椰壳活性炭:养殖废水过程中抗生素去除技术

水生植物滤床中植物吸收作用、生物降解和水解作用是其去除废水中抗生素成分的主要途径。 畜禽养殖业是我国农业的支柱产业，在维持畜产品稳定供给、提高人民生活水平方面发挥着重要作用.随着畜禽养殖业的集约化、规模化发展，为提高动物生产性能、防治疾病，养殖过程添加了一定量的重金属与抗生素.据统计2006年我国兽用抗生素消耗9.7万吨，占全国抗生素总用量的54%.而不被机体吸收、降解的抗生素排放到环境中，据Zhou等估算我国每年生猪和奶牛养殖场抗生素排放量分别为3080和164 t.而养殖业每年重金属排放铜、锌分别为2397.23 t、4756.94 t.畜禽养殖粪污表现出重金属与抗生素复合污染特征和研究发现畜禽养殖过程抗生素和重金属使用与养殖场及其周边环境抗性基因丰度的提高呈正相关关系.畜禽养殖粪便、污水成为抗性基因的重要蓄积库.抗性基因作为一种新型污染物，可能对公共健康、食品和饮用水安全构成威胁.胡永飞等对162个健康人肠道微生物宏基因组(Metagenome)中的耐药基因进行了深入分析，发现四环素抗性基因的丰度最高，而人类肠道四环素抗性基因极有可能来自于兽用抗生素的使用以及抗性基因沿食物链的传播. 　　2014年世界卫生组织发布的《全球抗生素耐药报告》明确指出抗生素抗性是21世纪公共卫生的严峻挑战，针对动物生产应监督和促进畜禽业的合理用药，并强调了食用动物携带的抗生素抗性及其在食物链上的传播方面数据的缺乏，应加强此方面的研究.我国和主要发达国家推行畜禽养殖废水的生物处理、农田利用等工艺模式，然而畜禽养殖废水携带的抗性基因在此过程的转归，以及抗性基因是否存在沿食物链的传播风险，亟需开展相关研究. 　　因此，本研究通过查阅国内外文献，总结归纳了畜禽养殖废水含有的抗生素抗性基因在生物处理、农田利用过程的变化规律，并对今后的研究重点和方向提出建议和展望，以期为揭示抗性基因消减规律，降低畜禽养殖废水抗性基因传播风险提供借鉴. 　　2 畜禽养殖废水中抗生素抗性基因分布 www.gongyicheyuan.com 　　抗性基因根据其抗性机制不同分为3类，分别为降低细胞内抗生素浓度(包括降低细胞通透性或外排)、靶向改变(包括靶向保护或靶向突变)以及抗生素失活.畜禽养殖业抗生素的大量使用引起养殖环境抗性基因丰度的提高，抗性基因与抗生素之间存在相关关系.检测了我国3个省36份猪场环境样品(包括粪便、堆肥、土壤)中的149种抗性基因，结果表明检出的抗性基因对应的抗生素分别为大环内脂林可霉素链阳杀菌素B(macrolidelincosamidestreptogramin B，MLSB)、β内酰胺类、四环素类、喹诺酮氯霉素胺酰醇类、万古霉素等，按抗性机制分类抗生素失活检出率最高，其后依次为外排和细胞保护机制;而抗性基因丰度与转座酶基因丰度、铜、土霉素含量具有正相关关系.较高的抗性基因丰度可能由于在抗生素的选择压力下抗性基因宿主细菌的增殖，以及某些抗性基因通过移动基因元件(Mobile genetic elements)发生基因水平转移(Horizontal gene transfer). 　　在畜禽养殖废水方面，四环素类、磺胺类、大环内脂类抗生素的抗性基因研究较多，按抗性机制分类，畜禽养殖废水中抗性基因分布特征详见表 1.)测试了猪场废水中不同机制的四环素抗性基因，发现核糖体保护(靶向保护)抗性基因(tetQ、tetM、tetW、tetO)比外排泵机制抗性基因(tetA、tetB、tetC、tetL)、酶修饰(抗生素失活机制)抗性基因(tetX)丰度高，其在猪场废水中丰度分别为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在猪场废水中具有较高的丰度.)研究了猪粪水厌氧发酵土壤生态系统中3种核糖体保护机制的四环素类抗性基因丰度tetQ>tetO>tetW，其中tetQ平均丰度最高1.84×10-1 copies/16S rRNA.)调查了上海地区猪场和牛场废水中磺胺类和四环素类抗性基因，含量最高的分别为sulA(108~1010 copies · mL-1)和tetW(106~107 copies · mL-1)，而sulIII含量与磺胺类抗生素浓度的相关性较好，这可能与磺胺类抗生素易生物降解性有关;tetM含量与四环素类抗生素浓度相关性较弱.)也指出TC与tet无显著相关性.除四环素类与磺胺类抗生素之外，泰乐菌素是应用最广泛的兽用抗生素之一，可能引起大环内脂类抗性基因以及MLSB的多重抗性基因丰度的提高.)对3家猪场大环内脂抗性基因erm进行了定量检测，废水中ermB、ermF含量较高(在108~1010 copies · mL-1之间)，而ermX在104~106 copies · mL-1范围.通过寡聚糖杂交探针测试方法，发现猪粪水和氧化塘废水中50%的rRNA携带MLSB多重抗性基因. 　　针对抗性基因与基因转移元件的相关性，sulI与intI1具有极显著的相关性(p<0.001;r=0.803)，这可能由于sulI经常与一类整合子结合在一起指出tetM可能由转座子Tn916Tn1545和结合质粒介导. 　　3 畜禽养殖废水中重金属对抗生素抗性基因的影响 　　畜禽养殖过程在饲料中添加铜、锌等重金属引起猪粪水中抗铜、抗锌细菌的增加，畜禽养殖废水存在抗生素与重金属复合污染特征.在重金属的选择压力下，畜禽养殖粪水中重金属抗性基因丰度较高.对猪饲料、肠道和粪便中抗铜细菌进行了分析鉴定，发现猪粪中抗铜大肠杆菌与饲料中硫酸铜添加量正相关，分离得到的239株抗铜细菌中携带抗铜基因pcoA、pcoC、pcoD，携带抗铜基因的细菌也同时携带链霉素和四环素的抗性基因(strA、strB、tetB).而研究了猪粪中抗锌细菌的分布规律，结果表明猪粪中普遍存在抗锌细菌，抗锌大肠杆菌的检出率与饲料中氧化锌的添加成正相关关系;抗锌菌株主要携带抗锌基因zntA. 　　畜禽养殖环境重金属的污染不仅引起重金属耐受菌及抗铜、抗锌基因丰度的提高，可能存在重金属与抗生素的协同选择作用(coselection)，重金属的选择压力可能使抗生素抗性基因丰度维持在较高水平.欧盟国家已禁止抗生素饲料添加剂的使用，但减少抗生素使用并不会阻止抗性基因的传播，养殖场重金属使用可能会通过协同选择增加抗生素抗性基因的传播.研究发现磺胺类sulA与重金属Hg、Cu、Zn具有显著相关关系.研究发现猪场废水中高浓度的Cu和Zn显著提高了耐β内酰胺大肠杆菌的丰度. 　　指出重金属和抗生素抗性的协同选择机制主要是因为重金属和抗生素的抗性机制的耦合作用，包括交叉抗性(crossresistance)和协同抗性(coresistance).交叉抗性是某种抗性基因编码的酶或蛋白具有提高细胞耐受多种抑菌物质(如抗生素或重金属)的能力，如多重药剂外排泵(multi drug efflux pumps)，其可以将毒性物质迅速排出细胞外.而协同抗性指的是具有两种或多种抗性功能的基因相互邻近并在一个移动基因元件上.如猪粪中分离的质粒pMC2，携带大环内脂、四环素等抗生素抗性基因和汞、铬等重金属抗性基因，具有很强的移动和结合能力总结了畜禽粪便中重金属引起抗生素协同抗性的最小浓度(Minimum coselective concentration，MCC)，Cu和Zn的MCC值分别为11.79和22.75 mg · kg-1 DM，但作者也指出非常缺乏畜禽养殖废水重金属对抗生素抗性基因协同选择的数据.另外，养殖废水复合污染的特性也增加了抗性基因研究的难度.4 畜禽养殖废水处理工艺对抗性基因的消减 (Removal of antibiotic resistance genes during process of animal wastewater treatment) 4.1 常规生物处理工艺 　　厌氧消化是畜禽养殖场采用最为广泛的废水处理工艺.指出厌氧过程抑制细菌代谢，对抗性基因传播具有抑制作用.指出ARGs去除与厌氧菌群结构具有相关性，主要表现在抗性基因的宿主菌群在厌氧环境中的变化. 　　针对厌氧消化处理养殖废水抗性基因的变化，现场调研较多，参数优化的研究较少，针对猪场废水的研究较多，其他种类的养殖废水研究较少，不同生物处理工艺抗性基因赋存特征详见表 2.研究了不同规模猪场的废水生物处理系统抗性基因去除效果，结果表明厌氧消化和好氧生物处理对tetA、tetW、sul1、sul2、blaTEM抗性基因平均去除率在33.3%~97.56%.考察了环境温度下厌氧消化在不同季节的处理效果，夏季ermB、ermF、ermX的去除效果优于冬季，夏季厌氧消化出水较猪场原废水ermB、ermF、ermX和tetG平均降低1.2、0.8、0.7和1.1 log copies · mL-1，表明温度是厌氧消化去除抗性基因的重要控制指标.针对温度对厌氧消化抗性基因消减的影响，)指出高温厌氧消化对四环素类抗性基因tetA、tetO、tetW、tetX有显著去除，它们的去除符合一级反应动力学模型，而tetL只存在于革兰氏阴性菌，厌氧处理对其去除效果不明显，而在好氧高温处理(55 ℃)过程中tetL丰度表现出线性降低趋势.比较了高温和中温厌氧消化对牛粪中耐药菌的影响，结果表明高温可全部消灭多重耐药菌(抗头孢唑啉、新霉素、万古霉素、土霉素、氨苄西林等)，而中温发酵只可以去除多重耐药菌1~2 log cfu · mL-1. 　　除厌氧消化工艺以外，氧化塘、人工湿地也是畜禽养殖场广泛使用的废水处理工艺.Joy等.调查了氧化塘储存猪场废水40 d抗性基因的变化，ermB和ermF的丰度分别降低了50%~60%和80%~90%，而tetX和tetQ丰度的消减符合一级反应动力学模型.将氧化塘处理猪场废水后抗性基因的去除趋势归为两类，一类是相对丰度大幅降低甚至低于检测限，包括tetB、tetL;另一类为经处理后丰度不变甚至有所提高，包括tetG、tetM、tetO和tetX，可能因为这类基因常位于转移原件上，在废水中发生了基因的水平转移.郑加玉等采用水平流人工湿地处理猪场废水，结果表明tetW、tetM和tetO的浓度平均去除率分别为95.73%、92.21%和95.05%;可能由于土壤对抗性基因的吸附作用，湿地土壤中抗性基因的丰度有明显升高现象.Liu等模拟垂直流人工湿地中添加沸石研究抗性基因的消减规律，发现在HRT为30 h时猪场废水抗性基因去除效果较好. 　　4结语与展望 　　尽管近年来畜禽养殖废水处理与利用过程抗性基因已开展了一定的研究，但现有研究较多采用现场调研方式，对抗性基因的转归机制和去除研究不足，缺乏畜禽养殖废水生物处理与农田利用全过程中抗性基因的系统性研究，难以提出抗性基因减控的有效策略.因此，本文提出如下研究展望： 　　1)已有研究大多针对畜禽养殖废水生物处理和农田利用过程中四环素类与磺胺类抗性基因的分布规律，但有关β内酰胺类、喹诺酮类抗性基因及其耐药菌的研究较为缺乏，而后者抗生素多用于人类疾病治疗，建议今后加强这方面的研究. 　　2)畜禽养殖废水抗性基因的消减机制尚不明确.现有畜禽养殖废水中抗性基因消减规律的研究不多，对抗性基因消减规律的解析不足.已有研究主要考察生物处理对抗性基因丰度消减的影响，较少关注功能菌群、工艺操作参数、环境参数与耐药菌群结构(抗性基因宿主细菌)的相互关系. 　　3)不同畜禽养殖废水和土壤类型、抗性基因类型对养殖废水农田利用抗性基因的传播规律不可一概而论，缺乏系统性的机制研究.需要从畜禽养殖废水生物处理和农田利用全过程对耐药菌、抗性基因转归和控制措施进行系统研究和综合评价. 研究结果表明，水生植物滤床对于畜禽养殖废水具有一定的处理能力.结合生态工艺结构与运行机制，可推断水生植物滤床中植物吸收作用、生物降解和水解作用是其去除废水中抗生素的主要途径.不同植物因其蒸发量、水力传导不同，以及抗生素的辛醇/水分配系数对数(logKow)不同，植物对不同抗生素的富集效果不同.由于空心菜系统对水体吸收能力较大，从而提高了抗生素在其中的去除效率，相应的空心菜系统和水芹系统中抗生素去除效率具差异性.抗生素抗性基因在水生植物滤床中的传播扩散并不受温度变化的影响，而与抗生素在废水中的残留含量具有更高的相关性..