《Biomass and Bioenergy》：Comparative evaluation of fate of antibiotic resistance genes and fertilizer potential during conventional and continuous thermophilic composting of hydrothermally pretreated cattle manure
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抗生素抗性基因（ARG）污染治理与肥料潜力提升研究。采用高温高压预处理（HTP）结合常规堆肥（CC）和连续高温堆肥（CTC），系统评估HTP对牛粪中ARG降解及肥料品质的影响。研究表明HTP可显著提高堆肥产品发芽指数（GI提升38-126%），但对ARG（如sul1和tetA）的最终去除量在CC与CTC中无显著差异。HTP能耗较低（0.03美元/千克污泥），证实其在减少ARG污染同时提升肥料价值的可行性。
林东范|陈逸仁|金伊萝|西村文武
京都大学工学研究生院环境质量管理中心，日本滋贺县大津市汤滨1-2，520-0811
摘要
畜禽粪便是抗生素抗性基因（ARGs）的主要来源，对农业和环境系统构成威胁。本研究结合了水热预处理（HTP）与传统的厌氧堆肥（CC）和连续好氧堆肥（CTC）技术，评估了这些方法对含与不含HTP的牛粪中ARGs命运及肥料潜力的影响。在CC和CTC过程中，含HTP的堆肥P的发芽指数（GI）（GI 38–126%）高于不含HTP的堆肥C（GI 33–108%），表明HTP有助于提高肥料质量。在ARGs去除方面，初始浓度为9至11-log（拷贝/克干物质），堆肥处理后ARGs减少了1.5至2.5-log。然而，如和等ARGs的最终浓度在含HTP和不含HTP的堆肥中没有显著差异。此外，HTP的能耗相对较低（0.03美元/千克浆料），具有实际应用价值。总体而言，将HTP与堆肥结合使用是一种既能提高堆肥质量又能有效减少最终产品中ARGs含量的有效策略。
引言
抗生素在畜牧业中被广泛用于预防和治疗目的[1]。然而，抗生素的广泛使用引发了对抗生素耐药细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）出现的担忧。施用于动物的抗生素部分被吸收，部分被排出，这在选择压力下促进了ARB和ARGs在动物肠道和环境中的发展和传播。此外，畜禽粪便中含有ARB和ARGs[2]，可能成为这些物质的直接污染源。据保守估计，抗生素耐药感染每年在美国导致23,000人死亡[3]，预计到2050年抗菌素耐药性将成为主要死因[4]。因此，我们需要有效的策略来防止ARB和ARGs在畜牧业中的传播。从农业角度来看，作为抗生素、ARB和ARGs主要载体的动物粪便需要得到适当处理[5]。堆肥是一种传统的有效方法，可在土地施用前减少危害。这是一个受控系统（在有氧条件下，保持适当湿度和温度），通过微生物（包括嗜冷菌、中温菌和嗜热菌）将有机原料分解为相对稳定的状态。然而，堆肥的主要缺点是制备时间较长（超过3个月），且在此过程中氮（N）和碳（C）等养分可能会流失[7]。因此，需要改进传统堆肥工艺以减少养分损失并提高肥料效率。
为缩短堆肥时间并提升肥料潜力，人们提出了多种预处理方法。最近研究的一种方法是水热处理（HTP）。HTP有助于提高生物质的脱水性和生物降解性，以及后续生物处理的效率[[8],[9],[10]]。HTP过程中的高温高压条件可以破坏微生物细胞、使核酸变性并改变微生物结构，从而影响有机碳的溶解性和ARB及ARGs在堆肥系统中的命运。多项研究表明，HTP在生物处理过程中有可能进一步消除ARB或ARGs[11],[12]。Ma等人[13]进行了HTP后继之以中温厌氧和好氧消化的实验，发现预处理显著减少了九种代表性ARGs的丰度，减少了1.59至2.60 log单位。在我们之前的研究中，经过175°C下2小时的水热处理后，抗生素耐药的大肠杆菌被完全去除，同时ARGs减少了2至3 log单位[14]。消除堆肥中的ARB和ARGs有助于抑制农业区域的细菌再生或水平基因转移，降低食品和水环境中的生物风险。
以往的研究主要集中在HTP作为厌氧消化预处理的方法上，而其在堆肥预处理中的应用研究较少。尚未考察HTP对后续堆肥过程的影响，特别是最终产品中ARGs的含量和肥料潜力。仅有少数研究报道了猪粪、鸡粪和水果经过HTP处理后的肥料潜力。一项研究显示，猪粪在200°C下处理60分钟后，98%的氮转化为可溶性形式；150°C下处理60分钟后，可溶性磷含量增加了2.7倍[15]。关于使用牛粪作为原料制成的堆肥的肥料潜力，以及HTP对其肥料潜力和后续堆肥过程中ARB及ARGs去除效果的信息有限。
除了传统堆肥外，还开发了连续好氧堆肥（CTC）等替代堆肥技术，以在可控条件下加速堆肥过程[16],[17,18]。不同堆肥工艺的条件（如温度、时间和湿度）可能导致堆肥中的微生物群落和有机化合物发生变化，从而影响其物理化学性质。HTP作为这些堆肥工艺预处理的效果尚未得到研究。
本文假设HTP可以增强ARB和ARGs的去除效果，并在后续堆肥过程中提高堆肥质量。本研究系统评估了HTP对ARG动态和肥料潜力的影响，比较了传统堆肥（CC）和连续好氧堆肥（CTC）两种方法。肥料潜力主要通过发芽指数（GI）进行评估，该指数反映了堆肥成熟度和植物毒性；同时结合其他物理化学性质提供堆肥质量的信息。这种比较方法有助于评估HTP在不同堆肥制度下的效果一致性，并阐明其在综合粪便管理系统中的潜在作用。
实验部分
样品收集
用于牛粪堆肥的原材料来自日本的一家畜牧场。CC实验的样品采集于2022年10月3日，CTC实验的样品采集于2022年5月20日。这些样品的基本信息总结在表S1中。HTP和堆肥过程的实验方法
在HTP处理前，将100克原材料与270克去离子水混合后转入不锈钢反应器中。每个反应器随后被密封并在NDO-400型烤箱（Eyela，日本）中加热
堆肥参数的变化
CC过程中堆肥C和P的参数变化如图2所示。
堆肥C的pH变化趋势与堆肥P相似（图2a）。HTP对后续堆肥过程中的pH变化影响有限。特别是在好氧阶段初期，观察到pH值上升，这主要是由于有机酸的降解和氨化作用
结论
研究了HTP对后续堆肥过程（CC或CTC）的影响，重点关注肥料潜力及堆肥中目标ARB和ARGs的命运。在CC和CTC过程中，含HTP的堆肥P的肥料潜力均高于不含HTP的堆肥C，表明HTP有助于提高堆肥质量。然而，CC处理后的高pH值及CTC处理后电导率（EC）的增加需要进一步调整
作者贡献声明
林东范：撰写初稿，监督。
陈逸仁：数据收集，数据分析。
金伊萝：资金获取，数据分析。
西村文武：监督，项目管理，资金获取。
致谢
本研究得到了
JST-Mirai计划（项目编号JPMJMI22D1）和
韩国国家研究基金会（NRF）支持，资金由
韩国科学与信息通信技术部提供（RS-2021-NR055701）。
