CN115490407A - 一种规模化奶牛场粪便处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于畜禽粪便处理技术领域,公开了一种规模化奶牛场粪便处理方法,包括:原位采集规模化奶牛场的粪便样本,并对所述粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析;制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物,基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因,针对所述典型耐药基因对所述粪便牛粪进行梯度条件下的生物沥浸处理,筛选生物沥浸处理的最优条件;基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理。本发明能够有效降低粪便中的耐药基因种类及丰度,处理效果好,且处理彻底,能够促进规模化奶牛场粪便的资源化与无害化利用。
Description
技术领域
本发明属于畜禽粪便处理技术领域,尤其涉及一种规模化奶牛场粪便处理方法。
背景技术
目前,我国规模化畜禽养殖业的迅速发展导致畜禽粪便的产量急剧增加,大量的畜禽粪便无法进行有效的处理处置,给环境带来了巨大的潜在危害。据统计,2017年我国畜禽粪便排放总量约38亿吨,其中真正被还田消纳利用的不足60%。为了解决畜禽粪便处理处置过程中的污染问题,我国相继出台了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用意见》、《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017—2020年)》等一系列政策,倡导以种养紧密结合、农牧循环的可持续发展新格局全面推进畜禽粪便的资源化利用。近年来,我国的奶牛养殖业迅速发展,奶牛的存栏量目前己经高达1400万头,位居世界前三位,因此奶牛粪便也成为了我国主要的畜禽粪便之一。
规模化奶牛场养殖场中常常使用各种抗生素,以预防动物的疾病和促进动物的生长。抗生素很难在奶牛体内被吸收代谢,它们大部分以原药的形式残留于奶牛的粪便中,这对其中的微生物产生了极大的选择性压力,从而诱导了不同种类耐药基因(Antibioticresistance genes,ARGs)的产生。耐药基因是一种新型的环境污染物,它能够通过多种途径在环境中进行转移和传播,从而引起致病菌抗生素抗性的增加,这严重降低了抗生素对于人类疾病的治疗效果。耐药基因所引起的抗生素抗性问题导致世界范围内每年约有700万人死亡,它们严重威胁着人类的健康,并给全球疾病治疗带来了巨大的挑战。因此,在规模化奶牛场粪便处理和处置过程中,耐药基因的削减和控制需要被重点研究。
规模化奶牛场粪便主要通过好氧堆肥或厌氧消化的方式进行处理,然后再以土地利用的方式达到资源化利用的目的,因此好氧堆肥和厌氧消化技术对其中耐药基因的削减效果受到了广泛的关注。好氧堆肥和厌氧消化技术均能一定程度的削减牛粪中大部分的抗生素,但是它们对牛粪中部分种类的耐药基因削减效果有限。因此,需重点研究能够有效促进规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的新技术,这将对其无害化、资源化处理处置有着重要的指导意义。
通过上述分析,现有技术存在的问题及缺陷为:现有的畜禽粪便处理方法对于粪便中耐药基因的处理效果有限,导致畜禽粪便的资源化利用会增加环境抗生素抗性,对公共健康造成极大的潜在威胁。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种规模化奶牛场粪便处理方法。
本发明是这样实现的,一种规模化奶牛场粪便处理方法,所述规模化奶牛场粪便处理方法包括:
步骤一,原位采集规模化奶牛场的粪便样本,并对所述粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析;
步骤二,制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物,基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因,针对所述典型耐药基因对所述牛粪进行梯度条件下的生物沥浸处理,筛选生物沥浸处理的最优条件;
步骤三,基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理。
进一步,所述步骤一中,对粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析包括:
(1)将所述粪便样本进行超声振荡处理后,再进行冷冻干燥处理,将冷冻干燥处理后的粪便样本进行低温超声粉碎处理;
(2)向所述粪便鉴定样本添加一定量的交联聚乙烯吡咯烷酮溶液以及三羟甲基氨基甲烷溶液,并混合均匀;
(3)将混合均匀后的粪便鉴定样本进行离心处理,取上清液;
(4)利用DNA提取试剂盒提取所述上清液中的DNA,并基于所述提取的DNA构建粪便微生物基因文库;
(5)利用测序平台基于所述粪便微生物基因文库进行宏基因组测序,确定所述粪便样本中的典型耐药基因。
进一步,所述步骤(3)中,进行离心处理包括:于1500rpm条件下离心20min。
进一步,所述步骤二中,筛选生物沥浸处理的最优条件包括以下步骤:
1)获取规模化奶牛场粪便中耐药基因种类及丰度检测结果,并基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因及粪便生物沥浸的初始参数;
2)基于所述粪便生物沥浸的初始参数确定生物沥浸梯度处理条件,基于所述生物沥浸梯度条件分别对规模化奶牛场粪便进行处理;
3)对所述处理后粪便进行典型耐药基因的检测分析,并对比梯度条件处理后粪便中典型耐药基因种类及丰度的变化;
4)基于所述梯度条件处理后粪便中耐药基因种类及丰度检测结果的变化以及与步骤1)中所述规模化奶牛场粪便检测结果的对比确定生物沥浸的最优处理条件。
进一步,所述粪便生物沥浸的参数包括:能源物质的种类、能源物质的添加量、接种物添加比例以及生物沥浸处理时间。
进一步,所述制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物包括:
获取氧化亚铁硫杆菌的初始菌液,并对所述氧化亚铁硫杆菌的初始菌液进行富集驯化培养,得到规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。
进一步,所述对氧化亚铁硫杆菌的初始菌液进行富集驯化培养,得到规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物包括:
1)将获取的氧化亚铁硫杆菌的初始菌液接种于液体培养基中,并将所述液体培养基放置于配备溶解氧电极的曝气装置中于室温下进行氧化亚铁硫杆菌的初次培养;
2)配制氧化亚铁硫杆菌富集培养基,并将初次培养后的氧化亚铁硫杆菌以及培养基中沉积物添加到所述氧化亚铁硫杆菌富集培养基中进行氧化亚铁硫杆菌的富集培养;
3)将富集后的氧化亚铁硫杆菌菌液接种至规模化奶牛场粪便中进行驯化培养,得到携带大量氧化亚铁硫杆菌群的奶牛粪接种物;所述携带大量氧化亚铁硫杆菌群的奶牛粪接种物为规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。
进一步,所述步骤2)中,进行氧化亚铁硫杆菌的富集驯化培养包括:于室温下、150-160r/min的恒温摇床中进行氧化亚铁硫杆菌的富集驯化培养。
进一步,所述氧化亚铁硫杆菌富集培养基中还添加有适量的能源物质。
进一步,所述步骤三中,基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理包括:
首先,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的接种物的接种比例,将得到的规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物接种于待处理的粪便;
其次,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的能源物质的种类以及添加量向所述生物沥浸反应池中的粪便中添加能源物质;
最后,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的处理时间对所述生物沥浸反应池进行好氧曝气处理,从而完成最优条件下牛粪的生物沥浸处理。
结合上述的技术方案和解决的技术问题,请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为:
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度,紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等,详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题,解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下:
本发明能够有效的降低粪便中的耐药基因的种类及丰度,处理效果好,且处理彻底,能够促进规模化奶牛场粪便的资源化与无害化利用。
第二,把技术方案看做一个整体或者从产品的角度,本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点,具体描述如下:
本发明从规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中耐药基因种类及丰度的变化特征入手,结合上述过程中牛粪颗粒理化性质、微生物细胞裂解程度和微生物群落组成的改变,确定牛粪生物沥浸处理过程中微生物细胞裂解程度变化、耐药基因潜在宿主微生物丰度改变和耐药基因削减之间的关系,确定规模化奶牛场粪便生物沥浸处理促进其中耐药基因削减的具体机制,并基于此得到一套新的规模化奶牛场粪便处理方法,对于牛粪无害化与资源化利用具有重要的学术意义和工程实用价值,为控制抗生素抗性在环境中的扩散和传播提供科学依据和技术支撑。
附图说明
图1是本发明实施例提供的规模化奶牛场粪便处理方法流程图;
图2是本发明实施例提供的对粪便样本进行耐药基因种类及丰度检测分析的方法流程图;
图3是本发明实施例提供的规模化奶牛场粪便中耐药基因在其亚型分类水平上的种类及丰度示意图;
图4是本发明实施例提供的规模化奶牛场粪便中耐药基因在其抗生素分类水平上的种类及丰度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现,该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示,本发明实施例提供的规模化奶牛场粪便处理方法包括:
S101,原位采集规模化奶牛场的粪便样本,并对所述粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析;
S102,制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物,基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因,针对所述典型耐药基因对所述粪便进行梯度条件下的生物沥浸处理,筛选生物沥浸处理的最优条件;
S103,基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理。
如图2所示,步骤S101中,本发明实施例提供的对粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析包括:
S201,将所述粪便样本进行超声振荡处理后,再进行冷冻干燥处理,将冷冻干燥处理后的粪便样本进行低温超声粉碎处理;
S202,向所述粪便鉴定样本添加一定量的交联聚乙烯吡咯烷酮溶液以及三羟甲基氨基甲烷溶液,并混合均匀;
S203,将混合均匀后的粪便鉴定样本于1500rpm条件下离心20min,取上清液;
S204,利用DNA提取试剂盒提取所述上清液中的DNA,并基于所述提取的DNA构建粪便微生物基因文库;
S205,利用测序平台基于所述粪便微生物基因文库进行宏基因组测序,确定所述粪便样本中的典型耐药基因。
步骤S102中,本发明实施例提供的筛选生物沥浸处理的最优条件包括以下步骤:
1)获取规模化奶牛场粪便中耐药基因种类及丰度的检测结果,并基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因及粪便生物沥浸的初始参数;
2)基于所述粪便生物沥浸的初始参数确定生物沥浸梯度处理条件,基于所述生物沥浸梯度条件分别对规模化奶牛场粪便进行处理;
3)对所述处理后粪便进行典型耐药基因的检测分析,并对比梯度条件处理后粪便中典型耐药基因种类及丰度的变化;
4)基于所述梯度条件处理后粪便中耐药基因种类及丰度检测结果的变化以及与步骤1)中所述规模化奶牛场粪便检测结果的对比确定生物沥浸的最优处理条件。
本发明实施例提供的粪便生物沥浸的参数包括:能源物质的种类、能源物质的添加量、接种物添加比例以及生物沥浸处理时间。
本发明实施例提供的制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物包括:
获取氧化亚铁硫杆菌的初始菌液,并对所述氧化亚铁硫杆菌的初始菌液进行富集驯化培养,得到规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。
本发明实施例提供的对氧化亚铁硫杆菌的初始菌液进行富集驯化培养,得到规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物包括:
1)将获取的氧化亚铁硫杆菌的初始菌液接种于液体培养基中,并将所述液体培养基放置于配备溶解氧电极的曝气装置中于室温下进行氧化亚铁硫杆菌的初次培养;
2)配制氧化亚铁硫杆菌富集培养基,并将初次培养后的氧化亚铁硫杆菌以及培养基中沉积物添加到所述氧化亚铁硫杆菌富集培养基中于室温下、150-160r/min的恒温摇床中进行氧化亚铁硫杆菌的富集培养;
3)将富集后的氧化亚铁硫杆菌菌液接种至规模化奶牛场粪便中进行驯化培养,得到携带大量氧化亚铁硫杆菌群的奶牛粪接种物;所述携带大量氧化亚铁硫杆菌群的奶牛粪接种物为规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。
步骤2)中,进行氧化亚铁硫杆菌的富集驯化培养包括:于室温下、150-160r/min的恒温摇床中进行氧化亚铁硫杆菌的富集驯化培养。
本发明实施例提供的氧化亚铁硫杆菌富集培养基中还添加有适量的能源物质。
步骤S103中,本发明实施例提供的基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理包括:
首先,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的接种物的接种比例,将得到的规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物接种于待处理的粪便;
其次,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的能源物质的种类以及添加量向所述生物沥浸反应池中的粪便中添加能源物质;
最后,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的处理时间对所述生物沥浸反应池进行好氧曝气处理,从而完成最优条件下牛粪的生物沥浸处理。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
1、内容
(1)规模化奶牛场粪污中主要重金属和耐药基因的种类及丰度检测。
采用宏基因组测序法检测分析规模化奶牛场粪便中的耐药基因种类及丰度,从而确定规模化奶牛场粪便中典型的耐药基因,并针对上述目标耐药基因进行后续实验。
(2)规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中典型耐药基因削减效果研究。
采用不同能源物质添加量和接种物添加比例对规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理,并研究其生物沥浸处理过程中耐药基因丰度(绝对丰度和相对丰度)的变化特征,从而全面评价能源物质添加量、接种物添加比例及生物沥浸处理时间对牛粪中耐药基因削减的影响,最终明确生物沥浸技术实现规模化奶牛场粪污中耐药基因削减的最佳处理条件。
(3)规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中耐药基因削减的机制研究。
根据内容(2)的相关结果,在最佳条件下对规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理,采用流式细胞仪和实时荧光定量PCR(qPCR)技术分别检测上述过程中微生物细胞裂解程度和细菌总生物量的变化,并分析上述过程中微生物细胞裂解程度改变、细菌总生物量的改变和ARGs绝对丰度的变化之间的关系;采用16S扩增子测序技术研究牛粪生物沥浸过程中微生物群落组分的改变,分析其中ARGs的相对丰度变化与微生物群落组分改变之间关系,利用统计学分析方法确定ARGs潜在微生物宿主种类并阐述其丰度变化;最终,通过评价规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中微生物细胞裂解所引起的微生物大量死亡对其中ARGs削减的贡献,并结合上述程中ARGs潜在微生物宿主种类及丰度的变化、ARGs的削减之间的关系,全面揭示规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中耐药基因削减的具体机制。
2、目标:
本发明通过分析规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中ARGs丰度的变化特征,探究生物沥浸技术促进牛粪中ARGs削减效果及其最佳处理条件,同时研究牛粪生物沥浸处理过程中微生物细胞裂解程度变化、ARGs潜在宿主微生物丰度改变和ARGs削减之间的关系,从而揭示牛粪生物沥浸处理促进其中耐药基因削减的具体机制。本发明有助于建立一套新的规模化奶牛场粪便处理处置技术模式,对于牛粪无害化与资源化利用具有重要的学术意义和工程实用价值。
3、方案及可行性分析(包括方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明)
本发明的研究工作与申请者长期研究工作之间存在紧密的联系。申请人在研究生及讲师阶段围绕生物沥浸技术进行了大量环境化学和环境工程微生物方向的工作。在生物沥浸技术方面,申请人针对生物沥浸技术对市政污泥脱水性能的改善及其相关机制进行了深入的研究,同时探究了生物沥浸污泥好氧堆肥处理实现多环芳烃高效生物降解的具体机制,因此申请人充分理解生物沥浸技术的机制并熟练掌握生物沥浸技术的应用。在耐药基因研究方面,申请人己经研究了不同的市政污泥调理技术对其中胞内ARGs和胞外ARGs的削减效果及其具体机制,并发现了生物沥浸技术在耐药基因削减中的重要性和突出的优势,而本发明是在此研究基础上展开的进一步深入发展。2019年工作至今,申请者及其所在团队致力于将生物沥浸技术应用于畜禽粪便处理中,以削减和控制其中以耐药基因为主的复合污染物,从而促进畜禽粪便的资源化与无害化利用。综上所述,本发明的研究目标是申请者长期目标的一部分,并且将作为长期目标中重要的一部分,为长期研究目标的实现打下坚实的基础。
本发明拟依照以下技术路线展开(如图1)。具体依照规模化奶牛场粪便中耐药基因种类与丰度的检测分析、生物沥浸技术促进规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的效果及其最佳处理条件研究、生物沥浸技术促进规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的具体机制探究的技术路线进行,全面评价生物沥浸技术应用于规模化奶牛场粪便无害化处理中的前景,从而促进规模化奶牛场粪便的资源化与无害化利用。
(1)规模化奶牛场粪便中耐药基因种类及丰度的检测分析
从规模化奶牛场原位收集粪便,将收集到的规模化奶牛场粪便进行冷冻干燥处理,然后利用PowerSoil DNA Isolation Kit(MO BIO,USA)提取其中的DNA,对提取的DNA样品进行基因文库的构建,然后使用Illumina HiSeq4000平台(Illumina Inc.,San Diego,CA,USA)对其进行宏基因组测序,从而明确规模化奶牛场粪便中的典型耐药基因,此为后续生物沥浸处理的目标污染物。
(2)规模化奶牛场粪便生物沥浸处理
将氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans LX5)进行富集培养,然后将其接种到新鲜牛粪中进行震荡驯化培养,从而获得规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。将50mL的接种物添加至装有450mL牛粪的三角瓶中,分别按不同的Fe2+浓度(1g/L、2g/L、3g/L的Fe2+)向其中加入能源物质FeSO4·7H2O,然后将上述样品置于28℃、180rpm的条件下震荡培养,从而完成规模化奶牛场粪便的生物沥浸处理。与此同时,将50mL,75mL和100mL接种物分别添加至装有450mL,425mL和400mL的含牛粪的三角瓶中,再按照2g/LFe2+的浓度向其中加入FeSO4·7H2O,然后按照相同的方法进行规模化奶牛场粪便的生物沥浸处理。
此外,设置添加能源物质(2g/L的Fe2+)而不添加接种物、添加50mL接种物而不添加能源物质、不添加接种物和能源物质的三组空白对照处理。上述处理过程中每隔6h从摇瓶中取样,整个处理过程共取样6次。
(3)生物沥浸技术促进规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的效果研究。
收集方案(2)中的生物沥浸牛粪样品和空白对照处理样品,对其进行冷冻干燥并利用PowerSoil DNA Isolation Kit(MO BIO,USA)提取其中的DNA,然后利用qPCR技术检测DNA样品中典型ARGs的丰度(绝对丰度和相对丰度),实验过程中典型ARGs的种类根据研究方案(1)中宏基因组测序分析的结果确定。根据qPCR的检测结果,对比规模化奶牛场粪便在不同条件生物沥浸处理下其中ARGs丰度的变化特征,全面评价生物沥浸技术促进规模化奶牛场粪便中ARGs削减的效果,进而明确实现规模化奶牛场粪便中ARGs削减的最适生物沥浸处理条件。此外,查阅高温堆肥法、高温厌氧消化法对规模化奶牛场粪便中ARGs削减效果的文献,对比规模化奶牛场粪污生物沥浸处理、高温堆肥处理和高温厌氧消化处理在污染物削减方面的差异,从而评价生物沥浸技术在规模化奶牛场粪便处理方面的应用前景。
(4)生物沥浸技术促进规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的机制研究。
根据方案(3)的结果确定实现模化奶牛场粪便中ARGs削减的最适生物沥浸处理条件,然后在此条件下对规模化奶牛场粪便进行36小时的生物沥浸处理,并每隔6小时取样一次。收集上述牛粪样品,采用AnnexinV-FITC/PI(SigmaAldrich,USA)试剂盒对牛粪样品进行双染色法处理并利用流式细胞仪测定其中微生物细胞的裂解程度;对牛粪样品进行冷冻干燥处理并利用PowerSoil DNAIsolation Kit(MOBIO美国)提取其中的DNA,然后利用扩增子测序技术检测其中的微生物群落组分;采用qPCR技术测定牛粪样品DNA中典型ARGs和16SrRNA基因的拷贝数,从而计算上述样品中ARGs的丰度(绝对丰度及相对丰度)和细菌的总生物量(16S rRNA gene copies/gDS);采用斯皮尔曼分析(Spearman analysis)法分析上述样品中微生物细胞裂解程度变化、细菌总生物量变化、典型ARGs的绝对丰度变化之间的关系,明确牛粪生物沥浸过程中微生物细胞裂解所引起的细菌总生物量的降低对其中典型ARGs削减的影响;采用普鲁***(Procrustes analysis)和网络结构分析(Networkanalysis)法,研究牛粪中典型ARGs的相对丰度改变与其中微生物群落组分变化之间的关系,从而鉴定ARGs的潜在微生物宿主种类并阐述其丰度变化特征;最终,通过分析牛粪生物沥浸处理过程中微生物细胞裂解所引起的微生物大量死亡对其中ARGs削减的贡献,并结合牛粪生物沥浸处理过程中ARGs潜在微生物宿主种类及丰度变化、ARGs削减之间的关系,全面揭示规模化奶牛场粪便生物沥浸处理过程中耐药基因削减的具体机制。
4、创新之处
规模化奶牛场粪便中ARGs的有效削减对于保证其资源化处置的安全性具有重要的意义,针对现有牛粪处理技术难以同时削减其中ARGs的问题,本发明首次提出利用生物沥浸技术来实现牛粪中ARGs削减的新思路,能够在不影响既有的规模化奶牛场粪便处理流程的前提下实现其中典型耐药基因的有效削减与控制。基于上述思路,本发明拟从规模化奶牛场粪便生物沥浸过程中耐药基因丰度的变化特征入手,探究生物沥浸技术促进牛粪中ARGs的削减效果及其最佳处理条件,同时研究牛粪生物沥浸处理过程中微生物细胞裂解程度变化、ARGs潜在宿主微生物丰度改变和ARGs削减之间的关系,从而揭示牛粪生物沥浸处理促进其中ARGs削减的具体机制。本发明的牛粪处理处置技术模式,对于规模化奶牛场粪便的无害化与资源化利用具有重要的学术意义和工程实用价值。到目前为止,国内外尚未发现类似报道。因此,本发明研究思路清晰,内容新颖,具有明显的创新性。
5、基础与工作条件(与本发明相关的研究工作积累,己具备的研究支撑条件)
1)申请人研究生及工作期间围绕生物沥浸技术进行了大量环境化学和环境工程微生物方向的工作,以第一作者身份在Water Research,Journal of HazardousMaterials,Science of the Total Environment,Waste Management,Bioresourcetechnology等刊物发表SCI一区论文6篇,以通讯作者身份在中文核心期刊环境化学上发表论文1篇。在生物沥浸技术方面,申请人前期深入研究了生物沥浸技术对市政污泥脱水性能的改善及其相关机制,并进一步探究了生物沥浸污泥好氧堆肥过程实现高效多环芳烃生物降解的具体机制。在耐药基因研究方面,申请人己经具体研究了不同调理技术削减市政污泥中胞内ARGs和胞外ARGs的效果及其相关机制,并发现了生物沥浸技术在耐药基因削减中的重要性和突出的优势。鉴于本发明是在上述研究基础上展开的进一步深入发展,因此本发明涉及的许多内容均有较好的前期工作基础。
2)本发明团队近期利用宏基因组测序技术检测了规模化奶牛场粪污处理处置过程中ARGs种类和丰度的变化,并发现其中丰度最高的典型耐药基因为四环素类ARGs(tet32,tet36,tet40,tetm,teto,tetq,tetw,tetx,tett和tetpb),同时氨基糖普类ARGs(aac6ie,ant3ia,aph3iiia和aph6id)、磺胺类ARGs(sull和sul2)和MLSB类ARGs(ermf,lnub和mefa)也保持着较高的丰度。上述结果有助于确定规模化奶牛场粪便中典型ARGs种类,在后续的工作中将具体针对规模化奶牛场粪便中典型ARGs,研究生物沥浸技术实现规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的最佳处理条件、生物沥浸技术实现规模化奶牛场粪便中耐药基因削减的具体机制等问题,这对规模化奶牛场粪便的安全利用与资源化有着重要的学术意义和实用价值。因此,本发明的研究内容具有切实可行的、扎实的前期工作基础。
3)本发明的执行单位瞄准国家发展需求,以固体废弃物污染防治问题为导向,在固体废弃物处理与资源化领域开展创新性应用研究。针对农业固体废弃物处置与资源化利用的瓶颈,研究院开发具有自主知识产权的固体废弃物污染控制与资源化工程技术,为缓解我国日益严重的资源短缺和固体废弃物环境污染问题提供理论和技术支撑。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值,该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
将本发明实施例通过的规模化奶牛场粪便处理方法应用于规模化粪便处理中。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述规模化奶牛场粪便处理方法包括:
步骤一,原位采集规模化奶牛场的粪便样本,并对所述粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析;
步骤二,制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物,基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因,针对所述典型耐药基因对所述粪便牛粪进行梯度条件下的生物沥浸处理,筛选生物沥浸处理的最优条件;
步骤三,基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理。
2.如权利要求1所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述步骤一中,对粪便样本进行耐药基因种类及丰度的检测分析包括:
(1)将所述粪便样本进行超声振荡处理后,再进行冷冻干燥处理,将冷冻干燥处理后的粪便样本进行低温超声粉碎处理;
(2)向所述粪便鉴定样本添加一定量的交联聚乙烯吡咯烷酮溶液以及三羟甲基氨基甲烷溶液,并混合均匀;
(3)将混合均匀后的粪便鉴定样本进行离心处理,取上清液;
(4)利用DNA提取试剂盒提取所述上清液中的DNA,并基于所述提取的DNA构建粪便微生物基因文库;
(5)利用测序平台基于所述粪便微生物基因文库进行宏基因组测序,确定所述粪便样本中的典型耐药基因。
3.如权利要求2所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述步骤(3)中,进行离心处理包括:于1500rpm条件下离心20min。
4.如权利要求2所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述步骤二中,筛选生物沥浸处理的最优条件包括以下步骤:
1)获取规模化奶牛场粪便检测结果,并基于所述规模化奶牛场粪便检测结果确定所述粪便中的典型耐药基因及粪便生物沥浸的初始参数;
2)基于所述粪便生物沥浸的初始参数确定生物沥浸梯度处理条件,基于所述生物沥浸梯度条件分别对规模化奶牛场粪便进行处理;
3)对所述处理后粪便进行典型耐药基因的检测分析,并对比梯度条件处理后粪便中典型耐药基因种类及丰度的变化;
4)基于所述梯度条件处理后粪便中耐药基因种类及丰度检测结果的变化以及与步骤1)中所述规模化奶牛场粪便检测结果的对比确定生物沥浸的最优处理条件。
5.如权利要求4所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述粪便生物沥浸的参数包括:能源物质的种类、能源物质的添加量、接种物添加比例以及生物沥浸处理时间。
6.如权利要求1所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述制备规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物包括:
获取氧化亚铁硫杆菌的初始菌液,并对所述氧化亚铁硫杆菌的初始菌液进行富集驯化培养,得到规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。
7.如权利要求6所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述对氧化亚铁硫杆菌的初始菌液进行富集驯化培养,得到规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物包括:
1)将获取的氧化亚铁硫杆菌的初始菌液接种于液体培养基中,并将所述液体培养基放置于具备溶解氧电极的曝气装置中于室温下进行氧化亚铁硫杆菌的初次培养;
2)配制氧化亚铁硫杆菌富集培养基,并将初次培养后的氧化亚铁硫杆菌以及培养基中沉积物添加到所述氧化亚铁硫杆菌富集培养基中进行氧化亚铁硫杆菌的富集培养;
3)将富集后的氧化亚铁硫杆菌菌液接种至规模化奶牛场粪便中进行驯化培养,得到携带大量氧化亚铁硫杆菌群的奶牛粪接种物;所述携带大量氧化亚铁硫杆菌群的奶牛粪接种物为规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物。
8.如权利要求7所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述步骤2)中,进行氧化亚铁硫杆菌的富集驯化培养包括:于室温下、150-160r/min的恒温摇床中进行氧化亚铁硫杆菌的富集驯化培养。
9.如权利要求7所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述氧化亚铁硫杆菌富集培养基中还添加有适量的能源物质。
10.如权利要求1所述规模化奶牛场粪便处理方法,其特征在于,所述步骤三中,基于确定的生物沥浸的最优处理条件对所述规模化奶牛场粪便进行生物沥浸处理包括:
首先,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的接种物的接种比例,将得到的规模化奶牛场粪便生物沥浸处理的接种物接种于待处理的粪便;
其次,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的能源物质的种类以及添加量向所述生物沥浸反应池中的粪便中添加能源物质;
最后,基于确定的生物沥浸的最优处理条件中的处理时间对所述生物沥浸反应池进行好氧曝气处理,从而完成最优条件下牛粪的生物沥浸处理。
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