Impact of slurry fertilization on nutrient leaching and on the abundance of antibiotic resistance genes in agricultural soil

Abstract

Present thesis studies the impacts of slurry fertilization on nutrient leaching and on the efficiency of using activated carbon (AC) as a measure in its reduction. In addition research assesses the cattle slurry as a source of antibiotic resistance genes (ARGs) entering grassland soil. It was hypothesised that N and K leaching depends on fertilizer type, N rate used and sward type. Also it was assumed that the use of AC reduces N and K leaching and cattle slurry increases ARGs abundance in fertilized soil. The objective of the study was to assess the effect of fertilizer type (mineral NPK, cattle slurry), N rate used (0, 60, 120, 180 kg ha-1), sward botanical composition (grass-clover and grass-only sward) and AC incorporation into the soil on N and K leaching and also to study the effect of cattle slurry fertilization on the abundance of ARGs in grassland soil. Research showed that N leaching in grassland depends on used fertilizer type and it was lower with mineral fertilizer use compared to cattle slurry. Nitrogen leaching did not depend on N rate used, but it was affected by sward botanical composition and was lower in grass-clover compared to grass-only sward. Potassium losses did not depend on used nutrient source, rather it was increased only with unbalanced N: K ratio at fertilization. After vegetative period N leaching depended mainly on weather conditions, more precisely on the length of the period the soil was frozen. Leaching of K resembled to the vegetative period and depended apparently on the N: K balance in the soil achieved before the end of vegetative period. Activated carbon incorporation into the soil reduced only NO3--N leaching irrespective of the fertilizer treatment, but increased that of K. Cattle slurry and its digestate were a considerable source of antibiotic resistance genes and their use increased soil blaCTX-M and sul1 concentrations and mineral fertilizer tetA gene abundance.

Doktoritöö uurib vedelsõnniku mõju toitainete leostumisele rohumaal ning aktiivsöe (AC) efektiivsust selle vähendamisel. Lisaks hindab töö vedelsõnnikuga väetamise rolli antibiootikumi resistentsusgeenide (ARG) levikule rohumaa mullas. Hüpoteesiks oli, et N ja K leostumine sõltub kasutatud väetisest, N normist ja taimiku botaanilisest koosseisust. Samuti, et AC vähendab N ja K leostumist ning veise vedelsõnnik suurendab ARGde arvukust rohumaa mullas. Uurimistöö eesmärk oli hinnata väetise liigi (mineraalne NPK ja veise vedelsõnnik), N normi (0,60, 120 ja180 kg ha-1), taimiku botaanilise koosseisu (kõrrelised-valge ristik ja kõrrelised taimik) ning AC mulda viimise mõju N ja K leostumisele ning selgitada vedelsõnnikuga väetamise mõju ARGde arvukusele rohumaa mullas. Tulemustest selgus, et N leostumine rohumaal sõltus kasutatud väetise liigist ning oli mineraalse NPK väetise kasutamisel vedelsõnnikuga võrreldes väiksem. Lämmastiku leostumine ei sõltunud kasutatud N normist, kuid sõltus taimiku botaanilisest koosseisust ning oli väiksem kõrrelised-valge ristik taimikust võrreldes kõrreliste taimikuga. Kaaliumi leostumine ei sõltunud toitainete allikast, vaid oli mõjutatud N: K suhtest väetamisel. Väljaspool vegetatsiooniperioodi sõltus leostunud N kogus ilmastikust ning peamiselt perioodi pikkusest, mil muld oli külmunud. Kaaliumi leostumine sarnanes aga vegetatsiooniperioodile ning sõltus ilmselt mulla N: K suhtest, mille määras vegetatsiooniperioodi aegne väetamine. Aktiivsöe lisamine mulda vähendas vaid NO3−-N leostumist sõltumata kasutatud väetise liigist, kuid suurendas K leostumist. Nii veise vedelsõnnik kui selle digestaat sisaldasid olulisel määral ARGsid ning nende kasutus suurendas mulla blaCTX-M ja sul1 ning mineraalväetis tetA arvukust.