针对我国畜牧业绿色发展和新污染物治理的国家战略需求，围绕生猪养殖粪污资源化利用与多污染物协同减排，中国科学院生态环境研究中心魏源送研究组开展了系列研究，并在猪粪厌氧消化过程中基于铁系化合物和病毒群落介导耐药基因削减方面取得新进展。相关成果相继发表在Environmental Science & Technology (doi.org/10.1021/acs.est.3c07664), Waste Management (2021, 136: 122-131), Science of the Total Environment (2022, 844: 157054), Journal of Cleaner Production (2022, 376:134240), Bioresource Technology (2019, 287: 121393; 2019, 291: 121847; 2020, 298: 122519; 2022, 360: 127635), Journal of Hazardous Materials (2019, 366: 192–201) .
作为全健康（One health）理念（动物&环境&人类）中重要一环，环境中细菌耐药的形成同抗生素类药物的使用密不可分，而我国每年生产的抗生素类药物约50%用于畜禽养殖，且以生猪养殖为主，这使得猪粪成为环境中耐药菌（Antibiotic resistant bacteria, ARB）和耐药基因（Antibiotic resistance genes, ARGs）重要来源。厌氧消化生产沼气是猪粪资源化利用的重要手段。课题组在基于铁系化合物强化猪粪厌氧消化的基础上，围绕铁系化合物的8种不同形态/价态对ARGs的影响开展了系统研究，基于铁系化合物可实现猪粪厌氧消化甲烷提升~20%，ARGs相对丰度削减~30%，且铁系化合物能够简化厌氧消化系统中ARGs的垂直（VGT network）和水平转移网络（HGT network）。
猪粪厌氧消化系统中ARGs传播特征
但猪粪厌氧消化中，ARGs的宿主既是ARB又是产甲烷关键功能菌，如何实现高风险ARGs/ARB的靶向控制是关键。基于宏基因组，研究团队构建了病毒群落介导ARGs归趋的生物信息学研究方法，结合Crispr spacer，tRNA和序列同源性，精准识别了病毒群落和ARB之间的相互作用网络；并结合胞外转化型（Transformation）ARGs、接合型（Conjugation）ARGs和转导型（Transduction）ARGs定量化分析，明确了病毒群落对ARGs传播的贡献，证实了病毒群落对ARB的裂解远大于其对ARGs的传播，并在实验室条件下得到了验证，为基于噬菌体疗法靶向控制环境中高风险ARGs/ARB奠定了理论基础。
以上研究工作得到了国家水体污染控制与治理科技重大专项，国家自然科学基金委青年基金和德国洪堡基金会的支持。论文第一作者为张俊亚副研究员/卢铁东博士，通讯作者为魏源送研究员/德国亥姆霍兹环境研究中心-UFZ的Hans Hermann Richnow博士。
论文链接详见：
https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07664
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.11.106
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121847
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122519;
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121393
https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.10.010
http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157054
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127635
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134240
水污染控制实验室膜技术研究与应用研究组
2024年1月30日