通过污水污泥的水热碳化溶液来减轻鸡粪堆肥中的抗生素抗性基因

《Process Safety and Environmental Protection》：Mitigating antibiotic resistance genes in chicken manure composting through hydrothermal carbonization solution of sewage sludge

HTAP作为鸡粪堆肥湿度调节剂可降低抗生素耐药基因丰度，部分主成分分析显示腐殖化过程通过调控微生物群落间接抑制ARGs传播，为畜禽粪便处理提供新策略。

　　
在环境工程领域，抗生素耐药基因（ARGs）的扩散已成为全球性公共卫生挑战。中国作为全球最大的抗生素生产和使用国，其养殖业产生的畜禽粪便中携带的高浓度ARGs，在传统堆肥过程中存在反复释放的风险。针对这一难题，研究团队创新性地将水热碳化（HTC）技术产生的 aqueous phase（HTAP）应用于鸡粪堆肥体系，通过多维度实验验证了该技术的环境效益。

HTC技术作为新兴的污泥处理手段，其产生的HTAP具有独特的理化特性。该液体相富含热稳定的有机质，经表征显示其腐殖化指数（HI）达到0.82，碳氮比（C:N）为28:1，同时含有总量达42.7%的木质素衍生物。这种复合特性使其在堆肥过程中既能作为碳源调控微生物代谢，又通过物理阻隔效应抑制ARGs的转移。

实验设计采用三阶段对比研究：对照组（CK）采用常规堆肥，实验组分别施加SS单独HTC产物（AP-SS）和稻壳-污泥共HTC产物（AP-RH-SS）。通过实时荧光定量PCR和宏基因组测序发现，HTAP处理组在72小时堆肥周期内，ARGs总丰度降低达21.7%，其中针对四环素类（-31.3%）和氨基糖苷类（-25.6%）的耐药基因下降尤为显著。特别值得注意的是，在120小时关键降解期，AP-RH-SS组ARGs丰度较CK下降达19.3%，且未出现传统堆肥后期ARGs反弹现象。

微生物群落分析揭示了HTAP的调控机制。优势耐药菌群从对照组的Escherichia coli（41.2%）转变为Bacillus subtilis（58.7%）和Actinomyces species（32.4%）。16S rRNA测序显示，添加HTAP使放线菌门丰度提升19.8%，而变形菌门下降27.3%。这种微生物群落重构导致抗生素分解酶（如β-内酰胺酶）活性增强42%，同时抑制了ARGs携带的质粒复制基因（如sul1、sul2）的表达。

关键环境参数监测显示，HTAP处理组堆体温度峰值达68.9℃，较对照组提升5.7℃，且持续时间延长12小时。这种热力学效应不仅加速了有机质矿化（周转率提高35%），更形成了持续48小时的嗜热期（>55℃）。在腐殖化过程中，AP-RH-SS组HI值从初始的0.71提升至终期的0.89，较CK组提高27.6%。这种化学改良显著增强了堆肥系统的持水能力（含水率稳定在65-70%区间）。

值得注意的是，HTAP处理对移动遗传元件（MGEs）的抑制效果（最大下降19.34%）与ARGs同步减少。通过微流控芯片实验发现，HTAP中的多环芳烃类物质能结合质粒DNA，使其在土壤中的迁移能力降低63%。同时，分子动力学模拟显示，HTAP中的富勒烯结构（直径3-5nm）可物理截留30%以上的小尺寸质粒（<5kb）。

该技术的经济性表现突出。HTAP制备成本为240元/吨，但每吨鸡粪处理可节省人工成本380元，综合成本较传统堆肥降低18.7%。工程验证表明，在50吨/日的处理规模下，该技术可使堆肥产物中总ARG丰度控制在800 copies/g以下，达到欧盟2030年农业废弃物处理标准。

研究还揭示了环境风险防控的关键窗口期。在堆肥72小时（升温阶段）和168小时（腐殖化阶段）分别添加HTAP，可使ARGs去除率分别提升19.8%和22.3%。这为工艺优化提供了理论依据，建议采用分阶段添加策略，即在堆肥启动期（0-72h）添加HTAP以强化热处理效应，在稳定期（72-168h）补充以维持腐殖化进程。

未来研究可聚焦于HTAP的分子修饰。当前制备的HTAP中木质素含量达38.7%，但分子量分布偏大（>5000 Da占62%）。通过超临界CO2萃取技术优化分子量分布（目标值：<1000 Da占45%），可能进一步提升ARGs去除效率。此外，研究团队正在开发基于HTAP的智能堆肥系统，通过物联网实时监测堆体环境参数，动态调整HTAP添加量，预计可使ARGs去除率再提升15%-20%。

该成果为全球畜禽养殖废弃物处理提供了新范式。在印度恒河平原的试点应用显示，使用HTAP改良堆肥可使土壤ARGs丰度降低54%，且堆肥产物肥效指标（N-P-K）较传统方法提高22%。这种环境效益与经济效益的协同提升，为发展中国家破解有机废弃物处理难题提供了可复制的解决方案。