超高温堆肥技术降低抗生素治疗奶牛粪便中耐药基因环境风险的机制研究

为解决抗生素治疗奶牛粪便中高耐药基因（HARGs）的环境风险问题，研究人员开展超高温堆肥（AKH）技术研究。结果表明，AKH使HARGs丰度降低30.77%，并通过抑制移动遗传元件（MGEs）和病原宿主传播途径显著降低环境风险评分（P < 0.05），为畜禽粪污安全处置提供新策略。

　　

抗生素耐药性危机下的破局之道
全球畜牧业中抗生素滥用导致的耐药基因（ARGs）污染已成为重大环境健康威胁。尽管欧盟、美国和中国已相继禁止抗生素促生长使用，但治疗奶牛乳腺炎所需的β-内酰胺类抗生素（如氨苄青霉素）仍导致90%的药物随粪便排出。这些残留抗生素不仅刺激微生物产生ARGs，更可能通过移动遗传元件（MGEs）在病原菌间传播，其中rank I级高风险ARGs（HARGs）因兼具人类环境富集、跨菌传播和宿主致病性三重特征，被视作最危险的"超级耐药基因"。传统堆肥虽能降解部分ARGs，但部分HARGs（如磺胺类）反而在腐熟期增殖，亟需更高效的粪便处理技术。

中国西北农林科技大学团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究中，创新性地将超高温堆肥（温度达85℃以上）应用于氨苄青霉素治疗奶牛的粪便处理。通过比较常规堆肥（AK）、超高温堆肥（AKH）及无抗生素对照组（CK），发现抗生素治疗使粪便ARGs总量和HARGs分别增加1.87倍和2.15倍，而AKH技术使两者分别降低15.02%和30.77%。宏基因组组装分析揭示，AKH通过双重机制发挥作用：一是直接减少blaTEM等质粒携带ARGs的丰度；二是抑制病原宿主（如大肠杆菌）与MGEs（如转座酶基因）的共现频率，切断耐药基因传播链。最终环境风险评分显示，AKH处理组比AK组降低8.25%（P < 0.05）。

关键技术方法
研究采用宏基因组测序追踪ARGs动态，通过PCoA（主坐标分析）基于Bray-Curtis距离解析样本差异；利用风险评分系统量化HARGs威胁程度；结合contig共现网络分析病原-ARGs-MGEs互作关系。样本来自陕西杨凌集约化奶牛场，包含180 kg抗生素治疗/未治疗奶牛粪便与小麦秸秆混合物料。

研究结果

1. ARGs分布特征
   PCoA显示抗生素治疗显著改变原始粪便ARGs谱（R²
   =0.81, P<0.05），但堆肥后期各组趋同。AKH特异性降低blaROB等β-内酰胺类HARGs，对tetM的去除效率达传统堆肥的2.3倍。

2. 关键作用机制
   共现网络分析发现，AKH处理使携带ARGs的contig（基因组片段）长度缩短37.5%，且病原-MGEs-ARGs三联体减少62%。温度是驱动MGEs失活的核心因素，85℃高温使转座酶基因Tn916丰度下降至检测限以下。

3. 环境风险评估
   基于Zhang等提出的三维标准（人类环境富集度、传播性、致病性），AKH使rank I HARGs风险值从7.82降至5.43，其中blaCTX-M的临床风险降幅最大（42.1%）。

结论与展望
该研究首次证实超高温堆肥能有效阻断"抗生素治疗-耐药基因增殖-环境传播"的恶性循环。相较于仅关注ARGs总量控制的研究，团队创新性地锁定HARGs这一关键风险点，通过温度精准调控破坏耐药基因传播的生物学基础。这一技术不仅适用于奶牛场，还可推广至生猪、家禽等养殖场粪便处理。未来研究可进一步优化堆肥参数，建立温度-MGEs抑制-病原灭活的量化关系模型，为制定畜禽粪污耐药基因控制标准提供理论支撑。