城市污泥厌氧-好氧联合处理过程中抗生素抗性基因的归趋和削减机理研究

Treatment and disposal of sewage sludge from municipal wastewater treatment plant (hereafter called municipal sludge) is one of the key issues in the environmental protection field in China recently. Land application as a soil amendment or organic fertilizer after proper treatment is a promising method. Since municipal sludge is rich in Antibiotic Resistance Genes (ARGs), the treatment prior to land application should effectively reduce ARGs levels. Combined anaerobic-aerobic treatment of municipal sludge can not only recover biogas, but also improve the quality of final product for land application. However, the fate and reduction of ARGs in the municipal sludge during the combined treatment processes is still unclear. By combining high-throughput real time PCR and high-throughput sequencing technology, this project intends to study the effects on the diversity and abundance of ARGs by operating parameters in anaerobic digestion (temperature, total solid content, and hydraulic retention time, etc.), and in subsequent aerobic composting (temperature and aeration, etc.). By analyzing the relationship among the key environmental factors, composition and evolution of microbial community, changes of mobile genetic elements, and ARGs reduction, the reduction mechanism of ARGs in the combined anaerobic-aerobic processes was revealed. The successful implementation of this project is of great significance in controlling the spread of antibiotic resistance during utilization process of municipal sludge.

城市污泥处理处置是我国近年来环境保护领域关注的重点问题之一。妥善处理后用作土壤改良剂或有机肥料土地施用是一种有前景的利用方法。由于污泥中含有大量抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes，ARGs），土地施用前的处理应有效削减ARGs水平。厌氧-好氧联合处理城市污泥不仅可以回收生物能源沼气，还改善了最终处理物的土地施用性能，但联合处理过程中ARGs的归趋和削减情况还不清楚。本项目拟结合高通量实时荧光定量PCR和高通量测序技术，研究城市污泥厌氧消化过程操作参数（温度、固含量和水力停留时间等）和后续好氧堆肥过程操作参数（温度和通氧量）对ARGs削减的影响规律。通过分析联合处理过程关键环境因子、微生物群落结构组成及演替、移动基因元件的变化和ARGs削减间的相互关系，解析ARGs的削减机理。本课题的成功实施将对城市污泥资源化利用过程中控制抗生素抗性的传播具有重要意义。

城市污泥是抗生素抗性基因（ARGs）的重要富集位点，其资源化利用的同时削减ARGs对控制抗生素抗性的传播具有重要意义，现有研究对ARGs污染的控制关注较少。本项目从研究城市污泥高含固厌氧消化（固含量10%）对ARGs的消减情况入手，中高温条件下长期跟踪监测ARGs的变化情况；发现中高温厌氧消化对ARGs的丰度及种类均具有一定的削减作用，尤其对外排泵机制的MFS和Mex类ARGs更有效。经中高温厌氧消化后，分别有26%和29%的ARGs信号强度有所降低，但中温消化后有更多的ARGs信号增加，说明高温厌氧消化适合于脱水污泥原料的ARGs削减。环境因子(TOC、pH和温度)是影响ARGs的重要因素。在无稀释脱水污泥高温厌氧消化过程中，利用富碳生物质水稻秸秆调节C/N为10的条件下，可以使污泥处理反应器稳定运行，脱水污泥性质波动未对厌氧消化过程造成负面影响。基于16S扩增子的高通量测序对比解析有无秸秆添加反应器系统中微生物群落结构，结果显示厚壁菌门（Firmicutes）微生物是主要优势微生物（分别占了总丰度的46.5%和62.4%）。其他优势菌门中，添加秸秆的反应器中拟杆菌门（Bacteroidetes）微生物较高（20%），无秸秆添加反应器中变形菌门（Proteobacteria）微生物丰度较高（20%）；各反应器中都以甲烷囊菌属（Methanoculleus）为主要产甲烷古菌。利用宏基因组技术检测了ARGs的变化，发现全类ARGs相对丰度在脱水污泥厌氧消化阶段平均减少约44%。脱水污泥厌氧消化液残渣堆肥30天后的种子发芽率超过60%，达到成熟堆肥产品的相关标准；监测残留ARGs在沼渣好氧堆肥过程中的动态变化，发现全类ARGs相对丰度总和在堆肥阶段平均增加约20%，但实时定量PCR分析显示几种典型 ARGs 的丰度降低了约4倍，典型 ARGs 的减少和宿主微生物中的低水平基因转移密切相关，放线菌门（Actinobacteria）,变形菌门（Proteobacteria）,厚壁菌门（Firmicutes）, 拟杆菌门（Bacteroidetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）的成员对于厌氧消化污泥在堆肥过程中的物质转化和 ARGs 减少至关重要。本课题研究结果为城市污泥高效资源化利用及控制抗生素抗性的传播提供数据支撑。