的绝对和相对丰度最高。添加生物炭降低了tetG和四环素类抗性基因的相对丰度。土壤的AWCD值随着土培时间的延长逐渐降低，培养60 d时，生物炭处理的土壤微生物碳源代谢能力高于未施加生物炭处理。皮尔森相关性表明添加生物炭对土壤中ARGs丰度的下降与细菌群落碳源代谢变化和OTC的降解有显著关系（P<0.05）。
　　（5）苹果树枝生物炭可降低土壤、生菜根和叶中 OTC的积累和转运，也减少了ARGs和人类致病菌的丰度。在OTC浓度为300 mg/kg的污染土壤中添加生物炭能使土壤、生菜叶和根中OTC残留浓度较未施加生物炭处理显著降低10.66%、39.0%和30.1%（P<0.05）；ARGs相对丰度分别下降44.1%、51.8%和43.4%。细菌群落的演变是影响ARGs和 intI1变化的主要机制。添加生物炭处理中厚壁菌门的减少可能是导致四环素抗性基因缩减的原因。
　　综上所述，畜禽养殖场粪便堆放地和农用地的土壤中含有大量的ARGs、抗生素和重金属残留。添加苹果树枝生物炭增加了土壤对OTC的吸附能力，加速了土壤中OTC的生物和非生物降解，降低了土壤、生菜叶和根中OTC和ARGs的累积和转运。生物炭可有效消减土壤中OTC和ARGs，是一种良好的土壤修复剂。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 文献综述

1.3研究内容与技术路线

第二章 畜禽养殖场土壤中抗生素和抗性基因的赋存特征研究

2.1 材料与方法

2.2结果与分析 ARGs相对丰度

2.3 讨论

2.4 结论

第三章 不同原料生物炭的制备及其特性表征

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 讨论

3.4 结论

第四章 生物炭对土壤中土霉素的吸附行为研究

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 讨论

4.4 结论

第五章 生物炭对土壤中土霉素降解及抗性基因变化的影响

5.1 材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 讨论

5.4 结论

第六章 生物炭对降低土壤和生菜中土霉素、抗生素抗性基因和人类致病菌的影响

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3 讨论

6.4 结论

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 研究创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢

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