生豬養(yǎng)殖廢水中抗生素、抗生素抗性基因豐度及其消減措施的研究進展

應(yīng)思哲，孫宏，湯江武*，李園成，沈琦，吳逸飛，王新，姚曉紅，李金頁

（1.中國計量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江杭州 430030；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護與微生物研究所，浙江杭州 310021）

隨著生豬養(yǎng)殖的規(guī)模化、集約化發(fā)展，抗生素在養(yǎng)殖全程中大量使用，其在保障動物健康、促進生長等方面發(fā)揮了重要作用。以我國為例，年生產(chǎn)抗生素20 萬t以上，其中約50% 被用于畜禽生產(chǎn)?？股卦陴B(yǎng)殖動物體內(nèi)的吸收率較低，多數(shù)直接排出體外，從而成為一類重要的環(huán)境污染物。環(huán)境中抗生素殘留的危害包括加劇抗藥性細菌和抗生素抗性基因豐度，降低抗生素藥效以及直接毒害水生生物等多個方面。同時，抗生素抗性基因豐度增加也加快了抗性基因在細菌間的轉(zhuǎn)移速度，導(dǎo)致致病菌更易獲得抗性基因，對環(huán)境和人類健康造成嚴重威脅。

生豬養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的廢水是主要的排放廢棄物，同時廢水中殘留的大量抗生素及其抗性基因也是重要的環(huán)境污染物。特別是對于水溶性抗生素，豬場采用的水沖糞、水泡糞等工藝對其殘留的影響更為顯著。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對生豬養(yǎng)殖場廢水的抗生素殘留問題進行了深入研究，開發(fā)了一系列物理、化學(xué)和生物的處理措施，有效降低了廢水排放和還田利用過程中抗生素及其抗性基因的污染風(fēng)險。本文將在對生豬廢水中抗生素及其抗性基因分布情況介紹的基礎(chǔ)上，針對其消減處理措施及機制開展綜述，以期為相關(guān)技術(shù)的進一步實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 生豬養(yǎng)殖廢水中的抗生素、抗生素抗性基因豐度及其影響因素

1.1 抗生素含量及其影響因素 生豬養(yǎng)殖廢水中殘留的抗生素主要來源于在日常養(yǎng)殖和疾病治療中使用，隨糞便和尿液排放的未利用部分質(zhì)量濃度可達到μg/L 水平。根據(jù)抗生素類別不同，主要包括四環(huán)素類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和喹諾酮類等4 大類（表1）。據(jù)報道，在規(guī)模生豬養(yǎng)殖場廢水中的四環(huán)素類抗生素濃度最高可達2 020 μg/L，其次為磺胺類抗生素，其檢出濃度達14.56 μg/L。而單體抗生素又以磺胺甲嘧啶和土霉素含量最高，分別達211、72.9 μg/L。在家庭散養(yǎng)環(huán)境下，生豬廢水中抗生素總濃度平均為549.85 μg/L，四環(huán)素類含量與規(guī)模養(yǎng)殖場一致，均顯著高于大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類和磺胺類抗生素。由此可見，生豬廢水中的抗生素豐度仍以四環(huán)素類最為嚴重。

表1 生豬養(yǎng)殖廢水中的抗生素殘留

生豬廢水中抗生素殘留濃度與抗生素的使用方式、各養(yǎng)殖場抗生素的用量、使用頻率等因素有關(guān)。特別是使用方式差異造成生豬養(yǎng)殖廢水中的抗生素殘留具有明顯的地域特征，如在山東等北方地區(qū)養(yǎng)殖廢水中的四環(huán)素類抗生素含量高于磺胺類抗生素；而廣東等南方地區(qū)一般以磺胺類抗生素的檢出含量最高。在抗生素用量方面，由于降水量及養(yǎng)殖場的用水量具有季節(jié)性差異，多數(shù)生豬廢水中的抗生素濃度在冬季時最高。閭幸報道，生豬養(yǎng)殖廢水中四環(huán)素類、磺胺類和喹諾酮類抗生素的檢出率在12 月時達到90%以上，殘留濃度最高分別為469.06、1.66、5.91 μg/L。需要注意的是，糞便途徑是生豬抗生素代謝排出體外的主要途徑，糞便中的抗生素含量顯著高于廢水中的抗生素殘留量。因此，養(yǎng)殖場采用的不同清糞方式可能將對最終廢水中的抗生素殘留產(chǎn)生決定性影響，但目前相關(guān)研究仍較少報道，有待進一步研究確認。

1.2 抗生素抗性基因豐度及其影響因素 抗性基因是一類特殊的環(huán)境污染物，其位于質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子等細胞內(nèi)可移動基因元件上；當(dāng)攜帶抗性基因的微生物死亡后，抗性基因可在不同代系微生物間及不同種類菌株之間進行垂直傳播和水平基因轉(zhuǎn)移。養(yǎng)殖廢水中抗生素抗性基因除少部分為自然界抗性微生物自身攜帶外，其余均來源于養(yǎng)殖場動物體內(nèi)的微生物。同時，生豬廢水中的抗生素殘留又加劇了廢水中抗生素的脅迫壓力，進一步誘導(dǎo)產(chǎn)生突變，從而使原本不攜帶有抗性基因的微生物獲得抗性突變。

目前，國內(nèi)外已累計報道超過200 種抗生素抗性基因，從抗性基因所對應(yīng)的抗生素類型來看，主要包括氨基糖苷類、-內(nèi)酰胺類、氯霉素類、大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類、磺胺類、四環(huán)素類等抗性基因類型。其中，四環(huán)素類和磺胺類抗性基因在生豬養(yǎng)殖廢水中的污染情況最為嚴重。如Chen 等在生豬養(yǎng)殖廢水中共檢測到22 種抗性基因，其中主要包括四環(huán)素抗性基因（和）、磺胺類抗性基因（和）。在豐度方面，養(yǎng)殖廢水中抗生素抗性基因的檢出絕對豐度在9.5×10～5.0×10拷貝/mL。養(yǎng)殖廢水中磺胺類抗性基因（和）含量總體上高于四環(huán)素類抗性基因（和），其中以含量最高，相對16S rDNA 參比的豐度達到0.00698。

一般認為，養(yǎng)殖廢水中抗生素抗性基因的豐度受其殘留抗生素含量直接影響，特別是基因豐度與廢水中磺胺類抗生素殘留有直接的相關(guān)性。多種因素對抗性基因的殘留也有影響，如光照/紫外線照射會加速抗性基因及其宿主細菌在廢水中的消減，從而有利于降低廢水中抗生素抗性基因的殘留。養(yǎng)殖廢水中四環(huán)素類和磺胺類抗性基因的豐度在冬季時高于夏季，表明提高溫度也有利于抗生素抗性基因的降解。高溫對抗生素抗性基因的降解與其有效降低抗性基因宿主的多樣性和豐度有直接關(guān)系。此外，畜禽養(yǎng)殖場中的抗性基因豐度與重金屬濃度間呈正相關(guān)關(guān)系，表明重金屬的脅迫在抗性基因選擇過程中也起了重要作用，但目前對具體的協(xié)同機制仍缺乏數(shù)據(jù)。

2 生豬養(yǎng)殖廢水中抗生素及其抗性基因的處理措施

2.1 化學(xué)方法 目前用于生豬廢水中抗生素及其抗性基因去除的化學(xué)方法主要是氧化工藝，包括傳統(tǒng)的加氯處理、紫外消毒和Fenton 試劑氧化等高級氧化方法。氧化對抗生素的去除主要依賴于氧化劑入水后所釋放自由基的分解作用，也包括通過氧化微生物細胞膜等方式對抗性基因進行降解。國外研究表明，當(dāng)設(shè)定氯質(zhì)量濃度為160 mg/L，經(jīng)過120 min 的反應(yīng)后，生豬廢水中抗性基因的滅活量可超過2.98 log，證明通過氯制劑消毒可有效去除廢水中的抗性基因。Anjali 等分別比較了Fenton 試劑氧化、雙氧水、臭氧等不同高級氧化技術(shù)對磺胺類抗生素的降解情況后發(fā)現(xiàn)，氧化工藝對磺胺類抗生素的去除率均較高，可分別達到90%～97%、97.3%～100% 及100%。Ahmed 等通過比較證實，多種氧化方法結(jié)合可取得更好的去除效果，當(dāng)使用臭氧和雙氧水聯(lián)合、紫外消毒和雙氧水聯(lián)合、紫外與Fenton 試劑氧化聯(lián)合等組合氧化工藝均可實現(xiàn)對抗生素的平均去除率接近100%，遠高于單一的氧化處理工藝。需要關(guān)注的是，化學(xué)手段雖然對抗生素的去除簡單有效，但需控制用量以免二次污染。如在Fenton氧化工藝中通過優(yōu)化亞鐵離子與雙氧水的反應(yīng)比例1:3，pH6.0，反應(yīng)時間120 min，可實現(xiàn)生豬廢水中抗生素的最大去除效率達74%，同時又有效避免了鐵離子的污染風(fēng)險。此外，化學(xué)氧化手段的處理效果還易受到養(yǎng)殖廢水水質(zhì)復(fù)雜程度的影響，當(dāng)廢水中氮、磷等污染物濃度高時，必然需要提高氧化劑的用量。如Qiang 等研究表明，處理生豬廢水中磺胺類抗生素所需的自由氯含量（100 mg/L～2 g/L）顯著高于處理純水中同濃度（5 mg/L）的抗生素。

2.2 物理方法 目前用于生豬廢水中抗生素及其抗性基因去除的物理消減技術(shù)主要包括吸附、膜分離和混凝沉淀等。吸附法主要是通過范德華力或形成化學(xué)鍵對抗生素進行吸附，其中最常用的是活性炭吸附工藝。韓躍飛等采用濃度為20 mg/L 的粉末活性炭吸附含有500 μg/L 磺胺類抗生素（磺胺間甲氧嘧啶和磺胺甲惡唑）的模擬廢水后發(fā)現(xiàn)，最終去除率可分別達到91%和82%。但由于生豬廢水中高濃度的氮、磷污染物可與抗生素一起競爭活性炭的吸附位點，因此目前采用活性炭手段去除生豬養(yǎng)殖廢水中抗生素的研究較少。

膜分離技術(shù)可根據(jù)膜的孔徑大小分為反滲透、納濾、微濾和超濾等。由于抗生素的分子量處在300～1200 ku 的范圍，因此納濾和反滲透可直接對抗生素分子進行截留，去除率達98%以上。而抗性基因去除研究表明，當(dāng)采用孔徑為0.22 μm 的PVDF 材質(zhì)微濾膜時，可完全杜絕耐藥菌的排放。由此可見，膜分離工藝中分離孔徑對抗生素及其抗性基因的去除效率起到?jīng)Q定影響。此外，近年來研究表明，雖然通過膜分離技術(shù)去除抗生素抗性基因的方式對抗性基因種類沒有選擇性，但受到生豬廢水中總磷、固體懸浮物等常規(guī)污染物的影響，因此采用兩段膜分離工藝對固體懸浮物等雜質(zhì)進行預(yù)處理分離將十分有必要。

目前實際工程中混凝沉淀最為常用，不同類型的混凝劑對抗生素的去除效果不同。陽離子型聚丙烯酰胺去除廢水中的抗生素效果最好，對四環(huán)素類抗生素的去除率為22.8%～44.8%，喹諾酮類抗生素的去除率為32.2%～70.3%。物理方法中除膜處理技術(shù)外，其余方法材料簡單，處理方便，但物理手段不改變抗生素及其抗性基因的自身結(jié)構(gòu)，處理不當(dāng)仍有二次污染風(fēng)險。

2.3 生物方法 厭氧沼氣系統(tǒng)和好氧活性污泥是目前生豬養(yǎng)殖場普遍采用的生物處理技術(shù)，其中沼氣池對原水中喹諾酮類、磺胺類和四環(huán)素類抗生素的去除率分別為91.9%、96.5%和18.8%，好氧曝氣池對沼液中上述抗生素的去除率分別為99.9%、85.5%和98.9%，說明好氧處理的抗生素去除率較厭氧處理階段高。在實際應(yīng)用中，多將厭氧和好氧手段進行聯(lián)合以提高去除率，如馬壯采用缺氧-四級微好氧曝氣池聯(lián)合處理生豬廢水200 d 后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對四環(huán)素類、磺胺類和喹諾酮類抗生素的去除率分別達到99.34%、98.71%和88.52%；同時對磺胺類抗生素抗性基因的消減級數(shù)達到105，對四環(huán)素類抗性基因的消減級數(shù)達到104～106。周婧等研究發(fā)現(xiàn)，采用厭氧沼氣、缺氧和好氧曝氣的串聯(lián)工藝可實現(xiàn)對規(guī)?；i場廢水中磺胺類、喹諾酮類和四環(huán)素等3 類典型抗生素的最高總?cè)コ蔬_99.33%。Han 等報道采用厭氧和好氧聯(lián)合處理生豬廢水，當(dāng)水力停留時間為3.3 d 時，可實現(xiàn)化學(xué)需氧量（COD）降解率達95%，包括磺胺甲嘧啶在內(nèi)的19 種抗生素的總?cè)コ蔬_92%。在抗生素抗性基因的去除方面，厭氧發(fā)酵聯(lián)合好氧污泥處理可顯著降低抗生素抗性基因豐度，且廢水在系統(tǒng)內(nèi)較長的停留時間更有利于抗性基因去除，對和等抗性基因的平均去除率在33.3%～97.56%。生物手段對抗生素及其抗性基因的去除主要是通過吸附作用和微生物降解2 個途徑來實現(xiàn)，并受到污泥齡、水力停留時間和溫度等因素影響。近年來的研究證實，通過采用膜生物反應(yīng)器的方式可顯著提高反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的生物量并延長污泥齡，從而進一步提高抗生素的總?cè)コ手?0%以上。但由抗生素及其抗性基因帶來的膜污染問題仍需完善以降低系統(tǒng)運行的總體成本。

另一方面，利用光合微藻對養(yǎng)殖廢水進行處理也可作為一種潛在的抗生素降解方式，已發(fā)現(xiàn)的對抗生素有降解作用的微藻屬于螺旋藻屬（sp.）、小球藻屬（sp.）和柵藻屬（sp.）等。但藻類在生豬廢水中研究仍較少且主要集中于高速藻類池塘的應(yīng)用。國外研究發(fā)現(xiàn)，通過在高速藻類池塘中連續(xù)62 d 的處理，生豬廢水中溶解的最高濃度為2 mg/L 的四環(huán)素最終去除率可達到69%。此外，有研究發(fā)現(xiàn)通過將微藻與細菌組成菌藻共生系統(tǒng)可進一步提高對廢水中抗生素的去除效果。但目前菌藻共生系統(tǒng)在養(yǎng)殖廢水處理工藝中主要集中于對氮、磷等污染物的降解研究，相信未來該技術(shù)在抗生素去除方面將發(fā)揮更為重要的作用。

2.4 人工濕地技術(shù) 人工濕地是集物理、化學(xué)和生物手段為一體的綜合生態(tài)污水處理手段，也是目前在養(yǎng)殖廢水中應(yīng)用最具代表性的聯(lián)合處理技術(shù)，主要包括了表面流、水平流和垂直潛流等3 種不同類型。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用上流式人工濕地對豬場養(yǎng)殖廢水處理后，土霉素、四環(huán)素等抗生素的去除率最高可達99.9%；對四環(huán)素類抗性基因（）的消減則達到最高3.3 個數(shù)量級。類似的研究結(jié)果在垂直潛流人工濕地中也有報道?？股丶捌淇剐曰蛟谌斯竦刂械娜コ龣C制十分復(fù)雜：一方面，濕地中的水生植物可直接對抗生素及攜帶抗生素抗性基因的微生物宿主進行吸收利用，同時植物根系分泌物（如氧氣等）可促進濕地中微生物對抗生素如磺胺類抗生素的降解。另一方面，抗生素抗性基因在人工濕地中的去除與微生物通過吸附和生物去除機制的作用有關(guān)，主要包括被微生物用于生長代謝和/ 或被微生物產(chǎn)生的酶類等代謝產(chǎn)物直接分解。需要注意的是，水力停留時間是人工濕地系統(tǒng)的重要參數(shù)，Liu 等在垂直人工濕地系統(tǒng)處理豬場廢水抗性基因的研究中發(fā)現(xiàn)，水力停留時間在30 h 時最佳。其次是濕地系統(tǒng)中的物理填料類型。一般小粒徑的沸石濾料較火山巖濾料具有更優(yōu)的去除效果，對豬場廢水抗性基因的去除率可達到90%以上。由此可見，人工濕地處理豬場廢水時有必要對填料和停留時間進行優(yōu)化，以求獲得最為高效的去除效果。此外，溫度對人工濕地的抗生素去除作用也有影響，在夏季時四環(huán)素類和磺胺類抗生素的去除率顯著高于冬季，該作用與溫度提高促進植物生長及微生物活性有關(guān)。

3 展 望

生豬養(yǎng)殖廢水中抗生素及其抗性基因的殘留是關(guān)乎生存環(huán)境和人類自身健康的重要問題，已成為國內(nèi)外在畜牧生態(tài)環(huán)境保護和健康養(yǎng)殖領(lǐng)域的一個研究熱點。但目前該領(lǐng)域仍有多個關(guān)鍵問題尚待解決：一是突破單一抗性基因的評估局限，利用組學(xué)技術(shù)，如宏基因組學(xué)對養(yǎng)殖廢水中存在的新型抗性基因進行挖掘和鑒定，全面評價廢水中抗性基因的分布情況；二是完善抗生素及其抗性基因的去除工藝，如加強對菌藻共生系統(tǒng)去除效果的研究，并重點優(yōu)化現(xiàn)有處理技術(shù)的工藝參數(shù)；三是克服生豬養(yǎng)殖廢水中抗生素及其抗性基因的消減評價仍主要集中于豐度變化的局限，進一步加深對其降解規(guī)律的認識?？傊?，隨著研究的深入，生豬養(yǎng)殖廢水中抗生素及其抗性基因的殘留問題必將獲得根本性的解決。