第一作者：刘文斌
通讯作者：孟佳
通讯单位：哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与水环境国家重点实验室
论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.129535
成果简介
哈尔滨工业大学李建政、孟佳团队在学术期刊《Journal of Hazardous Materials》上发表了题为“Increasing the removal efficiency of antibiotic resistance through anaerobic digestion with free nitrous acid pretreatment”的研究论文。研究针对目前猪粪中抗生素、抗性基因含量较高，应用传统厌氧消化（Anaerobic digestion, AD）技术处理猪粪过程中产甲烷速率和抗生素、抗性基因去除效率较低的问题，提出利用游离亚硝酸（Free nitrous acids, FNA）预处理联合AD强化猪粪产甲烷及抗生素、抗性基因去除。结果表明游离亚硝酸预处理（亚硝酸盐 =250 mg N/L, pH=5.0, 温度=20 ± 1 ◦C）同步加速了抗生素降解，抗性菌（Antibiotic resistance bacteria, ARB）数量（0.5–3 logs）以及抗性基因丰度（1–3 logs,），在后续的AD过程中，抗性基因丰度与空白组相比进一步降低了~3.49 × 107 拷贝数/g TS。以上结果表明FNA预处理联合AD技术是畜禽粪便安全处置的一种有效方法。
随着畜禽养殖规模的不断扩大，畜禽粪便产量逐年增加，目前仅中国猪粪年产量已超过2.09亿吨。猪粪中不仅含有碳、氮、磷等常规污染物，而且还含有抗生素、抗性基因等新兴污染物，因此猪粪的绿色安全处理处置成为了一个环境热点问题。然而传统的厌氧消化技术仍面临着猪粪处理过程中产甲烷速率和抗生素、抗性基因去除效率较低的问题。本研究提出的FNA预处理联合AD技术实现了对畜禽粪便的绿色安全处置。
结果表明FNA预处理能够有效去除猪粪中的三类主要抗生素（图1）。其中，FNA预处理后猪粪中CTC含量由起始的27,087 ± 262 μg/kg 降至14,130 ± 124 μg/kg，ENR 和CIP含量从空白组的3009和 1975 μg/kg 降至1348 和 959 μg/kg。图2所示为FNA预处理对ARB和ARGs的削减作用。结果表明FNA预处理后，猪粪中CTC，ENR和SMX相关的ARB数量分别降低了3 logs, 0.5 logs, 0.5-3 logs。此外，FNA预处理对ARGs的去除率也达到了50%以上，其中对sul2基因的去除效果最为明显，达到了3 logs，其次是tet O基因为1.5 logs。
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图1：空白组及FNA预处理组猪粪中抗生素含量，包括四环素类（a）；喹诺酮类（b）；磺胺类（c）及其12种亚类。
图2：空白组及FNA预处理组猪粪中ARB（a）及ARG（b）含量。
通过BMP实验考察了FNA预处理组及空白组猪粪AD过程中的甲烷产量（图3a），同时采用第一动力学模型较好的模拟了产甲烷过程，并通过模型分析了两个关键参数，水解速率k和产甲烷潜势B0（图3b）。结果表明，空白组的B0值仅为335 ± 46 mL CH4/VSadded，而经FNA预处理后B0值增加至678 ± 11 mL CH4/VSadded。同时空白组和实验组的k值相差不大表明FNA预处理对猪粪的水解速率影响不大，这主要是由于原始猪粪中含有大量有机质且自然条件下可生化性较高。
图3：空白组及FNA预处理组猪粪总甲烷产量（a）；FNA预处理组K及B0值第一动力学分析（b）。
通过高通量测序分析了FNA预处理对AD过程中微生物群落结构的影响。在门水平上（图4a），空白组和实验组的主要微生物组成为Firmicutes, Bacteroidetes, Chloroflexi和 Cloacimonetes。同时，FNA预处理显著增加了厌氧发酵菌Firmicutes的相对丰度，其数值由空白组的18.17%增加至34.65%。在属水平上（图4b），FNA预处理对Clostridium_sensu_stricto的丰度影响最大，由空白组的4.37%增加至22.55%，且FNA预处理降低了Anaerolineaceae的相对丰度，由空白组的18.82% 降至10.94%。同时，通过网络分析进一步揭示了ARGs/MGE和微生物群落之间的相关关系（图4c）。结果表明，FNA预处理有效降低了ARG相关的宿主微生物的相对丰度，因此在AD过程中进一步降低了ARGs的丰度。
图4：空白组及FNA预处理组微生物群落结构分析：门水平（a），属水平（b），网络分析（c）。
利用PLS-SEM模型对FNA预处理联合厌氧消化过程中ARGs去除的主要影响因子（图5a）及标准化效应（图5b）进行了分析。结果表明FNA预处理是导致猪粪中ARGs丰度降低的主要原因（-0.43），同时抗生素浓度能够影响ARGs的表达（0.355）。此外，微生物群落结构和抗性菌数量也对ARGs的去除有一定的影响。此外，FNA预处理和ARB对ARGs的去除主要为间接影响，而抗生素浓度和微生物群落结构对ARGs的去除主要为直接影响。
图5：FNA预处理强化ARGs去除的PLS-SEM模型分析：影响因子分析（a）和标准化效应分析
通讯作者：孟佳，副教授，博士生导师，哈尔滨工业大学环境学院。主要从事废水处理与资源化、废弃生物质资源化与能源化等研究并取得突出成果，先后主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目、黑龙江省自然科学基金等科研项目10余项，发表SCI收录论文60余篇，H因子22。
第一作者：刘文斌，哈尔滨工业大学环境学院，博士研究生，以第一作者在Journal of Hazardous Material、Chemical Engineering Journal等期刊发表论文3篇。
