《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Insight into the mechanism of doxycycline promoting N
2O emissions during swine manure composting
编辑推荐：
本研究探究了不同浓度四环素类抗生素（多西环素）对 swine manure 堆肥过程中硝氧化亚氮排放的影响，通过代谢组测序和16S rRNA分析发现，高浓度多西环素显著促进硝化作用和反硝化过程，导致N?O排放量增加503.8%，其机制与关键反硝化基因丰度增加及硝酸盐积累有关。
马成宇|钱云峰|邢冰冰|肖涵|朱浩|陈善帅|高伟|金鑫|鲍环宇|阮云泽
繁殖与扩繁学院（海南大学繁殖与扩繁研究所，中国三亚572025）
摘要
作为第二代四环素类药物，多西环素（DOX）在畜牧业中逐渐取代了传统的四环素类抗生素。堆肥过程中一氧化二氮（N?O）的排放对臭氧层破坏和温室效应产生了显著影响。然而，目前仍不清楚DOX残留物对堆肥过程中N?O排放的具体影响。本研究探讨了不同浓度（0、10和100 mg/kg）的多西环素对猪粪堆肥过程中氮转化及N?O排放的影响。结果表明，高浓度的多西环素（100 mg/kg，T2组）显著增加了N?O的排放量，相比不添加多西环素的情况（CK组）增加了503.80%。多西环素促进了硝化作用，导致硝酸盐（NO??-N）的积累，为反硝化作用提供了更多底物。宏基因组和16S rRNA分析显示，多西环素增加了关键的反硝化功能基因（norB、nirS、narG和nirK）的丰度，并富集了产生N?O的微生物，同时抑制了N?O还原基因nosZ及其宿主细菌的丰度。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）和随机森林分析进一步证实，高浓度多西环素处理下N?O排放量的增加主要归因于关键微生物的丰度增加及反硝化底物的积累。本研究阐明了多西环素加剧N?O排放的机制，为减少受抗生素污染的粪便堆肥产生的N?O提供了重要见解。
引言
全球对肉类需求的增加导致了猪肉产量的大幅上升，每年全球猪粪产量约为17亿吨[1]、[2]。畜牧业集约化是这一增长的主要驱动力，导致兽用抗生素的使用量显著增加，预计到2030年将达到20万吨[3]。然而，70-90%的抗生素以未代谢或代谢产物的形式通过粪便排出，导致动物粪便中抗生素残留物含量升高[4]。这些残留物会对微生物群落产生选择压力，并改变粪便处理过程中的微生物代谢和生态功能[5]。
好氧堆肥是一种高效的有机废物处理方法，在畜禽粪便的资源化利用中具有重要意义[6]。微生物在堆肥过程中起着关键作用，它们促进有机物的降解、养分的矿化以及氮的转化。堆肥过程中的氮转化对于确定堆肥的肥料效率和环境影响至关重要[7]。氮在堆肥过程中通过微生物介导的途径（如氨化、硝化和反硝化）发生动态变化，同时伴随着NH?和N?O等气体的排放。其中，N?O对温室效应的贡献最大，占比高达74.22%[8]、[9]。粪便中的抗生素残留物可能干扰微生物群落的活性，从而破坏氮循环过程[10]。例如，磺胺类药物可能影响反硝化过程，导致N?O排放增加[11]；同样，四环素可能抑制硝化细菌的活性，减少NH??向NO??的转化，导致NH??积累和NH?挥发增加[12]、[13]。然而，现有研究主要关注单一类型的抗生素或狭窄的浓度范围，对于特定抗生素如何改变微生物氮转化途径的机制理解仍然有限。多西环素作为一种重要的兽用四环素类药物，由于其良好的胃肠道吸收性、较长的半衰期和较强的组织穿透力，在畜牧业中逐渐取代了氧四环素和氯四环素等传统四环素，被广泛用于预防和治疗动物泌尿系统、消化系统和呼吸系统的细菌感染[14]。先前研究表明，猪粪中的多西环素浓度范围为0.23至13.50 mg/kg[15]，某些报告中甚至高达13.63 mg/kg[16]，在某些地区高达120.40 mg/kg[17]。尽管已有研究探讨了抗生素对堆肥过程中微生物群落的影响，但不同浓度多西环素对氮转化及其间接调节N?O排放的具体作用仍不明确。
因此，基于这些报道的残留水平，本研究探讨了0、10和100 mg/kg剂量多西环素对猪粪堆肥过程中氮转化的影响，重点关注N?O排放的影响。通过宏基因组测序和16S rRNA分析，研究了多西环素对堆肥过程中氮转化微生物和功能基因变化的影响。同时，也揭示了多西环素影响N?O排放的机制。本研究将为控制受多西环素污染粪便堆肥过程中的N?O排放提供理论基础。
原材料和实验设计
堆肥原料包括锯末和猪粪。猪粪来自当地的一个大规模养猪场，主要收集了抗生素含量较低的哺乳期母猪粪便。锯末作为膨胀剂（粒径<2 mm），来自河南省洛阳市的一家锯木厂。多西环素（纯度98.7%）由上海麦克林生化有限公司提供。根据猪粪中多西环素的残留水平[17]，制备了多西环素储备溶液。
堆肥过程中的物理化学参数变化
温度是反映堆肥过程中微生物活动变化的关键参数。如图1a所示，三种处理方式下的温度变化相当。最初，由于易分解的有机物和微生物活动的热量释放，温度迅速上升[6]。随着易降解有机物的耗尽，所有处理组的温度均降至室温。
结论
高浓度的多西环素残留物通过破坏微生物氮循环显著加剧了猪粪堆肥过程中的N?O排放。具体而言，多西环素促进了硝化作用，导致硝酸盐（NO??-N）的积累，为反硝化作用提供了更多底物。宏基因组和16S rRNA测序分析进一步表明，多西环素增加了关键反硝化基因的丰度，并富集了产生N?O的微生物，同时抑制了N?O还原基因的活性。
作者贡献声明
钱云峰：数据分析、数据整理。马成宇：初稿撰写、实验设计。阮云泽：资金筹集。鲍环宇：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。金鑫：撰写、审稿与编辑。高伟：资金筹集。陈善帅：方法学研究。朱浩：实验设计。肖涵：数据分析。邢冰冰：方法学研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42407545）、海南省重点研发项目（项目编号：ZDYF2024HXGG003）、海南省三亚崖州湾科技创新联合项目（项目编号：ZDYF2025GXJS131）以及海南大学创业基金（项目编号：XJ2400012813）的支持。
