红壤重金属复合污染修复的生态环境效应与评价指标

通过对重金属复合污染红壤菜园土和水稻土的培育试验,研究施用有机肥和石灰对红壤中生物有效性重金属(Cd、Cu、Pb)含量、土壤微生物和植物生理过程的影响.试验结果表明,石灰对土壤重金属污染的修复效果比有机肥好.施用石灰降低了0.05mol/L HCl提取的土壤生物有效性Cu和Pb的含量,施用猪粪后显著增加了土壤生物有效性Cd的含量,红薯植株中重金属含量的变化与此一致.土壤生物有效性重金属含量与可溶性有机碳(DOC)呈极显著相关.施用石灰和有机肥后,土壤微生物数量增加,3大菌中放线菌数量与生物有效性重金属的含量之间显著相关,但微生物生物量碳只与土壤生物有效性Cd含量显著相关.红薯根系中重金属含量与土壤生物有效性重金属含量之间显著相关,但在茎叶中只有Cu表现出显著相关性.施用石灰和有机肥后红薯的生理指标大多增加.土壤生物有效性Cu、Pb含量与红薯的平均蒸腾速率、净生物量和叶面积指数之间表现出很好的相关性,但土壤生物有效性Cd含量与红薯生理指标相关性不强.在红薯苗期,土壤生物有效性Cu、Pb与红薯的日平均净光合速率和蒸腾速率之间相关显著.因此作物生长期的生理指标可以指示土壤重金属生物有效性的变化.     

畜禽粪便生物处理与土地利用全过程中抗生素和重金属抗性基因的赋存与转归特征研究进展

抗生素抗性基因(antibiotic resistance gene,ARG)在全球范围内的传播已引起国际上的广泛关注.越来越多的证据显示抗生素和重金属对抗生素抗性基因在环境中的分布和传播起到了重要作用.畜禽粪便是环境中抗生素和重金属的主要污染源之一,并已成为抗生素抗性基因重要的蓄积库.生物处理(如厌氧发酵和好氧堆肥)和土地利用是畜禽粪便广泛应用的处理与处置方式.本文通过文献调研,综述国内外抗生素抗性基因和重金属抗性基因在畜禽粪便生物处理及土地利用全过程中的传播、分布及控制的研究进展,并对今后的研究重点和方向提出建议和展望,以期为我国畜禽养殖粪便的风险控制和资源化利用提供借鉴.针对畜禽粪便处理处置全过程中抗性基因的削减与控制,我们建议在以下方面开展深入研究:1抗生素抗性基因和重金属抗性基因在全过程中的赋存与转归特征;2生物处理工艺操作参数对畜禽粪便中抗性基因分布及其削减的影响;3加强综合管理研究,源头控制抗性基因;4研发适于全过程抗性基因的协同控制关键技术等.     

对比研究槽式堆肥处理不同畜禽粪便对植物毒性的影响

为揭示槽式堆肥过程中不同畜禽粪便堆肥理化性质的变化及其对植物毒性的影响,分别开展了以羊、牛、鸡、猪粪便与木屑为堆料、为期44 d的好氧槽式堆肥对比试验,采集了不同堆肥期的堆肥样品,测定了堆肥的pH、电导率（EC）、可溶性有机碳（DOC）、硝氮（NO₃^--N）、氨氮（NH₄⁺-N）、全氮（TN）、碳氮比（C/N）、全磷（TP）、全钾（TK）、铜（Cu）、锌（Zn）含量及水堇的相对生长指数（RGI）和种子发芽指数（GI）,并通过相关分析和线性回归拟合,分析了堆肥过程粪便对水堇种子植物毒性的影响机制.结果表明,槽式堆肥过程中,羊粪的高温期持续时间最长,牛粪其次,猪粪和鸡粪最短;堆肥结束时4种粪便均呈弱碱性.堆肥过程中猪粪和鸡粪的EC降低,其他粪便的EC变化幅度较小,各粪便的DOC、NH₄⁺-N含量降低,NO₃^--N、TP、TK、Cu和Zn含量增加,牛粪和鸡粪的C/N逐渐降低,而猪粪和羊粪的C/N呈先升后降的趋势,羊粪和猪粪的TN含量下降,鸡粪和牛粪的TN含量缓慢上升.堆肥过程中4种粪便对水堇种子的植物毒性均降低,且RGI和GI升幅由高到低为：牛粪 > 羊粪 > 鸡粪 > 猪粪.相关分析表明,堆肥过程中羊粪的TP、Cu、Zn,牛粪的Zn、TK、TP、NO₃^--N,鸡粪的NO₃^--N、TN、Cu,猪粪的NO₃^--N、TP、Zn、TK与RGI呈显著正相关（p<0.01）;而羊粪的Cu、TP、TK,牛粪的Zn、TK、TP,鸡粪的Cu、TN、NO₃^--N、TK,猪粪的TP、Zn、NO₃^--N与GI呈显著正相关（p<0.01）.由此表明,不同粪便堆肥的以上指标促进了植物的根伸长和种子发芽.但堆肥过程中羊粪的NH₄⁺-N、TN、DOC,牛粪的NH₄⁺-N、DOC、C/N、EC,鸡粪的C/N、EC、DOC,猪粪的NH₄⁺-N、DOC、EC与RGI呈显著负相关（p<0.01）;羊粪的NH₄⁺-N、TN、DOC,牛粪的NH₄⁺-N、DOC、C/N,鸡粪EC、DOC、C/N,猪粪的NH₄⁺-N、DOC、EC与GI呈显著负相关（p<0.01）.由此表明,不同粪便的以上指标显著抑制了植物的根伸长和种子发芽.多元回归分析说明,堆肥过程羊粪和牛粪的NH₄⁺-N,鸡粪的NO₃^--N、Cu、C/N和EC,猪粪的NO₃^--N和TK对水堇种子根伸长具有显著的影响,而羊粪的NH₄⁺-N和TK,牛粪的DOC、pH和EC,鸡粪Cu、TN和NO₃^--N,猪粪的TK对水堇种子发芽具有显著的影响.以上对比研究结果可为不同畜禽粪便槽式堆肥处理和土地利用提供重要的理论依据和决策支持.     

Chemical characteristics of haze particles in Xi'an during Chinese Spring Festival: Impact of fireworks burning

Fireworks burning releases massive fine particles and gaseous pollutants, significantly deteriorating air quality during Chinese Lunar New Year(LNY) period. To investigate the impact of the fireworks burning on the atmospheric aerosol chemistry, 1-hr time resolution of PM_(2.5) samples in Xi'an during the winter of 2016 including the LNY were collected and detected for inorganic ions, acidity and liquid water content(LWC) of the fine aerosols. PM_(2.5) during the LNY was 167 ± 87 μg/m~3, two times higher than the China National Ambient Air Quality Standard(75 μg/m~3). K~+(28 wt.% of the total ion mass) was the most abundant ion in the LNY period, followed by SO_4~(2-)(25 wt.%) and Cl-(18 wt.%). In contrast, NO_3~-(34 wt.%) was the most abundant species in the haze periods(hourly PM32-2.5 75 μg/m), followed by SO_4(29.2 wt.%) and NH_4~+(16.3 wt.%), while SO_4~(2-)(35 wt.%) was the most abundant species in the clean periods(hourly PM_(2.5) 75 μg/m~3), followed by NO_3~-(23.1 wt.%) and NH_4~+(11 wt.%). Being different from the acidic nature in the non-LNY periods, aerosol in the LNY period presented an alkaline nature with a pH value of 7.8 ± 1.3. LWC during the LNY period showed a robust linear correlation with K_2SO_4 and KCl, suggesting that aerosol hygroscopicity was dominated by inorganic salts derived from fireworks burning. Analysis of correlations between the ratios of NO--3/SO_4~(2-) and NH_4~+/SO_4~(2-) indicated that heterogeneous reaction of HNO_3 with NH_3 was an important formation pathway of particulate nitrate and ammonium during the LNY period.     

鸡粪与中药渣共堆肥对抗生素抗性基因的影响

畜禽粪便是抗生素抗性基因(antibiotic resistant genes,ARGs)进入环境的重要途径,为了削减畜禽粪便中的ARGs,在为期46 d的鸡粪与中药渣共堆肥后,对不同阶段ARGs和可移动基因元件(mobile gene elements,MGEs)的丰度通过实时定量PCR进行检测. 100种ARGs中检测到21种,以及2种整合酶基因(int I1和int I2)和3种转座酶基因(tnp A-01、tnp A-02和tnp A-03).结果表明,在堆肥过程中5种MGEs均显著降低,其中tnp A-01和tnp A-02去除效果最好,减少了两个数量级;氨基糖苷类抗性基因aac A/aph D和aad E显著性降低(P 0. 05);β-内酰胺类抗性基因bla OXA1与堆肥天数显著相关(P=0. 016),其去除率为78. 63%;林可酰胺类抗性基因均随堆肥时间显著降低,平均去除率为90. 39%;四环素类抗性基因的去除效果相差较大,tet G降低了99. 77%,tetR仅降低了31. 72%;喹诺酮类抗性基因qnr D去除率最高为99. 89%;磺胺类中sulⅢ的去除率高达99. 88%,而sulⅠ呈增长趋势. ARGs与MGEs相关性表明tnp A-01与ARGs之间具有显著相关性(P 0. 05). ARGs随堆肥时间的变化趋势表明,中药渣与鸡粪共堆肥可显著降低ARGs丰度,从而降低畜禽粪便在农田施用中ARGs扩散的风险.     

电场促进畜禽粪便好氧堆肥中DOM演化的光谱学研究

好氧堆肥是畜禽粪便处置和资源化利用的主要途径.传统好氧堆肥（CAC）技术存在堆体温度低、发酵周期长、腐熟效果差等缺陷.最近研究发现,电场辅助好氧堆肥（EAAC）可快速促进堆肥腐熟,缩短堆肥周期,减少温室气体排放,具有潜在的应用前景.然而,电场促进堆肥过程中水溶性有机物（DOM）演化及腐殖化过程尚未清晰.基于此,本文采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和三维荧光光谱（3D-EEM）等多种光谱技术分析了EAAC过程中DOM的演变规律.UV-Vis与3D-EEM分析表明,EAAC过程中,蛋白类物质在3 d内几乎被完全分解,富里酸和腐殖酸类物质在高温期（6~18 d）大量形成.EAAC的腐殖化指数（HI=HA/FA）高于CAC,E₄/E₆低于CAC,说明堆肥过程中DOM芳香化和腐殖化的速度与程度均优于CAC. FTIR分析显示,EAAC过程中DOM的碳水化合物、脂肪类物质逐渐减少,芳香族化合物不断增加,其腐殖化趋势明显比CAC更快.相关性分析显示,P_Ⅴ,n/P_Ⅲ,n与A_240~400、SUVA₂₅₄、E₂₅₃/E₂₂₀等UV-Vis光谱指标呈显著正相关（r>0.8, p<0.05）,可以作为评价EAAC腐熟度的重要指标.上述结果表明,电场辅助好氧堆肥可加速DOM中蛋白类物质分解,加快富里酸和腐殖酸类物质形成,促进DOM结构的芳香化.     

热解温度对畜禽粪便生物炭重金属特征变化的影响

为了揭示畜禽粪便生物炭中重金属的特征变化,以鸡粪、猪粪渣和牛粪为原料,采用低氧控温法制备生物炭,研究了不同热解温度(350、450、550、650和750℃)的畜禽粪便生物炭产率、重金属(Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和Ni)含量和相应富集系数的变化,以及原料来源、热解温度和重金属特征的相关性.结果表明,随着热解温度的升高,畜禽粪便生物炭产率逐渐下降,各重金属元素含量(Cd除外)逐渐增加,多数重金属富集系数呈降低的趋势,总体上高温热解虽增加了畜禽粪便生物炭的重金属含量,但也利于炭化过程中重金属的挥发迁移.畜禽粪便生物炭中重金属含量与热解温度、原料来源密切相关,其中与热解温度的相关性均显著,各生物炭的重金属富集能力表现为鸡粪猪粪渣牛粪.综合分析发现,热解温度对畜禽粪便生物炭的重金属特征变化有显著影响,选择低重金属含量和低富集系数的畜禽粪便可避免高温制备的生物炭在实际应用中由自身重金属可能带来的二次污染.     

畜禽粪便堆腐过程中有机碳组分与腐熟指标的变化

以牛粪、菌糠、鸡粪等为材料按照两种比例调配为混合基质,在添加或不添加发酵启动剂的条件下在发酵罐中进行为期38 d的堆肥发酵试验,研究4种处理方式下畜禽粪便腐解过程中有机碳及其组分的变化,同时通过综合发芽指数(GI)评判腐解物料的腐熟度,确定GI与有机碳组分的关系.结果表明,添加发酵启动剂可以加速有机物质的降解,使水溶性有机碳和有机酸的含量下降(比初始值含量分别下降了41.85%、85.18%),促进类富里酸向胡敏酸转化,使畜禽粪便达到快速腐熟.在两种物料配比下,较高比例的牛粪不利于堆肥物质的分解和腐熟.根据达到腐熟要求的标准(GI0.8),当TOC357.27 g·kg-1,DOC7.00 g·kg-1,FA6.45 g·kg-1,腐解后期物料的红外光谱在1020 cm-1、1427 cm-1出现较为尖锐的峰值,即碳酸盐和硝酸盐含量增加,且草酸大幅度下降时,可以认为有机物料达到完全腐熟.当牛粪、菌糠、鸡粪的混合体积比为1∶1∶1时,在添加发酵启动剂条件下有机物料在腐解29 d时达到以上腐熟指标.     

热碱-分步酶水解-厌氧消化工艺处理秸秆畜粪混合物料及其甲烷高值化条件

为获得秸秆畜粪混合物料在厌氧消化过程中的甲烷高值化产出,提出了一种新型"热碱-分步酶水解-厌氧消化"组合工艺.以玉米秸秆和牛粪混合物料作为实验对象,考察物料中纤维素、半纤维素、蛋白质获得高溶出效率的热碱预处理条件;分步投加纤维素酶和蛋白酶的剂量及水解时间;热碱预处理后的混合浆液和热碱-酶水解后的混合水解液厌氧消化甲烷产率及产气周期.结果表明,在80℃和0. 5%Na OH碱用量条件下,纤维素、半纤维素和蛋白质的溶出效率(%TS)最高,与未预处理相比(对照组),分别提高24. 84%、12. 24%和8. 92%;分步酶水解的过程和条件为:先投加80 U·g-1的纤维素酶水解18 h,再投加20 U·g-1的蛋白酶水解4 h,纤维素和蛋白质的水解效率可分别达到74. 08%和74. 01%,获得的水解液中糖类提高12～32倍;在厌氧消化阶段,热碱-酶水解后的水解液甲烷产量最高值可达750 m L·h-1,产气周期50 h,相比于热碱预处理后的底物消化(对照组),产甲烷效率提高了约14倍,产气周期缩短了约17 d.热碱-酶水解预处理能有效地解除混合物料厌氧消化过程的水解限速,研究结果可以为开发高效的农业废弃物能源高值化利用技术提供参考依据.     

Practical survey on antibiotic-resistant bacterial communities in livestock manure and manure-amended soil

Through livestock manure fertilization, antibiotics, antibiotic-resistant bacteria and genes are transferred to agricultural soils, resulting in a high prevalence of antibiotic-resistant bacteria in the soil. It is not clear, however, whether a correlation exists between resistant bacterial populations in manure and manure-amended soil. In this work, we demonstrate that the prevalence of cephalexin-, amoxicillin-, kanamycin- and gentamicin-resistant bacteria as well as bacteria simultaneously resistant to all four antibiotics was much higher in manure-amended soils than in manure-free soil. 454-pyrosequencing indicated that the ARB and multiple antibiotic-resistant bacteria (MARB) in swine or chicken manure and manure-amended soil were mainly distributed among Sphingobacterium, Myroides, Enterococcus, Comamonas and unclassified Flavobacteriaceae. The genus Sphingobacterium was highly prevalent among ARB from swine manure and manure-amended soil, and was also the most dominant genus among MARB from chicken manure and manure-amended soil. Other dominant genera among ARB or MARB populations in manure samples, including Myroides, Enterococcus and Comamonas, could not be detected or were detected at very low relative abundance in manure-amended soil. The present study suggests the possibility of transfer of ARBs from livestock manures to soils and persistence of ARB in these environments.