四环素在水虻-微生物联合系统中的环境行为及影响机制

The tetracycline residue in livestock manure has become a threat to the ecological health of earth environment. As decomposers, black soldier fly larvae (BSFL) have the ability to decompose manure and antibiotics, which play an important role in the ecological cycle of the earth. The pre-project confirmed that the decomposing rate of chicken manure and tetracycline by BSFL with microorganisms was obviously higher than that by microorganisms. This fact has strong application value for the treatment of manure containing antibiotics. But the environmental behavior and its influence mechanism of tetracycline is unclear in the system of black soldier fly larvae – microorganisms. Therefore, one chicken manure field existing BSFL will be studied in this project. In the field, the rule of transportation and conversion of tetracycline and its influence mechanism is to be revealed by using the ‘microcosm’ experiment method. The effect of tetracycline-environmental behavior on the micro-ecology will be studied by using metagenomics, microcalorimetry and resistance gene test. Finally, the environmental behavior of tetracycline and its influence mechanism in the system will be explained, which will provide the theoretical basis to develop the BSFL-microorganisms decomposing system and construct the healthy ecological cycle of livestock breeding.

畜禽粪便中四环素等抗生素残留问题已对环境生态健康构成威胁，资源昆虫水虻作为环境分解者，拥有高效分解粪污及抗生素的能力，是地球环境生态循环中的重要一环。项目前期证实了鸡粪及四环素在水虻与微生物联合作用下的分解明显优于单独的微生物分解，具有重要应用价值，但四环素在水虻与微生物联合干预下的环境地球化学行为机制仍不清楚。因此，本项目拟以已引入水虻分解的鸡粪堆置场为研究对象，采用“微宇宙”实验研究鸡粪中四环素的分布特征，揭示四环素在环境各要素内的迁移转化规律，同时结合宏基因组学、微量热及抗性基因检测等技术，通过多学科交叉的研究模式，从微生物群落演替、热代谢及抗性基因等方面揭示四环素迁移转化过程对环境微生态的影响机制，为正确评价抗生素在水虻与微生物联合系统中的环境地球化学行为提供理论依据，同时，为进一步高效利用水虻与微生物联合系统，构建畜禽养殖健康生态和地球环境绿色循环奠定理论基础。

畜禽粪便中四环素等抗生素的残留问题已对环境生态健康构成威胁，资源昆虫水虻作为分解者，拥有高效分解粪污及抗生素的能力，是地球环境生态循环中的重要一环，但四环素在水虻与微生物联合干预下的环境地球化学行为机制仍不清楚。因此，本项目采用“微宇宙”实验研究了鸡粪中四环素的分布特征，揭示了四环素在环境各要素内的迁移转化规律；同时采用宏基因组、LC-MS及抗性基因检测等技术，揭示了四环素迁移转化过程中与环境微生态和环境因子的相互影响机制。. 结果显示，四环素在水虻-微生物系统12天的降解率达到97%，比自然发酵高1.6倍，这种高效降解作用主要来自于水虻的肠道微生物，它使无菌水虻对四环素的降解率提高了两倍。同时，通过对肠道微生物的筛选及离体和回接试验，我们获得了四株高效的且与水虻有协同降解作用的微生物。此外，菌群演替和tet基因检测结果表明水虻肠道微生物中的细菌和真菌群落结构因四环素的影响而发生较大改变，相应的四环素抗性基因在肠道中表达量增加，这为水虻抵抗和降解四环素提供了生物学基础。通过对四环素降解产物的鉴定，我们发现了四种可能的生物降解中间产物、两种水解产物和三种钝化产物，它们揭示了四环素的降解包括水解、氧化、脱氨基、脱甲基、开环和酶修饰作用。另一方面，水虻-微生物系统在12天的转化鸡粪过程中可以有效降低四环素抗性基因和整合子基因的丰度，减少率95.0%，显著高于传统自然发酵组（48.4%）和无菌水虻组（88.7%）。对鸡粪中各环境要素的进一步分析表明，鸡粪的pH值、总氮含量和四环素类抗生素含量与菌群演变和目标基因的削减具有良好的相关性。水虻肠道的选择性压力、水虻的抑菌作用以及对鸡粪中营养元素的快速消耗可能是水虻快速削减抗生素抗性基因的主要机制。. 上述结果为正确评价抗生素在水虻与微生物联合系统中的环境地球化学行为提供了理论依据，同时，为进一步利用高效水虻与微生物联合系统、构建健康的畜禽养殖生态循环和绿色地球环境奠定理论基础。