热活化过硫酸盐耦合好氧堆肥转化螺旋霉素菌渣有机肥的环境安全评价：对抗生素抗性基因、微生物群落及土壤质量的影响

《Environmental Technology & Innovation》：Environmental safety evaluation of organic fertilizer produced from spiramycin fermentation residue via thermally activated persulfate integrated with aerobic composting: Effects on antibiotic resistance genes, microbial communities, and soil quality

本研究针对螺旋霉素发酵菌渣（SFR）中残留抗生素及抗生素抗性基因（ARGs）带来的环境风险，开发了热活化过硫酸盐（TAP）预处理耦合好氧堆肥的创新资源化策略。研究通过土壤培养实验系统评估了SFR衍生有机肥（SC）对土壤理化性质、酶活性、微生物群落及ARGs的影响。结果表明，SC能显著提升土壤肥力、增强酶活性并提高细菌群落稳定性；更重要的是，TAP-堆肥联用工艺可大幅降低ARGs绝对丰度达939倍，其效果远优于单一堆肥。该研究为抗生素菌渣的安全农用和环境影响评估提供了关键理论依据和技术支撑。

　　

抗生素的发现与应用是人类医学史上的重要里程碑，然而其过度使用也导致了耐药菌的涌现。抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）可通过水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）在不同细菌间传播，加剧公共卫生风险。螺旋霉素发酵菌渣（Spiramycin Fermentation Residue, SFR）是抗生素生产过程中产生的一种有机固体废物，因其含有残留抗生素和ARGs而被列为危险废物。传统的焚烧处置方式成本高且浪费资源，因此开发安全、高效、可持续的SFR处理与资源化技术迫在眉睫。

为解决上述问题，研究人员开发了一种创新的资源化策略：将热活化过硫酸盐（Thermally Activated Persulfate, TAP）预处理与好氧堆肥相结合，将SFR转化为高附加值的有机肥料（SC）。然而，SC农用后的环境安全性，特别是其对土壤中ARGs命运和微生物群落演替的影响，尚不明确。为此，研究团队通过土壤培养实验，系统评价了SC施用对土壤理化性质、酶活性、微生物群落结构及ARGs丰度的综合影响，相关成果发表在《Environmental Technology》上。

本研究主要采用了热活化过硫酸盐（TAP）预处理、实验室规模的好氧堆肥、土壤培养实验、三维荧光光谱-平行因子分析（EEM-PARAFAC）、实时荧光定量PCR（qPCR）技术、16S rRNA基因高通量测序、微生物共现网络分析、随机森林（Random Forest）模型以及偏最小二乘路径模型（Partial Least Squares Path Modeling, PLS-PM）等关键技术方法。土壤样本采集自青岛莱西小麦种植区。

3.1. 土壤理化性质

施肥显著改变了土壤的理化性质。与对照组（CK）相比，施用SC、未经处理的原始SFR（RS）和经TAP预处理的SFR（TS）均提高了土壤溶解性有机碳（DOC）、有效氮（AN）、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^—-N）、有效磷（AP）和有效钾（AK）的含量。其中，TS处理因TAP预处理促进了有机质分解，导致DOC、AN和NH₄⁺-N初期释放量最高，但也因过硫酸钾的引入导致电导率（EC）显著升高，存在土壤盐渍化风险。而SC处理经过堆肥过程，稳定了有机质，降低了EC值，显示出更好的农用安全性。

3.2. 荧光溶解性有机质

通过平行因子分析（PARAFAC）从土壤溶解性有机质（DOM）中识别出三种荧光组分：类腐殖质（C1）、类富里酸（C2）和类酪氨酸（C3）。TS处理产生了最多的小分子芳香族化合物，经自由基聚合形成荧光强度较高的类腐殖质。而SC处理中，微生物在堆肥过程中优先降解了易降解组分，形成了更稳定、荧光强度较低的腐殖质，表明其有机质更为稳定。

3.3. 酶活性

土壤酶活性分析表明，TS处理对蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的刺激作用最强，这与其较高的DOC和AN含量有关。随机森林模型预测精度高（R2为0.96-0.99），并确认DOC和AN是影响蔗糖酶和脲酶活性的关键因子，而腐殖质组分（C1, C2）通过形成腐殖质-酶复合物，对维持所有四种酶的活性均有重要贡献。

3.4. 细菌群落

α多样性分析显示，RS处理因残留螺旋霉素的抑制效应，导致细菌多样性和丰富度显著降低。TS处理多样性波动较大，而SC处理的细菌群落最为稳定。主坐标分析（PCoA）表明，不同施肥处理下的细菌群落结构存在显著差异。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度随培养时间显著增加，成为优势菌门；放线菌门（Actinobacteria）则呈下降趋势。微生物共现网络分析揭示，SC处理的网络具有最高的节点数但连接密度最低，模块性更高，负相关性更多，表明其微生物群落结构更稳定，种间竞争更平衡。

3.5. SFR应用的风险评估

ARGs和MGEs的绝对丰度监测显示，CK组始终最低。RS组中，特别是ermB基因的丰度极高，且MGEs（intI1, Tn916/1545）丰度也显著增加，表明HGT是ARGs传播的关键途径。TS组中，TAP预处理初期降低了ARGs丰度，但后期出现反弹，可能与残留抗生素的持续选择压力以及营养释放刺激了携带ARGs的富营养型细菌（如变形菌门）复苏有关。至关重要的是，SC处理使ARGs的绝对丰度相较于RS和TS分别降低了939倍和3.09倍，并保持了良好的稳定性。网络分析表明，ermB是优势ARG，与23个细菌属相关，MGEs是ARGs传播的重要媒介。PLS-PM路径模型表明，土壤理化性质主要通过影响微生物多样性（λ = -0.667）和促进HGT（通过MGEs, λ = -0.483）来间接影响ARGs的富集。SFR的进一步处理（TAP+堆肥）对降低ARGs丰度有直接负效应（λ = -0.805）。

本研究得出结论，热活化过硫酸盐预处理耦合好氧堆肥工艺能有效将螺旋霉素发酵菌渣转化为环境风险低、肥效高的有机肥料。SC的施用能显著改善土壤理化性质，刺激酶活性，并增强土壤微生物群落的稳定性。该工艺最关键的优势在于能极大程度地削减抗生素抗性基因的环境风险，其效果是单一堆肥无法比拟的。研究揭示了土壤理化性质通过调控微生物过程（如多样性和水平基因转移）间接影响ARGs丰度的机制。这项研究为抗生素发酵菌渣的安全、资源化利用提供了可靠的技术路径和理论依据，对推动抗生素工业的绿色可持续发展及保障农业环境安全具有重要意义。