養殖場專業污水處理設備

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 1 引言

　　畜禽養殖業是我國農業的支柱產業，在維持畜產品穩定供給、提高人民生活水平方面發揮著重要作用.隨著畜禽養殖業的集約化、規模化發展，為提高動物生產性能、防治疾病，養殖過程添加了一定量的重金屬與抗生素.據統計2006年我國獸用抗生素消耗9.7萬噸，占全國抗生素總用量的54%.而不被機體吸收、降解的抗生素排放到環境中，據Zhou等估算我國每年生豬和奶牛養殖場抗生素排放量分別為3080和164 t.而養殖業每年重金屬排放銅、鋅分別為2397.23 t、4756.94 t.畜禽養殖糞污表現出重金屬與抗生素復合污染特征和研究發現畜禽養殖過程抗生素和重金屬使用與養殖場及其周邊環境抗性基因豐度的提高呈正相關關系.畜禽養殖糞便、污水成為抗性基因的重要蓄積庫.抗性基因作為一種新型污染物，可能對公共健康、食品和飲用水安全構成威脅.胡永飛等對162個健康人腸道微生物宏基因組(Metagenome)中的耐藥基因進行了深入分析，發現四環素抗性基因的豐度zui高，而人類腸道四環素抗性基因極有可能來自于獸用抗生素的使用以及抗性基因沿食物鏈的傳播.

　　2014年世界衛生組織發布的《抗生素耐藥報告》明確指出抗生素抗性是21世紀公共衛生的嚴峻挑戰，針對動物生產應監督和促進畜禽業的合理用藥，并強調了食用動物攜帶的抗生素抗性及其在食物鏈上的傳播方面數據的缺乏，應加強此方面的研究.我國和主要發達國家推行畜禽養殖廢水的生物處理、農田利用等工藝模式，然而畜禽養殖廢水攜帶的抗性基因在此過程的轉歸，以及抗性基因是否存在沿食物鏈的傳播風險，亟需開展相關研究.

　　因此，本研究通過查閱國內外文獻，總結歸納了畜禽養殖廢水含有的抗生素抗性基因在生物處理、農田利用過程的變化規律，并對今后的研究重點和方向提出建議和展望，以期為揭示抗性基因消減規律，降低畜禽養殖廢水抗性基因傳播風險提供借鑒.

絮凝沉淀是顆粒物在水中作絮凝沉淀的過程。在水中投加混凝劑后，其中懸浮物的膠體及分散顆粒在分子力的相互作用下生成絮狀體且在沉降過程中它們互相碰撞凝聚，其尺寸和質量不斷變大，沉速不斷增加。懸浮物的去除率不但取決于沉淀速度，而且與沉淀深度有關。地面水中投加混凝劑后形成的礬花，生活污水中的有機懸浮物，活性污泥在沉淀過程中都會出現絮凝沉淀的現象。

　　2 畜禽養殖廢水中抗生素抗性基因分布

　　抗性基因根據其抗性機制不同分為3類，分別為降低細胞內抗生素濃度(包括降低細胞通透性或外排)、靶向改變(包括靶向保護或靶向突變)以及抗生素失活.畜禽養殖業抗生素的大量使用引起養殖環境抗性基因豐度的提高，抗性基因與抗生素之間存在相關關系.檢測了我國3個省36份豬場環境樣品(包括糞便、堆肥、土壤)中的149種抗性基因，結果表明檢出的抗性基因對應的抗生素分別為大環內脂*鏈陽殺菌素B(macrolidelincosamidestreptogramin B，MLSB)、β內酰胺類、四環素類、喹諾酮*胺酰醇類、*等，按抗性機制分類抗生素失活檢出率zui高，其后依次為外排和細胞保護機制;而抗性基因豐度與轉座酶基因豐度、銅、*含量具有正相關關系.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菌的增殖，以及某些抗性基因通過移動基因元件( genetic elements)發生基因水平轉移(Horizontal gene transfer).

　　在畜禽養殖廢水方面，四環素類、磺胺類、大環內脂類抗生素的抗性基因研究較多，按抗性機制分類，畜禽養殖廢水中抗性基因分布特征詳見表 1.)測試了豬場廢水中不同機制的四環素抗性基因，發現核糖體保護(靶向保護)抗性基因(tetQ、tetM、tetW、tetO)比外排泵機制抗性基因(tetA、tetB、tetC、tetL)、酶修飾(抗生素失活機制)抗性基因(tetX)豐度高，其在豬場廢水中豐度分別為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在豬場廢水中具有較高的豐度.)研究了豬糞水厭氧發酵土壤生態系統中3種核糖體保護機制的四環素類抗性基因豐度tetQ>tetO>tetW，其中tetQ平均豐度zui高1.84×10-1 copies/16S rRNA.)調查了上海地區豬場和牛場廢水中磺胺類和四環素類抗性基因，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性較好，這可能與磺胺類抗生素易生物降解性有關;tetM含量與四環素類抗生素濃度相關性較弱.)也指出TC與tet無顯著相關性.除四環素類與磺胺類抗生素之外，泰樂菌素是應用zui廣泛的獸用抗生素之一，可能引起大環內脂類抗性基因以及MLSB的多重抗性基因豐度的提高.)對3家豬場大環內脂抗性基因erm進行了定量檢測，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.通過寡聚糖雜交探針測試方法，發現豬糞水和氧化塘廢水中50%的rRNA攜帶MLSB多重抗性基因.

基于抗性機制分類畜禽養殖廢水中抗性基因賦存特征

　　針對抗性基因與基因轉移元件的相關性，sulI與intI1具有極顯著的相關性(p<0.001;r=0.803)，這可能由于sulI經常與一類整合子結合在一起指出tetM可能由轉座子Tn916Tn1545和結合質粒介導.

　　3 畜禽養殖廢水中重金屬對抗生素抗性基因的影響 

　　畜禽養殖過程在飼料中添加銅、鋅等重金屬引起豬糞水中抗銅、抗鋅細菌的增加，畜禽養殖廢水存在抗生素與重金屬復合污染特征.在重金屬的選擇壓力下，畜禽養殖糞水中重金屬抗性基因豐度較高.對豬飼料、腸道和糞便中抗銅細菌進行了分析鑒定，發現豬糞中抗銅大腸桿菌與飼料中硫酸銅添加量正相關，分離得到的239株抗銅細菌中攜帶抗銅基因pcoA、pcoC、pcoD，攜帶抗銅基因的細菌也同時攜帶*和四環素的抗性基因(strA、strB、tetB).而研究了豬糞中抗鋅細菌的分布規律，結果表明豬糞中普遍存在抗鋅細菌，抗鋅大腸桿菌的檢出率與飼料中氧化鋅的添加成正相關關系;抗鋅菌株主要攜帶抗鋅基因zntA.

　畜禽養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素抗性基因進行了定量檢測，發現豐度較高的四環素類抗性基因為tetB/P、tetT、tetM、tetO和tetW，其基因拷貝數范圍在106~108 copies · g-1 DM，并認為tet抗性基因存在由畜禽養殖向土壤的轉移.的研究發現，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.的研究發現，施用豬場厭氧消化液的土壤中四環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.)發現，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，可能與根際環境*降解速度快有關，而sul基因常與質粒結合，根際土壤是質粒發生結合轉移的熱點區域.考察了土壤類型對抗性基因的影響，發現壤土中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細菌攜帶的抗性基因，結果表明豬糞還田的土壤攜帶四環素類、*、氨基糖胺類、*類抗性基因.同未施用畜禽糞便的土壤相比，發現施用豬糞的土壤中大環內脂類抗性基因(ermA、ermB、ermF等)和質粒(IncQ、IncW)豐度有提高.發現攜帶多重抗性的質粒IncP-1ε在糞便施用后的土壤中擴散.

　　在畜禽養殖糞污還田利用時，不同種類抗性基因隨時間的消減規律各不相同.指出施用豬糞后，土壤中抗性基因表現出先增加后降低趨勢，但抗性基因相對豐度在1年的施肥間隔后無法回到本底值，尤其是sul1、ermB、strB、intI1、IncW repA在土壤中豐度較高.的研究發現，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差異;并且作者指出糞便還田后1~2個月內土壤抗性基因豐度較高，應采取措施防止抗性基因進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本底值的時間不同，例如，MLS抗性基因恢復到土壤本底值需要20 d，sul1需要2個月，而四環素類抗性菌株需要6個月.關于畜禽養殖廢水對養殖場受納水體的影響，發現豬場氧化塘下游河流中250 m仍可得四環素抗性基因tetM.研究了福建閩江流域E. coli的耐藥性，畜禽養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，整合子介導的抗性基因包括aadA1、drfA1、drfA27、arr3等.

　　有關土壤環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具有相關性，且blaOXA與Cu具有極顯著相關性;Zn含量(0~38 mg · kg-1DM)與所測抗性基因的相關性不顯著;因此畜禽養殖糞污在土壤環境中可能存在重金屬與抗生素抗性基因的協同選擇問題，需要進一步開展研究.

結語與展望

　　盡管近年來畜禽養殖廢水處理與利用過程抗性基因已開展了一定的研究，但現有研究較多采用現場調研方式，對抗性基因的轉歸機制和去除研究不足，缺乏畜禽養殖廢水生物處理與農田利用全過程中抗性基因的系統性研究，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殖廢水生物處理和農田利用過程中四環素類與磺胺類抗性基因的分布規律，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)畜禽養殖廢水抗性基因的消減機制尚不明確.現有畜禽養殖廢水中抗性基因消減規律的研究不多，對抗性基因消減規律的解析不足.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、環境參數與耐藥菌群結構(抗性基因宿主細菌)的相互關系.

3)不同畜禽養殖廢水和土壤類型、抗性基因類型對養殖廢水農田利用抗性基因的傳播規律不可一概而論，缺乏系統性的機制研究.需要從畜禽養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研究和綜合評價.

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