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豬場廢水生物處理過程中抗性基因的賦存特性

　　除厭氧消化工藝以外，氧化塘、人工濕地也是畜禽養(yǎng)殖場廣泛使用的廢水處理工藝.Joy等.調查了氧化塘儲存豬場廢水40 d抗性基因的變化，ermB和ermF的豐度分別降低了50%~60%和80%~90%，而tetX和tetQ豐度的消減符合一級反應動力學模型.將氧化塘處理豬場廢水后抗性基因的去除趨勢歸為兩類，一類是相對豐度大幅降低甚至低于檢測限，包括tetB、tetL;另一類為經處理后豐度不變甚至有所提高，包括tetG、tetM、tetO和tetX，可能因為這類基因常位于轉移原件上，在廢水中發(fā)生了基因的水平轉移.鄭加玉等采用水平流人工濕地處理豬場廢水，結果表明tetW、tetM和tetO的濃度平均去除率分別為95.73%、92.21%和95.05%;可能由于土壤對抗性基因的吸附作用，濕地土壤中抗性基因的豐度有明顯升高現(xiàn)象.Liu等模擬垂直流人工濕地中添加沸石研究抗性基因的消減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在HRT為30 h時豬場廢水抗性基因去除效果較好.

　　4.2 膜生物反應器(Membrane bioreactor，MBR)工藝

　　膜分離技術近年已在畜禽養(yǎng)殖廢水處理領域得到了一定的研究與應用，并日益得到重視.例如，Padmasiri等采用厭氧MBR處理豬場廢水，有機負荷為1.0 kg · m-3 · d-1高于其他厭氧消化工藝采用好氧MBR處理豬場厭氧消化液TN負荷0.11 kg · m-3 · d-1較高.然而針對MBR處理畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因去除規(guī)律的研究較少.Du等調研了污水處理廠采用A2OMBR工藝處理生活和工業(yè)混合廢水對四環(huán)素類和磺胺類抗性基因的去除效果，結果表明MBR工藝對tetG、tetW、tetX、sul1和intI1分別去除了2.20、2.90、1.71、2.15和2.07 log copies · mL-1，膜出水抗性基因豐度仍然較高(2.85~4.97 log copies · mL-1)，然而作者并未給出膜孔徑等膜分離工藝參數(shù).

　　同常規(guī)生物處理工藝相比，MBR的生物量高，可能存在較大的抗性基因水平轉移風險.Yang等以RP4質粒作為水平轉移研究對象，研究了MBR中抗性基因的水平轉移效率，結果表明RP4在MBR中維持較高豐度104 copies/mg · biosolid，具有較高的水平轉移效率(2.76×10-5/recipient)，而RP4在常規(guī)活性污泥法的水平轉移效率約4×10-6 /recipient;盡管存在較高的水平轉移效率，但由于微濾膜(PVDF，0.22 μm)的截留作用，出水檢測不到攜帶抗性基因的RP4.由于膜的截留，一方面可消減膜出水的抗性基因濃度，另一方面導致反應器內污泥濃度高，可能使抗性基因在反應器內積累，提高了污泥中抗性基因的水平傳播.污泥是重要的抗性基因蓄積庫，經過堆肥或厭氧消化處理后作為肥料土地利用，污泥的土地利用存在抗性基因的污染隱患.

　　4.3 消毒工藝

　　已有研究考察了消毒工藝(包括紫外、臭氧、加氯)處理畜禽養(yǎng)殖廢水時對耐藥菌的殺滅效果.研究發(fā)現(xiàn)，加氯量和臭氧用量分別為30 mg · L-1和100 mg · L-1時，豬場氧化塘廢水中細菌總數(shù)分別去除了2.2~3.4 log cfu · mL-1和3.3~3.9 log cfu · mL-1，然而林可酰胺、金霉素、磺胺甲惡唑耐藥菌對加氯消毒不敏感，而四環(huán)素耐藥菌對加氯消毒敏感，臭氧對耐藥菌的影響并未給出相應結果.加氯對抗萬古霉素腸球菌具有較好的滅殺作用.而GomezAlvarez等研究加氯消毒對飲用水中抗性基因的影響，宏基因組數(shù)據表明加氯消毒后飲用水中仍含有編碼β內酰胺酶(bla)、外排泵等抗生素抗性基因，表明耐受氧化性的細菌同時攜帶抗生素抗性基因.關于紫外和臭氧對畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因的去除研究較為缺乏,研究了紫外滅菌對市政排水抗性基因消減的影響，結果表明紫外強度為249.5 mJ · cm-2時對抗性基因消減效果，tetX和16S rRNA分別去除了0.58和0.60 log.Oh等采用模擬實驗研究了臭氧對耐藥性埃希氏大腸桿菌(Eschericia coli， E. coli)的去除，結果表明臭氧劑量為3 mg · L-1時耐藥性E. coli去除了1 log.

　　4.4 組合工藝

　　畜禽養(yǎng)殖廢水通常采用厭氧好氧組合工藝進行處理.Chen等在監(jiān)測某豬場夏季廢水處理工藝對抗性基因去除效果時，發(fā)現(xiàn)經過厭氧消化好氧濾池處理，ermB豐度分別降低了1.2 log、0.9 log copies · mL-1，而ermB在出水儲存池中已低于檢測限;tetG在厭氧、好氧過程分別降低了1.1 log、3.4 log copies · mL-1.對我國東部某豬場廢水采用厭氧消化與氧化塘組合工藝去除抗性基因的效果進行了調查，發(fā)現(xiàn)tetO、tetQ、tetW有明顯去除，豐度從10-1降至10-3 copies/16S rRNA，這可能由于tetQ和tetW宿主細菌多為厭氧菌，而tetO多為好氧菌攜帶，這些抗性基因無法在厭氧好氧交替環(huán)境中維持.而關于生物處理與消毒組合工藝對畜禽廢水中抗性基因的去除作用，研究結果非常缺乏.

　　5 畜禽養(yǎng)殖廢水農田利用對土壤和植物中抗性基因的影響

　　由于畜禽養(yǎng)殖廢水中富含有機質、氮、磷等營養(yǎng)物質，通常經過厭氧發(fā)酵、氧化塘等工藝處理后，作為肥水還田利用，這既節(jié)約了處理成本，也促進了養(yǎng)分循環(huán)利用，目前我國、美國、歐洲等國家都推行畜禽養(yǎng)殖廢水的農田利用.然而，畜禽養(yǎng)殖廢水農田利用可能產生抗性基因從養(yǎng)殖場向農田土壤的傳播風險.

　　土壤是重要的抗性基因儲存庫，其中主要的抗性基因來源包括土壤中固有的抗性微生物所攜帶的抗性基因，以及外源進入土壤中抗性微生物所攜帶的抗性基因，但有關土壤中抗性基因的研究較為缺乏.)指出豬糞施用于農田存在抗性基因的水平轉移風險，由于糞源微生物與土壤微生物不同，糞源微生物進入土壤后在幾個月中大量消失，但抗性基因可通過水平轉移進入土壤本土微生物中，進而引起土壤微生物抗性基因豐度的增加.而研究發(fā)現(xiàn)牛糞農田利用引起土壤中抗性基因blaCEP豐度的提高是由于攜帶抗性基因的假單胞菌(Pseudomonas sp.)和紫色桿菌(Janthinobacterium sp.)的增殖，而這兩種細菌來自于土壤，而非糞便引入.糞便農田利用可引起抗性基因豐度提高，但其微生物學機制仍不明確.

　　畜禽養(yǎng)殖廢水還田利用一定時間內會顯著提高土壤中抗性基因豐度.對北京某豬場周邊土壤四環(huán)素抗性基因進行了定量檢測，發(fā)現(xiàn)豐度較高的四環(huán)素類抗性基因為tetB/P、tetT、tetM、tetO和tetW，其基因拷貝數(shù)范圍在106~108 copies · g-1 DM，并認為tet抗性基因存在由畜禽養(yǎng)殖向土壤的轉移.的研究發(fā)現(xiàn)，豬場廢水農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廢水的土壤，而作物類型對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)，飼料中添加磺胺嘧啶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，飼料未添加磺胺嘧啶處理組sul1和sul2均呈現(xiàn)降低趨勢，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)境磺胺嘧啶降解速度快有關，而sul基因常與質粒結合，根際土壤是質粒發(fā)生結合轉移的熱點區(qū)域.考察了土壤類型對抗性基因的影響，發(fā)現(xiàn)壤土中sul2基因豐度高于砂土.)采用宏基因組文庫研究了土壤中不可培養(yǎng)細菌攜帶的抗性基因，結果表明豬糞還田的土壤攜帶四環(huán)素類、利福平、氨基糖胺類、氯霉素類抗性基因.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)內脂類抗性基因(ermA、ermB、ermF等)和質粒(IncQ、IncW)豐度有提高.發(fā)現(xiàn)攜帶多重抗性的質粒IncP-1ε在糞便施用后的土壤中擴散.

　　6 結語與展望

　　盡管近年來畜禽養(yǎng)殖廢水處理與利用過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)場調研方式，對抗性基因的轉歸機制和去除研究不足，缺乏畜禽養(yǎng)殖廢水生物處理與農田利用全過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)已有研究大多針對畜禽養(yǎng)殖廢水生物處理和農田利用過程中四環(huán)素類與磺胺類抗性基因的分布規(guī)律，但有關β內酰胺類、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治療，建議今后加強這方面的研究.

　　2)畜禽養(yǎng)殖廢水抗性基因的消減機制尚不明確.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抗性基因豐度消減的影響，較少關注功能菌群、工藝操作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)與耐藥菌群結構(抗性基因宿主細菌)的相互關系.

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

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