小型養(yǎng)豬場(chǎng)專業(yè)污水處理

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 1 引言

　　畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，在維持畜產(chǎn)品穩(wěn)定供給、提高人民生活水平方面發(fā)揮著重要作用.隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集約化、規(guī)?；l(fā)展，為提高動(dòng)物生產(chǎn)性能、防治疾病，養(yǎng)殖過(guò)程添加了一定量的重金屬與抗生素.據(jù)統(tǒng)計(jì)2006年我國(guó)獸用抗生素消耗9.7萬(wàn)噸，占全國(guó)抗生素總用量的54%.而不被機(jī)體吸收、降解的抗生素排放到環(huán)境中，據(jù)Zhou等估算我國(guó)每年生豬和奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)抗生素排放量分別為3080和164 t.而養(yǎng)殖業(yè)每年重金屬排放銅、鋅分別為2397.23 t、4756.94 t.畜禽養(yǎng)殖糞污表現(xiàn)出重金屬與抗生素復(fù)合污染特征和研究發(fā)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖過(guò)程抗生素和重金屬使用與養(yǎng)殖場(chǎng)及其周邊環(huán)境抗性基因豐度的提高呈正相關(guān)關(guān)系.畜禽養(yǎng)殖糞便、污水成為抗性基因的重要蓄積庫(kù).抗性基因作為一種新型污染物，可能對(duì)公共健康、食品和飲用水安全構(gòu)成威脅.胡永飛等對(duì)162個(gè)健康人腸道微生物宏基因組(Metagenome)中的耐藥基因進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素抗性基因的豐度zui高，而人類腸道四環(huán)素抗性基因極有可能來(lái)自于獸用抗生素的使用以及抗性基因沿食物鏈的傳播.

　　2014年世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《抗生素耐藥報(bào)告》明確指出抗生素抗性是21世紀(jì)公共衛(wèi)生的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，針對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)應(yīng)監(jiān)督和促進(jìn)畜禽業(yè)的合理用藥，并強(qiáng)調(diào)了食用動(dòng)物攜帶的抗生素抗性及其在食物鏈上的傳播方面數(shù)據(jù)的缺乏，應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究.我國(guó)和主要發(fā)達(dá)國(guó)家推行畜禽養(yǎng)殖廢水的生物處理、農(nóng)田利用等工藝模式，然而畜禽養(yǎng)殖廢水?dāng)y帶的抗性基因在此過(guò)程的轉(zhuǎn)歸，以及抗性基因是否存在沿食物鏈的傳播風(fēng)險(xiǎn)，亟需開展相關(guān)研究.

　　因此，本研究通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)歸納了畜禽養(yǎng)殖廢水含有的抗生素抗性基因在生物處理、農(nóng)田利用過(guò)程的變化規(guī)律，并對(duì)今后的研究重點(diǎn)和方向提出建議和展望，以期為揭示抗性基因消減規(guī)律，降低畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因傳播風(fēng)險(xiǎn)提供借鑒.

污水工藝流程選型要求　1、對(duì)現(xiàn)有一級(jí)處理工藝進(jìn)行加強(qiáng)處理效果的改造 　改造應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，充分利用現(xiàn)有處理設(shè)施，對(duì)現(xiàn)有醫(yī)院中應(yīng)用較多的化糞池、接觸池在結(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式上進(jìn)行改造，必要時(shí)增設(shè)部分設(shè)施，盡可能地提高處理效果，以達(dá)到醫(yī)院污水處理的排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素抗性基因分布

　　抗性基因根據(jù)其抗性機(jī)制不同分為3類，分別為降低細(xì)胞內(nèi)抗生素濃度(包括降低細(xì)胞通透性或外排)、靶向改變(包括靶向保護(hù)或靶向突變)以及抗生素失活.畜禽養(yǎng)殖業(yè)抗生素的大量使用引起養(yǎng)殖環(huán)境抗性基因豐度的提高，抗性基因與抗生素之間存在相關(guān)關(guān)系.檢測(cè)了我國(guó)3個(gè)省36份豬場(chǎng)環(huán)境樣品(包括糞便、堆肥、土壤)中的149種抗性基因，結(jié)果表明檢出的抗性基因?qū)?yīng)的抗生素分別為大環(huán)內(nèi)脂*鏈陽(yáng)殺菌素B(macrolidelincosamidestreptogramin B，MLSB)、β內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類、喹諾酮*胺酰醇類、*等，按抗性機(jī)制分類抗生素失活檢出率zui高，其后依次為外排和細(xì)胞保護(hù)機(jī)制;而抗性基因豐度與轉(zhuǎn)座酶基因豐度、銅、*含量具有正相關(guān)關(guān)系.較高的抗性基因豐度可能由于在抗生素的選擇壓力下抗性基因宿主細(xì)菌的增殖，以及某些抗性基因通過(guò)移動(dòng)基因元件( genetic elements)發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移(Horizontal gene transfer).

　　在畜禽養(yǎng)殖廢水方面，四環(huán)素類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)脂類抗生素的抗性基因研究較多，按抗性機(jī)制分類，畜禽養(yǎng)殖廢水中抗性基因分布特征詳見表 1.)測(cè)試了豬場(chǎng)廢水中不同機(jī)制的四環(huán)素抗性基因，發(fā)現(xiàn)核糖體保護(hù)(靶向保護(hù))抗性基因(tetQ、tetM、tetW、tetO)比外排泵機(jī)制抗性基因(tetA、tetB、tetC、tetL)、酶修飾(抗生素失活機(jī)制)抗性基因(tetX)豐度高，其在豬場(chǎng)廢水中豐度分別為9.25×10-2、5.53×10-2、1.69×10-2和1.32×10-2 copies/16S rRNA.而和)研究也表明tetQ、tetM、tetW、tetO在豬場(chǎng)廢水中具有較高的豐度.)研究了豬糞水厭氧發(fā)酵土壤生態(tài)系統(tǒng)中3種核糖體保護(hù)機(jī)制的四環(huán)素類抗性基因豐度tetQ>tetO>tetW，其中tetQ平均豐度zui高1.84×10-1 copies/16S rRNA.)調(diào)查了上海地區(qū)豬場(chǎng)和牛場(chǎng)廢水中磺胺類和四環(huán)素類抗性基因，含量zui高的分別為sulA(108~1010 copies · mL-1)和tetW(106~107 copies · mL-1)，而sulIII含量與磺胺類抗生素濃度的相關(guān)性較好，這可能與磺胺類抗生素易生物降解性有關(guān);tetM含量與四環(huán)素類抗生素濃度相關(guān)性較弱.)也指出TC與tet無(wú)顯著相關(guān)性.除四環(huán)素類與磺胺類抗生素之外，泰樂菌素是應(yīng)用zui廣泛的獸用抗生素之一，可能引起大環(huán)內(nèi)脂類抗性基因以及MLSB的多重抗性基因豐度的提高.)對(duì)3家豬場(chǎng)大環(huán)內(nèi)脂抗性基因erm進(jìn)行了定量檢測(cè)，廢水中ermB、ermF含量較高(在108~1010 copies · mL-1之間)，而ermX在104~106 copies · mL-1范圍.通過(guò)寡聚糖雜交探針測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)豬糞水和氧化塘廢水中50%的rRNA攜帶MLSB多重抗性基因.

基于抗性機(jī)制分類畜禽養(yǎng)殖廢水中抗性基因賦存特征

　　針對(duì)抗性基因與基因轉(zhuǎn)移元件的相關(guān)性，sulI與intI1具有極顯著的相關(guān)性(p<0.001;r=0.803)，這可能由于sulI經(jīng)常與一類整合子結(jié)合在一起指出tetM可能由轉(zhuǎn)座子Tn916Tn1545和結(jié)合質(zhì)粒介導(dǎo).

　　3 畜禽養(yǎng)殖廢水中重金屬對(duì)抗生素抗性基因的影響 

　　畜禽養(yǎng)殖過(guò)程在飼料中添加銅、鋅等重金屬引起豬糞水中抗銅、抗鋅細(xì)菌的增加，畜禽養(yǎng)殖廢水存在抗生素與重金屬?gòu)?fù)合污染特征.在重金屬的選擇壓力下，畜禽養(yǎng)殖糞水中重金屬抗性基因豐度較高.對(duì)豬飼料、腸道和糞便中抗銅細(xì)菌進(jìn)行了分析鑒定，發(fā)現(xiàn)豬糞中抗銅大腸桿菌與飼料中硫酸銅添加量正相關(guān)，分離得到的239株抗銅細(xì)菌中攜帶抗銅基因pcoA、pcoC、pcoD，攜帶抗銅基因的細(xì)菌也同時(shí)攜帶*和四環(huán)素的抗性基因(strA、strB、tetB).而研究了豬糞中抗鋅細(xì)菌的分布規(guī)律，結(jié)果表明豬糞中普遍存在抗鋅細(xì)菌，抗鋅大腸桿菌的檢出率與飼料中氧化鋅的添加成正相關(guān)關(guān)系;抗鋅菌株主要攜帶抗鋅基因zntA.

　畜禽養(yǎng)殖廢水還田利用一定時(shí)間內(nèi)會(huì)顯著提高土壤中抗性基因豐度.對(duì)北京某豬場(chǎng)周邊土壤四環(huán)素抗性基因進(jìn)行了定量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)豐度較高的四環(huán)素類抗性基因?yàn)閠etB/P、tetT、tetM、tetO和tetW，其基因拷貝數(shù)范圍在106~108 copies · g-1 DM，并認(rèn)為tet抗性基因存在由畜禽養(yǎng)殖向土壤的轉(zhuǎn)移.的研究發(fā)現(xiàn)，豬場(chǎng)廢水農(nóng)田利用后土壤中抗性基因tetQ、tetZ和整合子intI1、intI2分別提高了500、9和6、123倍.的研究發(fā)現(xiàn)，施用豬場(chǎng)厭氧消化液的土壤中四環(huán)素類抗性基因豐度為105～108 copies · g-1，顯著高于未施用豬場(chǎng)廢水的土壤，而作物類型對(duì)抗性基因的豐度影響較小.)研究了抗性基因沿土壤深度的變化，結(jié)果表明tetO、tetW、tetM、tetA豐度沿土壤深度在0~80 cm逐漸降低.)發(fā)現(xiàn)，飼料中添加*顯著影響豬糞還田后土壤中sul抗性基因的變化，添加磺胺處理組在第60 dsul1抗性基因豐度降低至10-3 copies/16S rRNA、而sul2升高至10-1 copies/16S rRNA，飼料未添加*處理組sul1和sul2均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，豐度分別為10-6和10-5 copies/16S rRNA研究了施用豬糞的玉米根際土壤與非根際土壤微生物群落變化，結(jié)果表明根際土壤sul1和sul2抗性基因略低于非根際土壤，可能與根際環(huán)境*降解速度快有關(guān)，而sul基因常與質(zhì)粒結(jié)合，根際土壤是質(zhì)粒發(fā)生結(jié)合轉(zhuǎn)移的熱點(diǎn)區(qū)域.考察了土壤類型對(duì)抗性基因的影響，發(fā)現(xiàn)壤土中sul2基因豐度高于砂土.)采用宏基因組文庫(kù)研究了土壤中不可培養(yǎng)細(xì)菌攜帶的抗性基因，結(jié)果表明豬糞還田的土壤攜帶四環(huán)素類、*、氨基糖胺類、*類抗性基因.同未施用畜禽糞便的土壤相比，發(fā)現(xiàn)施用豬糞的土壤中大環(huán)內(nèi)脂類抗性基因(ermA、ermB、ermF等)和質(zhì)粒(IncQ、IncW)豐度有提高.發(fā)現(xiàn)攜帶多重抗性的質(zhì)粒IncP-1ε在糞便施用后的土壤中擴(kuò)散.

　　在畜禽養(yǎng)殖糞污還田利用時(shí)，不同種類抗性基因隨時(shí)間的消減規(guī)律各不相同.指出施用豬糞后，土壤中抗性基因表現(xiàn)出先增加后降低趨勢(shì)，但抗性基因相對(duì)豐度在1年的施肥間隔后無(wú)法回到本底值，尤其是sul1、ermB、strB、intI1、IncW repA在土壤中豐度較高.的研究發(fā)現(xiàn)，豬糞還田后sul1、sul2、ermF快速升高，隨后ermF消減速度zui快，在施肥43~55 d后降至本底水平，而tetG、tetO、tetW在施肥土壤和控制土壤中無(wú)差異;并且作者指出糞便還田后1~2個(gè)月內(nèi)土壤抗性基因豐度較高，應(yīng)采取措施防止抗性基因進(jìn)入水體或鄰近土壤中.不同類型抗生素的抗性基因在土壤中恢復(fù)本底值的時(shí)間不同，例如，MLS抗性基因恢復(fù)到土壤本底值需要20 d，sul1需要2個(gè)月，而四環(huán)素類抗性菌株需要6個(gè)月.關(guān)于畜禽養(yǎng)殖廢水對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)受納水體的影響，發(fā)現(xiàn)豬場(chǎng)氧化塘下游河流中250 m仍可得四環(huán)素抗性基因tetM.研究了福建閩江流域E. coli的耐藥性，畜禽養(yǎng)殖廢水可能是該流域抗生素耐藥率高的重要因素，河水分離的E. coli中41%攜帶一類整合子，整合子介導(dǎo)的抗性基因包括aadA1、drfA1、drfA27、arr3等.

　　有關(guān)土壤環(huán)境中重金屬與抗生素抗性基因的研究較少.指出土壤中Cu含量(0~140 mg · kg-1DM)與tetM、tetW、ermB、ermF具有相關(guān)性，且blaOXA與Cu具有極顯著相關(guān)性;Zn含量(0~38 mg · kg-1DM)與所測(cè)抗性基因的相關(guān)性不顯著;因此畜禽養(yǎng)殖糞污在土壤環(huán)境中可能存在重金屬與抗生素抗性基因的協(xié)同選擇問題，需要進(jìn)一步開展研究.

結(jié)語(yǔ)與展望

　　盡管近年來(lái)畜禽養(yǎng)殖廢水處理與利用過(guò)程抗性基因已開展了一定的研究，但現(xiàn)有研究較多采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研方式，對(duì)抗性基因的轉(zhuǎn)歸機(jī)制和去除研究不足，缺乏畜禽養(yǎng)殖廢水生物處理與農(nóng)田利用全過(guò)程中抗性基因的系統(tǒng)性研究，難以提出抗性基因減控的有效策略.因此，本文提出如下研究展望：

　　1)已有研究大多針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水生物處理和農(nóng)田利用過(guò)程中四環(huán)素類與磺胺類抗性基因的分布規(guī)律，但有關(guān)β內(nèi)酰胺類、喹諾酮類抗性基因及其耐藥菌的研究較為缺乏，而后者抗生素多用于人類疾病，建議今后加強(qiáng)這方面的研究.

　　2)畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因的消減機(jī)制尚不明確.現(xiàn)有畜禽養(yǎng)殖廢水中抗性基因消減規(guī)律的研究不多，對(duì)抗性基因消減規(guī)律的解析不足.已有研究主要考察生物處理對(duì)抗性基因豐度消減的影響，較少關(guān)注功能菌群、工藝操作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)與耐藥菌群結(jié)構(gòu)(抗性基因宿主細(xì)菌)的相互關(guān)系.

3)不同畜禽養(yǎng)殖廢水和土壤類型、抗性基因類型對(duì)養(yǎng)殖廢水農(nóng)田利用抗性基因的傳播規(guī)律不可一概而論，缺乏系統(tǒng)性的機(jī)制研究.需要從畜禽養(yǎng)殖廢水生物處理和農(nóng)田利用全過(guò)程對(duì)耐藥菌、抗性基因轉(zhuǎn)歸和控制措施進(jìn)行系統(tǒng)研究和綜合評(píng)價(jià).

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