环境科学学报  2014, Vol. 34 Issue (4): 965-972
磺胺甲噁唑对堆肥过程中酶活性及微生物群落功能多样性的影响    [PDF全文]
杨玖1, 谷洁1 , 张友旺2, 胡婷1, 史龙翔1, 张文纬1, 邵启凡3, 李玉娣1, 付青霞1, 高华1, 王小娟1    
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100;
2. 西北农林科技大学理学院, 杨凌 712100;
3. 天津市北辰区环保局, 天津 300400
摘要:为了探讨磺胺甲噁唑(Sulfamethoxazole,SMZ)对猪粪堆肥过程的影响,以猪粪、小麦秸秆为试验材料,研究了SMZ对好氧高温堆肥过程中温度、脱氢酶活性及微生物群落功能多样性的影响.结果表明,在整个堆腐过程中,SMZ含量为50 mg·kg-1的处理中脱氢酶活性受到不同程度的抑制作用;SMZ含量为95 mg·kg-1时对脱氢酶活性有激活作用.SMZ含量为95 mg·kg-1的处理中AWCD值与未添加SMZ的处理差异不显著,Simpson指数显著高于其他处理,有利于提高微生物的优势度,Shannon多样性指数显著高于未添加SMZ的处理,提高了微生物群落的丰富度和均匀度.SMZ含量为50 mg·kg-1的处理中AWCD值显著低于其他处理,对微生物活性具有一定的抑制作用.SMZ含量为50 mg·kg-1的堆料中微生物对多酚化合物类和多胺类等物质利用率显著低于其他处理,SMZ含量为95 mg·kg-1的堆料中微生物对糖类、多聚物类及多胺类等物质利用率较低.主成分分析表明,堆料中微生物中起分异作用的碳源主要为糖类、羧酸类及AA酸类.
关键词磺胺甲噁唑    堆肥    脱氢酶    Biolog    
Effects of sulfamethoxazole on enzyme activity and microbial community functional diversity during pig manure composting
YANG Jiu1, GU Jie1 , ZHANG Youwang2, HU Ting1, SHI Longxiang1, ZHAO Wenwei1, SHAO Qifan3, LI Yudi1, FU Qingxia1, GAO Hua1, WANG Xiaojuan1    
1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100;
2. College of Science, Northwest A&F University, Yangling 712100;
3. Tianjin Beichen District Environmental Protection Bureau, Tianjin 300400
Abstract: Effects of sulfamethoxazole on pig manure and wheat straw composting were examined during aerobic fermentation in thermophilic aerobic state. The changes of temperature, dehydrogenase activity and microbial community functional diversity were determined. The results showed that the treatment of 50 mg·kg-1 SMZ had different inhibition action on dehydrogenase activity. The treatment of 95 mg·kg-1 SMZ activated the dehydrogenase activity during composting. The treatment of 95 mg·kg-1 SMZ had no significant inhibition on average well color development (AWCD), while it had significant inhibition on Shannon index and Simpson index as compared to the control (p<0.05). Addition of SMZ tended to improve microbial community function. The treatment of 50 mg·kg-1 SMZ had significant inhibition on AWCD, and could significantly decrease utilization of amines and polyphenols. In contrast, the treatment of 95 mg·kg-1 SMZ significantly decreased utilization of polymers, carbohydrates and amines. Principal component analysis clearly revealed that carbon sources were carbohydrates, polycarboxylic acids and AA acids during the differentiation process.
Key words: sulfamethoxazole    compost    dehydrogena    Biolog    
1 引言(Introduction)

随着规模化、集约化养殖业的发展,不仅使我国畜禽废弃物成为一个巨大的污染源,而且使得抗生素作为生长促进剂及防治疾病药物被养殖场大量使用(Arikan et al., 2009).且这些抗生素不易被畜禽吸收,约50%~90%的药物以药物原形或代谢物形式随着畜禽粪便、尿液排出体外,造成畜禽粪便中残留抗生素的增加,进一步使得畜禽粪便成为抗生素污染环境的主要污染途径.磺胺甲噁唑(Sulfamethoxazole,SMZ)是一种广谱抗生素,对大多数革兰氏阳性和革兰氏阴性菌都有抑制作用,是磺胺类抗生素中利用最广泛的一种,长期以来被用于动物疾病的治疗和预防,通常作为动物饲料添加剂以亚治疗剂量添加到动物饲料中(国彬等,2012).据2009年中国抗生素药物市场结构报告显示,磺胺类药物年生产能力约3万t,与其他常用抗生素相比处于较高水平(许珊珊,2011).据相关调查研究表明(Mellon et al., 2001),在畜禽粪便中磺胺甲噁唑是磺胺类抗生素中检测率较高的抗生素.

静态好氧高温堆肥是资源化、无害化处理畜禽粪便的主要方式之一,它是在微生物的参与下,经过一系列的生物化学变化而进行.堆腐过程中微生物对有机质分解、养分循环发挥着重要的作用.但当抗生素含量较高时,会使微生物生长受到抑制,或使微生物失去正常的生理功能,无法降解堆肥中的有机物,从而影响堆肥的腐熟度及堆肥的品质.有关抗生素与堆腐过程中微生物相互作用的研究报道很少,前人研究主要集中在抗生素在堆腐过程中的降解及检测方法的探究上(李红等,2010王桂珍等,2013).

堆肥过程中的微生物多样性包括物种多样性、基因多样性和功能多样性,以Biolog 方法通过测定微生物对不同碳源利用的程度差异来表征其生理特性的不同,在研究空间及时间尺度上微生物群落变化方面有较好的应用(谭小琴等,2006).马驿等(2013)利用Biolog技术研究发现,兽药对土壤微生物群落碳源的代谢强度和代谢多样性具有显著影响;Liu等(2012)利用Biolog技术研究表明,土壤微生物对磺胺甲噁唑的敏感程度高于金霉素.基于此,本试验通过向模拟猪粪中添加不同剂量的SMZ,测定堆腐过程中的脱氢酶活性,并采用Biolog 法来分析微生物群落碳代谢多样性的变化.以揭示SMZ对堆肥微生物群落的影响,并为磺胺甲噁唑对堆肥品质的影响研究提供理论依据,进而为农业废弃物的处理提供理论指导.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验材料

试验所用材料(表 1)为小麦秸秆、农家猪粪(农民以饲草和麦麸饲养,不含饲料添加剂).SMZ购于Sigma 公司,纯度>99%,化学式C10H11N3O3S.

表1 堆肥所用材料的基本性质 Table 1 Physical and chemical properties of raw materials for composting(oven-dried base)

图 1 静态堆肥装置 Fig. 1 Diagram of static composting device
2.2 堆腐装置

静态堆肥装置由高 1.0 m、内径 0.6 m、外径0.7 m 的圆柱形发酵罐组成,发酵罐外壳由双层不锈钢构成,层间有 0.5 cm 厚的保温材料,底部为带有小孔的不锈钢圆板,堆料混匀置于其上.外界空气从罐底部进入,通过圆板的透气小孔进入罐内,穿过堆料后从上部排出.

2.3 试验设计

试验于2012年 11月26日至12月30日在西北农林科技大学土壤肥料研究所堆腐试验场进行.首先将小麦秸秆切成3~5 cm的小段,然后与猪粪混合(猪粪先与SMZ搅拌混匀),调节 C/N 为25 ∶ 1~30 ∶ 1,加水调节含水率65%.畜禽粪便中抗生素含量范围为0~89 mg · kg-1(Mellon et al., 2001胡献刚等,2008国彬等,2011a2011bLi et al., 2013),根据其含量状况,分别称取SMZ为95 mg、950 mg、1805 mg于试管中,4 ℃保存.本试验共设4个处理:不添加SMZ(简称 CK),添加SMZ使其在堆料(干基)中的含量为 5 mg · kg-1(简称T1处理),添加SMZ使其在堆料(干基)中的含量为50 mg · kg-1(简称 T2处理),添加SMZ使其在堆料(干基)中的含量为95 mg · kg-1(简称 T3处理),以模拟SMZ污染猪粪堆肥.将以上4种不同处理的堆料(堆料总质量均为 62.5 kg)分别装入堆肥装置中(图 1).堆料不同部位插有温度计,原位测量和记录堆肥过程中堆料的温度变化,分别在堆肥的第3、7、11、13、19、22、32 d从堆肥装置的上、中、下部采样,混匀,4 ℃保存.堆肥堆置35 d.根据有机物料堆腐过程中温度的变化将堆肥过程分为 4个时期: 升温期(由常温升到50 ℃)、高温期(50~70 ℃)、降温期(< 50 ℃)、腐熟保肥期(堆内温度稍高于室内温度)(谷洁等,2006).本试验对堆肥前3个特征时期(第3、7、13 d)进行堆料理化特征和脱氢酶活性的测定,并进行 Biolog 检测.

2.4 测定项目与方法 2.4.1 脱氢酶活性的测定

脱氢酶活性的测定采用TTC-脱氢酶比色法(关松荫,1986);在样品中加入氢受体三苯基四唑氯化物(TTC),37 ℃培养2 h,测定生成红色 2,3,5-三苯基甲腙(TF)的量,脱氢酶活性以2 h 时后1 g样品中生成TF的质量(μg)表示,单位为μg · g-1 · 2h-1(以TF计);微生物碳源利用多样性应用 Biolog 生态测试板测定,具体操作步骤参见文献(Kong et al., 2006郑华等,2007).

2.5 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2003及The SAS System for Windows V8进行处理和制图;利用DPS v7.05进行差异显著性分析,差异显著性检验方法是最小显著性差异检验法(LSD)(p<0.05).微生物群落活性及多样性指标的计算方法如表 2所示.

表2 微生物群落功能活性及多样性指标的计算方法及意义 Table 2 The calculation of microbial community functional diversity index
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 堆腐过程中温度的变化

温度能够反映堆肥系统中的微生物活性,同时也对其中微生物的活性产生影响,因此,它是堆肥过程控制的一个重要指标.由表 3可以看出,T2处理堆料升温速率较快.根据我国《农业废弃物无害化处理标准》规定:在50~55 ℃以上持续5~7 d(或55 ℃条件下保持3 d以上)即可杀灭病原微生物达到无害化.由表可知,CK、T1、T2处理在55 ℃条件下能保持3 d或以上,均达到无害化要求;T3处理在55 ℃条件下维持2 d,未达到无害化要求.

表3 堆肥过程中温度的变化情况 Table 3 The values of temperature during composting
3.2 堆腐过程中脱氢酶活性的变化

脱氢酶活性可以看作是微生物活性及功能多样性的重要指标.生物体的脱氢酶活性在很大程度上反映了生物体的活性状态,能直接表示生物细胞对其基质降解能力的强弱(解军等,2006).由图 2可知,在整个堆腐过程中,T3处理脱氢酶活性显著高于其他处理,T2处理脱氢酶活性显著低于其他处理(p<0.05),这表明高剂量抗生素促进了堆肥中脱氢酶的活性,微生物对堆料的降解能力加强;T2处理较低可能是微生物受到抑制,这也可能跟微生物的数量、种类等有关(刘莉莉等,2008).高温阶段,当SMZ含量在0~50 mg · kg-1时,脱氢酶活性随着SMZ含量的增大而降低,这表明SMZ在较低含量下仍然可以影响到功能性酶活性,这与Boleas等(2005)张昊等(2012)等研究结果相似.但SMZ含量为95 mg · kg-1的处理中脱氢酶活性显著高于其他处理,其原因有可能是抗性菌的形成提高了微生物活性.

图 2 不同处理堆腐过程中脱氢酶活性的变化(误差棒是标准偏差(n=3),不同字母表示差异显著性(p <0.05),下同) Fig. 2 Changes of dehydrogenase activity during composting in different treatments(The error bars are the st and ard deviation(n=3), and different letters in the graph indicate significant difference at p<0.05,the same below)
3.3 SMZ对微生物群落功能多样性的影响 3.3.1 平均每孔颜色变化率(AWCD)

AWCD是反映微生物活性,即利用碳源能力的一个重要指标(Zabinski et al., 1997).从图 3中可以看出,SMZ在不同的堆肥时期对微生物群落活性的影响不一样.升温期和高温期,T2处理的AWCD值显著低于其他处理,这表明含量为50 mg · kg-1的SMZ对微生物活性产生了显著的抑制作用;降温期,各处理AWCD值的大小顺序为T1>CK>T2>T3,T3处理微生物活性最低.

图 3 堆腐过程中不同特征时期堆料在培养96 h后的AWCD值变化 Fig. 3 The values of AWCD after cultivated 96 hours at different stages
3.3.2 微生物群落多样性指数分析

培养基丰富度指数和多样性指数表征的是堆肥过程中微生物利用碳源的数量.培养基Shannon-Wiener 多样性指数表征的是土壤微生物群落利用碳源类型的多与少,即功能多样性(Magurran,1988).Simpson指数较多地反映了群落中最常见的物种,表示某一种物种的优势度.McIntoch指数是群落物种均一性的度量(Yang et al., 2000).

表 4可以看出,在整个堆腐阶段,T3处理的Shannon均一度指数显著高于其他处理,表明T3处理在整个堆腐阶段提高了物种的丰富度;T2处理的Shannon多样性指数均显著低于CK处理,而T3处理最高.升温期,随着SMZ含量的升高,Simpson指数升高,这可能是在高含量SMZ的处理中,大量的抗性菌株产生形成优势菌种,导致Simpson指数升高.高温期,CK处理的Simpson值最低;降温期,T1处理的Simpson指数最高,T3处理最低.升温期及高温期,T2处理的McIntosh指数最低,CK处理最高;降温期,T3处理的McIntosh指数最低,T1处理最高,这可能是SMZ的降解导致微生物群落结构发生了改变.

表4 不同时期不同处理微生物多样性指数 Table 4 Diversity and evenness indices for soil microbial communities
3.3.3 堆腐过程中微生物对6大碳源的利用

堆料中微生物对不同碳源的利用情况反映了土壤微生物的代谢功能类群.根据微生物对营养代谢物质的途径可以将Biolog EcoPlate板上的31种碳源分为6大类:糖类(10种)、AA酸(6种)、羧酸类(7种)、多胺类(2种)、多酚化合物类(2种)、多聚物类(4种)(张燕燕等,2009).采用96 h的吸光值分析不同处理的微生物群落结构对6大类碳源的利用,结果表明(表 5),在整个堆腐阶段,CK、T1、T3处理中微生物对多酚化合类及多胺类的利用率相对于其他碳源的利用率较高,其值接近2,但T2处理中微生物对两者碳源的利用较其他碳源较低,与CK相比,其利用率分别降低了63.95%、5.87%、49.63%和55.09%、24.20%、19.32%.添加SMZ的微生物对糖类的利用低于对照处理,且SMZ的含量越大,糖类的利用率降低,整个堆腐过程中,T2、T3处理中微生物对糖类的利用率分别降低了2.99%、3.93%、2.72%和8.37%、7.90%、6.98%,说明对微生物的基础代谢产生了抑制作用.在升温期及高温期,T2处理对AA酸及羧酸类的利用率显著低于其他处理;高温期,T2处理对羧酸类的利用率最低,T1处理对多聚物类的利用率最低,表明SMZ对堆料中微生物代谢利用碳源的能力产生了影响.降温期,各处理中微生物对多聚物类的利用率差异显著;T1、T2处理显著高于CK处理,T3处理显著低于CK处理,相对低含量SMZ能促进微生物对多聚物类的利用.

表5 堆腐过程中不同特征时期不同处理对6大碳源的利用 Table 5 Utilization of the six groups of carbon sources in different treatments
3.3.4 堆腐过程中微生物群落代谢功能主成分分析

为了清晰地了解磺胺甲噁唑对堆肥过程中微生物群落代谢能力的影响,对 Biolog 所得数据进行标准化处理,进行主成分分析.由图 4可知升温期,PC1和PC2得分系数的差异均达显著水平(F=16.43,p<0.01;F=6.717,p<0.05),CK处理在PC1上显著高于T2、T3处理,在PC2上显著低于其他处理;高温期,PC1和PC2得分系数的差异均达到极显著水平(F=166.2,p<0.01;F=103.2,p<0.01),且CK处理在PC1和PC2上显著高于其他处理;降温期,PC1和PC2得分系数的差异均达到极显著水平(F=310.1,p<0.01;F=119.8,p<0.01),CK处理在PC2上显著高于T2、T3处理.综上所述,在堆腐过程中各处理中微生物群落多样性类型在PC1和PC2上差异显著.

图 4 不同时期主成成分分析 Fig. 4 Principal componentanalysis of community metabolism during composting process

表 6可以看出,升温期,对PC1贡献大的碳源(特征向量≥0.50)是糖类和羧酸类(所占比例均为30.7%),糖类在PC2上贡献的碳源数目最多(所占比例为42.9%);高温期,羧酸类、AA酸类对PC1贡献的碳源数目最大(所占比例为35.7%、28.6%),糖类在PC2上贡献的碳源数目最多(所占比例为50%);降温期,多胺类与多酚化合物类对PC1上贡献的碳源数目最少,多胺类在PC2上贡献碳源数量最多(所占比例为30%).可见对PC1和PC2起分异作用的主要碳源是糖类、羧酸类和AA酸类.结合图 4可以得出,升温期,糖类与羧酸类是各处理在PC1上得分系数差异显著的主要影响因子,糖类与AA酸是各处理在PC2上差异显著的主要影响因子,且CK处理对糖类的利用显著高于其他处理,这与6大碳源利用的结果相互印证;高温期,羧酸类与AA酸类是各处理在PC1上得分系数差异显著的主要影响因子,糖类是各处理在PC2上的得分差异显著的主要影响因子;降温期,羧酸类与AA酸类是各处理在PC1上的得分差异显著的主要影响因子,多胺类是PC2上的得分差异显著的主要影响因子.

表6 对 PC1和PC2贡献大(特征向量≥0.50)的碳源数目 Table 6 Numbers of C sources with loadings ≥0.50 grouped
4 讨论(Discussion)

磺胺类兽药是一类竞争性抑制剂的抗生素,它的作用是通过干扰细菌酶系统对对氨基苯甲酸(PABA)的利用,影响细菌细胞核蛋白质的合成,抑制细菌的繁殖.国彬等(2012)研究表明,磺胺类兽药对土壤中真菌数、放线菌呈抑制作用.在高温好氧堆肥中,主要的微生物是细菌、真菌、放线菌,而真菌、放线菌对物料的分解起主要作用,故SMZ通过抑制细菌的繁殖和生长影响堆肥中堆料的分解速率.Liu等(2009)研究表明,SMZ能强烈影响土壤微生物的呼吸作用.

脱氢酶作为对生物体极其重要的关键酶,是研究环境污染、环境保护中具有代表性的生物学指标.生物体的脱氢酶活性在很大程度上反映了生物体的活性状态(陈翔,1997).脱氢酶是呼吸链的主干酶系,它可以利用基质氧化脱下的氢在呼吸链传递过程中释放出的能量,用于生物合成和维持细胞的生命活动(王静等,2011).本试验发现,T3处理中脱氢酶活性始终处于较高水平,这可能是耐性菌种的生长繁殖需要大量的营养物质用于生物合成所致.T2处理中脱氢酶活性最低,可能是由于SMZ的存在使得过氧化物积累,对生物产生毒性,这与本实验的AWCD值测定结果相互印证.Gutiérrez等(2010)研究表明,磺胺类抗生素在浓度较低时,对脱氢酶活性具有强烈的抑制作用,随着浓度的增大,抑制作用减小,这与本研究结果一致.本文研究表明,SMZ在不同的堆腐过程中对微生物群落功能多样性影响不同,在整个堆腐过程中,T2处理中微生物的活性处于最低水平.本实验中CK处理的堆料中微生物活性较高,利用基础碳源(糖类及羧酸类)的能力较强;添加SMZ的处理中,这些碳源的利用受到影响.升温时期,堆腐过程中主要是好氧微生物(细菌、真菌、酵母菌和放线菌)、嗜温性微生物较为活跃,并利用堆肥中可溶性有机物质(单糖、脂肪和碳水化合物)旺盛繁殖(曾光明等,2006),这表明SMZ通过抑制嗜温性微生物的生长繁殖降低了微生物利用碳源的能力.该时期,CK处理中Shannon多样性指数及均匀度指数显著高于T2处理,T3处理最高,这可能是抗生素提供了微生物生长所需的碳源与营养物质(Schmitt et al., 2005Thiele-Bruhn et al., 2005),这与Liu等(2012)研究一致;也可能是敏感菌的生长速率降低,耐性菌增加,改变了群落组成成分(Demoling et al., 2009);也可能是畜禽粪便对SMZ的吸附强度较弱,使其有效性加强(王阳等,2011).升温期及高温期,T3处理中微生物的活性较强,Simpson指数显著高于其他处理,表现出其优势度,这可能是由于大量耐性菌种的产生所致Gao等(2012)研究表明,在磺胺类抗生素作用下,大量的抗性菌株形成,且芽孢杆菌为主要抗性菌.在堆腐后期,中温微生物活跃,部分难分解的物质分解及腐殖质形成,代谢中间产物及次生代谢产物进一步利用,T3处理Simpson指数显著低于其他处理,表现出其优势度下降,同时微生物活性下降,其原因可能是微生物降解了堆肥中的SMZ,从而逐渐恢复堆料中的微生物生态平衡.有学者(Liu et al., 2009; 巫杨等,2011)研究表明,当土壤中磺胺甲噁唑浓度>10 mg · kg-1(0~2 d)和>40 mg · kg-1(4~8 d)时,土壤中均发生了明显的抑制呼吸效应,4~8 d后,反抑制效应出现,土壤呼吸能力快速恢复.本实验研究中,当猪粪中SMZ含量为95 mg · kg-1时,堆肥过程中微生物活性未发生明显变化;当猪粪中SMZ含量为50 mg · kg-1时,堆肥过程中微生物群落功能性发生了明显的抑制作用.分析其原因可能有以下几点:①磺胺类药物与有机质的共价结合,可能导致不可逆的吸附,从而导致生物利用率的降低(Bialk et al., 2005; Stoob et al., 2007);②堆肥中部分微生物对SMZ产生了效应,而这些效应可通过其他微生物的作用相互抵消(Thiele-Bruhn et al., 2005);③Biolog技术只能检测到部分可培养微生物,不能代表堆料中所有微生物(Xie et al., 2009).

5 结论(Conclusions)

1)在整个堆腐过程中,不同剂量SMZ对堆料温度的影响不同,SMZ含量为95 mg · kg-1的处理未达到无害化处理;SMZ含量为95 mg · kg-1的处理对脱氢酶活性具有激活效应,SMZ含量为50 mg · kg-1的处理对脱氢酶活性有一定的抑制作用,SMZ含量为5 mg · kg-1的处理与CK处理差异不显著.

2)在整个堆腐阶段,SMZ含量为50 mg · kg-1的处理抑制了微生物活性,而SMZ含量为95 mg · kg-1的处理则在降温期对微生物活性表现出抑制作用;在堆腐升温阶段、高温阶段,SMZ含量为 95 mg · kg-1的处理中Simpson指数显著高于其他处理,堆料中形成优势菌株,有利于提高微生物活性.

3)在微生物对6大碳源利用方面,SMZ含量为95 mg · kg-1的处理中微生物利用氨基酸及羧酸类的程度显著低于其他处理;SMZ含量为50 mg · kg-1的处理中微生物对多酚化合类及多胺类的利用率较低.主成分分析表明,堆料微生物中起分异作用的碳源主要为糖类、羧酸类及氨基酸类.

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