Mitigating release of contaminants with manure land application

This study aimed to address three major objectives. Firstly, it was aimed at characterizing two major sources of manure: cattle manure and poultry litter in terms of nutrient content, microbial composition, and selected antibiotic resistance genes abundance (Chapter 1). These manure sources were widely used as fertilizers in silvopastural systems in Arkansas, USA, to improve productivity. While cattle manure is land applied in fresh, poultry litter, which was composed of poultry manure and bedding, is aerated in-house windrows to increase the temperature and kill pathogens before land application. The results indicated poultry litter had lower microbial diversity and antimicrobial resistance genes (ARGs) abundance compared to cattle manure, possibly was due to the handling prior to its land application. Secondly, since poultry litter was safer to use than cattle manure, the next study was aimed at understanding the effect of poultry litter application on soil microbial diversity (Chapter 2). The result showed that poultry litter applied to soils under a silvopasture system did not affect soil microbiota despite it improved soil fertility. The study by these two objectives suggested poultry litter is environmentally safer and richer in nutrients supply than cattle manure in Arkansas region setting. However, in global setting, studies show that poultry litter is believed to contain greater ARGs abundance and other pollutants, possibly due to the absence of the kind of handling in Arkansas. Thus, the next step of the study was to conduct a thorough literature review, and unfortunately, the results showed that poultry litter contained greater pollutants (ARGs, antibiotics, etc.). Aerobic treatment is the most widely studied for its effect against such pollutants. However, it is inefficient, and sometimes it can be a hub for enrichment of ARGs. This was evidenced by the results of previous studies that found poor degradation of ARGs by aerobic digestion, where the abundance of ARGs in digestate (a byproduct of biogas production) is greater than in the feedstock (input for the biogas production). Consequently, the next chapter of the study was to look at a post-digestate treatment (Chapters 3 and 4). Composting was aimed to remove ARGs as well as mitigate release of trace elements from digestate. The results showed that composting reduced greater than 80% ARGs in digestate and immobilized trace elements up to 90%. In conclusion, with this study, it was revealed that cattle manure direct land application may pose greater environmental risk compared to poultry litter, and this can be mitigated by employing pre-treatments such as the bedding and aerating in-house windrows, the technique that is used for handling poultry litter in Arkansas region, the USA. However, this is not the case in Europe. For instance, in Italy, where part of this thesis was conducted, poultry litter comprises feedstock of biogas production, and it is used in fresh. It contained ARGs copies ranging from log(10) 6.46 to 11.46, which was the greatest in most of the other feedstocks. After 90 days of anaerobic digestion of mix of poultry litter, food processing byproduct and maize silage, log(10) 5.21 to 9.22 ARG copies were found, with the greatest copies of tet(M) in both scenarios. It implied anaerobic digestion effect against ARGs was not satisfactory. Thus, the next aim of the study was to further degrade ARGs in digestate before land application. Thus, composting and co-composting it with the other biogas feedstock elements was conducted, and up to 80% removal of ARGs was possible. In conclusion, the study suggests manure handling approaches may affect ARGs, and aerating could be a good practice to suppress the abundance. In the biogas production pathway, where fresh poultry litter may be used, the anerobic digestion may not be effective against ARGs removal, as it was reported in many other previous reports, and the subsequent post-digestate treatment, such as composting and drying, may be sought.

Questo studio si proponeva di affrontare tre obiettivi principali. In primo luogo, era mirato a caratterizzare due principali fonti di letame: letame bovino e pollame in termini di contenuto di nutrienti, composizione microbica e abbondanza di geni selezionati di resistenza agli antibiotici (Documento 1, Capitolo 1). Queste fonti di letame sono state ampiamente utilizzate come fertilizzanti nei sistemi silvopasturali in Arkansas, USA, per migliorare la produttività. Mentre il letame bovino viene applicato a terra in fresco, la lettiera di pollame, che era composta da letame di pollame e lettiera, viene aerata in andane interne per aumentare la temperatura e uccidere gli agenti patogeni prima dell'applicazione sul terreno. I risultati hanno indicato che la lettiera di pollame aveva una diversità microbica e un'abbondanza di ARG inferiori rispetto al letame bovino, probabilmente a causa della manipolazione prima della sua applicazione sul terreno. In secondo luogo, poiché la lettiera per pollame era più sicura da usare rispetto al letame bovino, lo studio successivo mirava a comprendere l'effetto dell'applicazione della lettiera per pollame sulla diversità microbica del suolo (Documento 2, Capitolo 2). Il risultato ha mostrato che la lettiera di pollame applicata ai terreni sotto un sistema di silvopascolo non ha influenzato il microbiota del suolo nonostante ne migliori la fertilità. Lo studio di questi due obiettivi ha suggerito che i rifiuti di pollame sono più sicuri per l'ambiente e più ricchi di nutrienti rispetto al letame bovino nella regione dell'Arkansas. Tuttavia, in un contesto globale, gli studi dimostrano che si ritiene che i rifiuti di pollame contengano una maggiore abbondanza di ARG e altri inquinanti, probabilmente a causa dell'assenza del tipo di manipolazione in Arkansas. Pertanto, il passo successivo dello studio è stato quello di condurre un'approfondita revisione della letteratura e, sfortunatamente, i risultati hanno mostrato che i rifiuti di pollame contenevano maggiori inquinanti (ARG, antibiotici, ecc.). Il trattamento aerobico è il più studiato per il suo effetto contro tali inquinanti. Tuttavia, è inefficiente e talvolta può essere un hub per l'arricchimento degli ARG. Ciò è stato evidenziato dai risultati di studi precedenti che hanno riscontrato una scarsa degradazione degli ARG mediante digestione aerobica, dove l'abbondanza di ARG nel digestato (un sottoprodotto della produzione di biogas) è maggiore rispetto alla materia prima (input per la produzione di biogas). Di conseguenza, il capitolo successivo dello studio è stato quello di esaminare un trattamento post-digesto (capitoli 3 e 4). Il compostaggio aveva lo scopo di rimuovere gli ARG e di mitigare il rilascio di oligoelementi dal digestato. I risultati hanno mostrato che il compostaggio ha ridotto di oltre l'80% gli ARG nel digestato e gli oligoelementi immobilizzati fino al 90%. In conclusione, con questa tesi di dottorato, l'applicazione diretta del letame bovino può rappresentare un rischio ambientale maggiore rispetto alla lettiera per pollame e questo può essere mitigato impiegando la lettiera e aerando le andane interne, la tecnica utilizzata per la gestione della lettiera. Inoltre, l'applicazione diretta sul terreno di digestato contenente lettiera di pollame potrebbe essere meno efficace contro gli ARG e potrebbe essere necessario un trattamento successivo, come il compostaggio, per sopprimere gli ARG prima dell'applicazione sul terreno.