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高温处理猪粪施用下土壤耐药菌及耐药基因的短期动态响应与机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

抗生素自20世纪20年代被发现以来，在人类和动物病原微生物感染疾病的预防与治疗中发挥了关键作用。然而，抗生素的广泛使用，尤其是在畜禽养殖业中作为促生长添加剂的长期、大量应用，带来了严峻的细菌耐药性问题。相关数据显示，养殖业消耗了全球70%以上的抗生素，使得养殖环境成为耐药基因（ARGs）的关键“热区”。在猪养殖中，为预防与治疗细菌性疾病以及促进生长，抗生素的使用极为普遍，这导致猪粪中携带了大量耐药病原菌及耐药基因。

猪粪作为一种有机肥料，富含氮、磷、钾等营养元素以及有机质，将其施用于土壤中，能够有效改善土壤结构，提高土壤肥力，促进农作物生长，是实现农业资源循环利用的重要途径。然而，猪粪中残留的抗生素、耐药菌以及耐药基因，会随着猪粪的农用进入土壤环境。已有研究表明，土壤中耐药菌和耐药基因的大量存在，不仅会破坏土壤微生物群落结构的平衡，影响土壤生态系统的正常功能，还可能通过食物链的传递，对人类健康构成潜在威胁。例如，人类60％以上的病原菌（尤其是食源性病原菌）来源于动物，土壤中的耐药菌和耐药基因可能会传播到农作物上，进而被人类摄入，使得人类的抗感染治疗面临更大挑战。

为降低猪粪返田的环境风险，高温处理（如堆肥）是一种常见且有效的手段。堆肥过程通过微生物的代谢活动产生高温，能够杀灭部分病原菌，降解有机污染物，在一定程度上减少猪粪中耐药菌和耐药基因的含量。然而，目前对于高温处理后的猪粪施入土壤后，在短期内对土壤耐药菌及耐药基因的丰度与多样性的影响，尚缺乏深入系统的研究。

深入探究高温处理猪粪施用对土壤耐药菌及耐药基因丰度与多样性的短期响应，具有重要的现实意义。一方面，这有助于我们全面了解猪粪农用过程中耐药菌和耐药基因的传播与演变规律，为评估猪粪农用的环境风险提供科学依据；另一方面，通过揭示短期影响机制，能够为制定合理的猪粪处理和施用策略提供理论指导，从而有效控制土壤耐药菌和耐药基因的污染，保障土壤生态环境安全和农业可持续发展。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者针对畜禽粪便施用对土壤微生物群落及耐药基因的影响开展了大量研究。在微生物群落方面，研究发现畜禽粪便施用会显著改变土壤微生物群落结构。例如，有研究表明随着畜禽粪便施用量的增加，土壤微生物群落结构发生明显变化，细菌、真菌等微生物类群的丰度和组成均有所改变，变形菌门、厚壁菌门和放线菌门等细菌类群丰度增加，而绿弯菌门和拟杆菌门丰度降低；子囊菌门和担子菌门等真菌类群丰度增加，接合菌门和卵菌门丰度降低。同时，畜禽粪便施用还会增加土壤微生物的多样性，提高土壤生态系统的稳定性和功能，其原因在于畜禽粪便中丰富的有机物为土壤微生物提供了充足的能量和营养物质，促进了微生物的生长与繁殖。

在耐药基因方面，大量研究证实畜禽粪便施用是土壤耐药基因的重要来源。WuJie等人通过对135项独立研究结果的分析发现，牛粪、鸡粪、猪粪和污水污泥是农业土壤中抗生素和ARGs的主要污染源，其中添加猪粪的土壤中ARGs丰度最高。长期定量施用猪粪的稻田土壤中，四环素类抗生素明显积累，抗生素抗性基因相对丰度显著提高，且猪粪施用量与土壤中抗生素抗性基因相对丰度之间存在良好的相关关系。畜禽粪水还田后，土壤中ARGs的种类和数量均有所增加，且以耐药性较强的ARGs为主，如β-内酰胺酶基因、磺胺类抗性基因等。

然而，当前研究在高温处理猪粪对土壤耐药菌及耐药基因的短期影响方面存在明显不足。多数研究集中于未经处理的畜禽粪便对土壤的长期影响，对于经过高温处理后的猪粪，其施入土壤后短期内耐药菌和耐药基因的动态变化、影响因素及作用机制等方面的研究还相对匮乏。这使得我们在评估高温处理猪粪农用的环境安全性以及制定相应的管理措施时，缺乏足够的科学依据。因此，开展这方面的研究具有重要的理论和实践意义，能够填补该领域在短期影响研究方面的空白，为猪粪的合理利用和土壤环境保护提供更全面、准确的指导。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究高温处理猪粪施用对土壤耐药菌及耐药基因丰度与多样性的短期影响，具体研究内容如下：

分析不同处理下土壤耐药菌及耐药基因的丰度与多样性变化：设置不同处理组，包括施用高温处理猪粪、未处理猪粪以及不施用猪粪的对照组，在短期内定期采集土壤样本。运用高通量测序技术、定量PCR等分子生物学方法，精确测定土壤中耐药菌的种类、数量以及耐药基因的丰度和多样性，详细分析不同处理组之间的差异，明确高温处理猪粪施用后土壤耐药菌及耐药基因在短期内的动态变化规律。

探究影响土壤耐药菌及耐药基因丰度与多样性的因素：综合考虑土壤理化性质（如pH值、有机质含量、氮磷钾含量等）、猪粪特性（抗生