农村畜禽养殖污水处理设备

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　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.

 图1 猪粪分离的具有重金属与抗生素协同抗性的质粒pMC2

　　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(crossresistance)和协同抗(coresistance).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zui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.

表2 猪场废水生物处理过程中抗性基因的赋存特性

　　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.

　　4.2 膜生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)工艺

　　膜分离技术近年已在畜禽养殖废水处理领域得到了一定的研究与应用，并日益得到重视.例如，Padmasiri等采用厌氧MBR处理猪场废水，有机负荷为1.0 kg · m-3 · d-1高于其他厌氧消化工艺采用好氧MBR处理猪场厌氧消化液TN负荷0.11 kg · m-3 · d-1较高.

然而针对MBR处理畜禽养殖废水抗性基因去除规律的研究较少.Du等调研了污水处理厂采用A2OMBR工艺处理生活和工业混合废水对四环素类和磺胺类抗性基因的去除效果，结果表明MBR工艺对tetG、tetW、tetX、sul1和intI1分别去除了2.20、2.90、1.71、2.15和2.07 log copies · mL-1，膜出水抗性基因丰度仍然较高(2.85~4.97 log copies · mL-1)，然而作者并未给出膜孔径等膜分离工艺参数.

　　同常规生物处理工艺相比，MBR的生物量高，可能存在较大的抗性基因水平转移风险.Yang等以RP4质粒作为水平转移研究对象，研究了MBR中抗性基因的水平转移效率，结果表明RP4在MBR中维持较高丰度104 copies/mg · biosolid，具有较高的水平转移效率(2.76×10-5/recipient)，而RP4在常规活性污泥法的水平转移效率约4×10-6 /recipient;

尽管存在较高的水平转移效率，但由于微滤膜(PVDF，0.22 μm)的截留作用，出水检测不到携带抗性基因的RP4.由于膜的截留，一方面可消减膜出水的抗性基因浓度，另一方面导致反应器内污泥浓度高，可能使抗性基因在反应器内积累，提高了污泥中抗性基因的水平传播.污泥是重要的抗性基因蓄积库，经过堆肥或厌氧消化处理后作为肥料土地利用，污泥的土地利用存在抗性基因的污染隐患.