畜禽粪便生物处理与土地利用全过程中抗生素和重金属抗性基因的赋存与转归特征研究进展

抗生素抗性基因(antibiotic resistance gene,ARG)在全球范围内的传播已引起国际上的广泛关注.越来越多的证据显示抗生素和重金属对抗生素抗性基因在环境中的分布和传播起到了重要作用.畜禽粪便是环境中抗生素和重金属的主要污染源之一,并已成为抗生素抗性基因重要的蓄积库.生物处理(如厌氧发酵和好氧堆肥)和土地利用是畜禽粪便广泛应用的处理与处置方式.本文通过文献调研,综述国内外抗生素抗性基因和重金属抗性基因在畜禽粪便生物处理及土地利用全过程中的传播、分布及控制的研究进展,并对今后的研究重点和方向提出建议和展望,以期为我国畜禽养殖粪便的风险控制和资源化利用提供借鉴.针对畜禽粪便处理处置全过程中抗性基因的削减与控制,我们建议在以下方面开展深入研究:1抗生素抗性基因和重金属抗性基因在全过程中的赋存与转归特征;2生物处理工艺操作参数对畜禽粪便中抗性基因分布及其削减的影响;3加强综合管理研究,源头控制抗性基因;4研发适于全过程抗性基因的协同控制关键技术等.     

紫色土丘陵区畜禽养殖场土壤中抗生素抗性基因分布特征

鉴于紫色土高垦殖丘陵区土壤中抗生素抗性基因的潜在生态环境风险,本研究采用高通量荧光定量PCR技术,分析了抗生素抗性基因在不同类型畜禽养殖场(养猪场、养鸡场和养牛场)土壤中的丰度和多样性.结果表明,3种养殖场土壤中共检出79种抗生素抗性基因和5种可移动基因元件,其中多重耐药类基因是养殖场土壤中丰度最高的耐药基因.不同养殖场土壤中抗生素抗性基因的丰度和多样性均表现为养鸡场和养猪场样品高于养牛场土壤,且3种养殖场土壤样品中的抗性基因表现出不同的类别分布特征.养殖场土壤中较高的可移动基因元件丰度,及其与抗生素抗性基因丰度显著的相关性(P0. 05)说明,可移动基因元件可能促进了抗生素抗性基因在养殖场土壤中的迁移和扩散.     

梅花鹿养殖场抗生素抗性基因分布特征

梅花鹿养殖是近年来我国南方地区出现的新兴养殖业.为探究梅花鹿养殖对养殖环境抗生素抗性基因的影响,采用高通量荧光定量PCR研究了抗生素抗性基因在养殖场区对照土壤、梅花鹿新鲜粪便、梅花鹿粪便堆肥产物和施用堆肥菜地土壤中的分布、丰度和多样性.结果表明,抗性基因的绝对丰度梅花鹿粪便堆肥产物梅花鹿新鲜粪便施用堆肥菜地土壤养殖场区对照土壤,抗生素抗性基因在4种环境样品中具有不同分布格局;梅花鹿养殖场环境中抗性基因丰度与可移动基因元件丰度显著相关(P0.05),表明可移动基因元件可能加快了抗性基因的水平转移过程,促进了抗性基因的迁移、传播和富集,加剧了养殖环境抗生素抗性基因污染.     

抗生素抗性基因(ARGs)——一种新型环境污染物

抗生素的环境污染与生态毒性近年来引起了日益广泛的关注.水产养殖和畜牧业抗生素长期滥用的直接后果,很可能诱导动物体内抗生素抗性基因,经排泄后将对养殖区域及其周边环境造成潜在基因污染.抗性基因还极有可能在环境中传播、扩散.对公共健康和食品、饮用水安全构成威胁.为此,提出了将抗生素抗性基因作为一类新型环境污染物,对该类污染物在环境中的来源、潜在的传播途径以及国内外相关研究进展进行综述,指出了当前形势下我国开展环境中抗生素抗性基因污染研究的必要性,建议尽快从国家层面上系统进行抗生素抗性基因的环境污染机理与控制对策研究.     

制药废水中抗生素抗性的污染特征、检测手段和控制方法

制药行业废水中含有大量的抗生素、抗生素抗性细菌（ARBs）及抗性基因（ARGs）等新污染物,现今的生物处理工艺尚不能有效地对其进行去除.最终以上新污染物随出水进入各类水体或渗入土壤,造成环境污染,影响人类健康.因此,探明制药废水中抗生素、ARBs和ARGs的污染特征,知晓检测和控制废水中抗生素抗性污染的方法,对于削减环境中的抗生素和ARGs,评估抗生素抗性的生态风险至关重要.针对制药废水处理厂（PWWTPs）环境中的抗生素抗性污染问题,讨论了制药废水中的抗生素、ARBs和ARGs的污染现状;概述了制药废水环境中抗生素抗性的不同评估方法;最后对PWWTPs中常用去除抗生素及ARGs的废水处理技术进行了概述,以期为环境中抗生素及抗性基因的生态风险评价及科学防治提供理论依据.     

人工湿地去除畜禽养殖废水中磺胺类抗生素抗性基因研究

采用垂直潜流人工湿地研究了畜禽养殖废水中磺胺类抗生素抗性基因(ARGs)在人工湿地中的去除及累积情况.结果表明,畜禽养殖废水中的3种磺胺类ARGs(sul Ⅰ,sul Ⅱ及sul Ⅲ)的平均绝对含量分别为1.15×1010、7.51×1010及7.51×107 copies/L.通过湿地系统处理后sul Ⅰ、sul Ⅱ及sul Ⅲ的平均去除率分别为89％、88％及84％.在系统运行末期,湿地表层土壤和底层土壤中sul Ⅰ、sul Ⅱ及sul Ⅲ的绝对拷贝数和相对表达量均有明显的升高.结果表明,人工湿地系统可有效降低畜禽养殖废水中ARGs含量.     

废水处理系统中抗生素抗性基因分布特征

废水处理厂被认为是抗生素抗性基因(ARGs)的重要污染源.为探究抗性基因在进水状况复杂的废水处理厂沿程的分布变化特征,选取以生产抗生素为主导行业的某化工园区废水处理厂,使用实时荧光定量PCR对废水处理厂沿程ARGs的种类、丰度变化进行研究.结果表明,废水处理厂水体中检出16种ARGs,四环素类、磺胺类ARGs为废水处理厂中占主导的抗性基因,并检出可移动遗传元件int I1,其丰度与磺胺类抗性基因的丰度(P 0. 05,r 0. 95)存在相关性,表明可移动遗传元件int I1可能促进了磺胺类抗性基因的迁移和转化.园区医药企业以合成大环内酯类抗生素为主,由于选择性压力,园区废水中,erm B抗性基因的绝对丰度远远高于其他废水中erm B的绝对丰度.废水经过废水处理厂生物处理工艺,总ARGs绝对丰度下降了1. 16个数量级,经过芬顿工艺处理后,总ARGs绝对丰度下降了2. 46个数量级,表明该废水处理工艺中深度处理工艺对ARGs的去除效果优于生物处理.高浓度、可移动的ARGs已经存在于水体中,如果没有得到有效治理,从废水处理厂排出,将给环境带来高度风险.     

土壤中抗生素抗性基因的分布及迁移转化

为明晰土壤中抗生素抗性基因的存在及传播状况,并为开展抗生素抗性基因土壤污染的风险评价工作提供科学的理论依据.本文根据抗生素抗性基因存在和转移的理论基础,结合国内外研究进展,详细阐述了土壤中抗生素抗性基因的来源、分布传播及其影响因素,发现已有研究对外源抗生素抗性基因在土壤中的丰度和种类变化的研究较为深入,而对其在土壤中的空间分布特征、传播扩散及行为机理等研究工作尚处于起步阶段.因此提出未来土壤抗生素抗性基因的研究重点应为掌握抗生素抗性基因的空间分布、溯源、迁移转化规律及其关键制约因子,并建立相应的数量关系.     

四环素抗性基因在人工湿地中的去除及累积

以垂直潜流人工湿地系统为试验装置,考察了猪场养殖废水中四环素类抗生素抗性基因(tetW、tetM和tetO)在人工湿地中的去除及累积情况.结果表明,养猪废水中的3种抗性基因均有检出且含量较高,tetW、tetM和tetO的平均绝对含量分别为1.07×1010、4.03×1010和4.92×1010copies.L-1.通过湿地系统处理后,水体中抗生素抗性基因绝对拷贝数和相对表达量均明显降低,tetW、tetM和tetO的平均去除率分别为95.73%、92.21%和95.05%.在系统运行末期,湿地表层土壤和底层土壤中tetW、tetM和tetO的绝对拷贝数和相对表达量均有明显的升高,并且抗性基因在表层土壤中的累积水平高于底层土壤.因此,人工湿地系统可有效降低养猪废水中抗生素抗性基因的绝对及相对含量水平,系统的运行条件可对抗生素抗性基因在湿地系统中的积累产生影响.     

螺旋霉素制药废水处理过程中耐药菌和抗性基因的转归特征

抗生素耐药菌和抗性基因对环境和人体健康构成了巨大的潜在危害.因此本研究通过现场采样,分析了某抗生素制药厂污水处理站不同季节螺旋霉素制药废水生物处理过程中大环内酯类耐药菌、6种大环内酯类抗性基因erm B、erm F、erm X、mef A、ere A、mph B和3种转移元件ISCR1、int I1、Tn916/1545的转归特征.结果表明,废水生物处理能有效削减异养菌和肠球菌1.6~2.1 logs和3.7 logs,4个处理单元(调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池)出水中分离出的94株肠球菌均对螺旋霉素、阿奇霉素、红霉素、克拉霉素具有抗性,并且出水中肠球菌的耐药率并没有下降.PCR和荧光定量PCR的分析结果表明,80%耐药肠球菌携带抗性基因erm B,其他的抗性基因未检出,并且春季和秋季样品中抗性基因erm B和erm F的含量均为最高.废水生物处理对抗性基因erm B、erm F、mef A、ere A、mph B和转移元件Tn916/1545有一定的削减效果,但erm X、int I1、ISCR1出现了一定程度的反弹;mef A、ere A、Tn916/1545的丰度降低了,且春季mef A、ere A、Tn916/1545的去除效果明显好于秋季,而erm X、int I1、ISCR1的丰度增加了.     

宏组学方法及在污水生物处理系统研究中的应用

近年来随着测序、质谱等技术的高速发展,基于核酸分子信息为基础的包含宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学与代谢组学等核心内容的生物分子宏组学方法逐渐成熟,成为揭示污水生物处理系统中的关键微生物菌群结构和功能特征的有力工具,也在检测污水系统中多种ARGs以及探究其传播机制上发挥出无法替代的巨大优势,在污水生物处理研究中应用宏组学,对于深化认知污水处理系统本质、提高污水处理效率以及控制ARGs在环境中的传播具有重要指导意义.本文对宏组学方法进行了简单的介绍,着重综述了其在污水生物脱氮、强化生物除磷及探究抗生素抗性基因等方面的进展,并展望了其在污水生物处理系统中的广泛应用前景.     

污水处理厂生物气溶胶抗生素抗性污染特征

为探究污水处理厂生物气溶胶抗生素抗性基因（ARGs）污染特征,在济南市某污水处理厂采用宏基因组测序技术对厂界内及周边生物气溶胶样本及污水或污泥样本进行分析.结果表明,相比于上风向,厂界内和下风向生物气溶胶具有更多的ARGs亚型种类数和更高的总相对丰度.厂界内与上风向生物气溶胶ARGs组成存在显著的差异性,差异度为47.57%;而厂界内与下风向生物气溶胶ARGs组成的差异性不显著,且差异度下降至33.98%.上风向背景空气和污水或污泥均是厂界内生物气溶胶ARGs的重要来源,两者总的源的贡献大于63.92%.共检测到43种ARGs亚型（8种ARGs主型）在至少一处污水处理单元极易负载于生物气溶胶颗粒逸出.本研究可为污水处理厂生物气溶胶抗生素抗性污染的风险评估和控制提供理论依据.     

曝气生物滤池在炼油废水处理中的应用

介绍了曝气生物滤池的工艺原理和主要特点,以及在炼油厂废水处理中的应用,分析了曝气生物滤池的主要影响因素温度、pH值和碱度、水力负荷、溶解氧等。曝气生物滤池在废水处理中有较好的应用前景。     

人工湿地去除抗生素抗性基因的研究进展

抗生素抗性基因（ARGs）在环境中的污染现状和危害逐渐受到重视.常规的水处理工艺在减少抗生素耐药菌（ARB）方面表现出非常好的效果.然而,即使在消毒过程中ARB完全失活,产生游离的ARGs也可能通过转化或转导等手段整合到其他微生物体内,使ARGs在环境中传播和扩散.因此,需要有特定的工艺处理废水中的ARGs.人工湿地是目前有效且经济环保的废水处理工艺,并且已有大量研究表明在去除抗生素和ARGs方面有显著效果.通过综述目前国内外人工湿地水处理系统对ARGs的去除效率的研究进展,结果表明,潜流人工湿地相较于表面流人工湿地对ARGs的去除效率更高.人工湿地对ARGs的去除效率因人工湿地强化类型、植物、温度和pH等因素而异,在去除环境中ARGs的应用有广阔的前景,同时也面临挑战.     

小型畜牧养殖场废水处理工程实例

采用以人工湿地为主体的工艺处理小型养殖场产生的废水,先经稀释、混合调节对高浓度废水进行预处理,之后依次进入简易厌氧池、四级人工湿地和生物塘工序。实际运行结果表明:该工艺处理效果好,运行稳定,耐冲击负荷能力强,费用低廉,SS、COD、NH4+-N、TP去除率分别达到91%、89%、62%和88%,出水可达再生水回用于农业用水选择性标准。     

MBR处理猪场废水过程中抗生素抗性基因的去除

以猪场废水中典型的抗生素抗性基因(antibiotic resistant genes, ARGs)为研究对象,针对MBR工艺处理猪场废水,研究生物处理过程抗性基因去除及其与工艺参数的关系。膜生物反应器(membrane bio-reactor, MBR)小试装置对猪场废水中COD和TN的平均去除率分别达到95.5%和92.4%。在污泥龄(sludge retention time,30 d)较长时,MBR对ARGs的拷贝数去除率在1.5~2 logs,而将SRT缩短至15 d时去除率最高可达3.78 logs。环境因子(DO、pH、Temp、SS、COD、NH+₄-N和TN)对MBR出水中ARGs拷贝数和丰度的影响呈现出相同趋势。因此,通过降低SRT、提高DO、pH、和温度等措施,可以提高ARGs拷贝数和丰度的消减效率,具有实际应用价值和指导意义。     

工业含酚废水治理进展及前景

工业含酚废水来源广,危害大,经济高效地治理与回收工业废水中的酚类物质极为重要。文章综述了国内外含酚废水治理技术的研究现状,并探讨了相关工艺的优、缺点以及应用前景。指出溶剂萃取技术是高浓度含酚废水治理的有效方法,其他方法如高级氧化技术和生物技术也将为含酚废水的深度治理提供新途径。     

典型规模化养猪场废水中兽用抗生素污染特征与去除效率研究

采用固相萃取结合高效液相色谱/串联质谱方法,对苕溪流域某规模化养猪场排放的典型废水进行兽用抗生素污染检测.结果表明,废水中四环素、土霉素、金霉素和强力霉素等4种四环素类抗生素污染最为严重,最高单体污染浓度可达13.65×103ng·L-1.磺胺嘧啶、磺胺甲唑和磺胺二甲嘧啶等3种磺胺类物质也有一定的检出量,但以磺胺二甲嘧啶较为突出,最高检出量为675.4ng·L-1.氧氟沙星以及红霉素和罗红霉素等喹诺酮和大环内酯类抗生素除了原水有较低的检出量,其它废水均未检出.厌氧消化废水处理系统对废水中高浓度的抗生素具有明显的去除效果,但对低浓度的抗生素去除率较低.与欧盟水环境抗生素阈值(10ng·L-1)相比,排放水中的抗生素污染浓度对周边地表水环境的污染风险仍需要引起重视.通过饲料摄入途径估算养猪场排泄物抗生素含量,并与实测值比较,结果表明,饲料摄入并不是该养猪场兽用抗生素利用的主要方式,可能存在其它用药途径,需要在今后的畜禽养殖兽用抗生素的污染调查、风险估算和消减工艺研发中引起重视.     

两相分配生物反应器处理高浓度有机废水研究进展

随着化学化工及其相关产业的高速发展,高浓度难降解有机废水日益增多,其新型适用的处理工艺技术研发具有迫切性和必要性。就现有废水处理工艺技术而言,生物处理工艺具有彻底矿化降解污染物、处理费用低、二次污染风险低等优点,但对浓度高、毒性大及疏水性强的有机污染物的处理受到限制。近期发展的两相分配生物反应器(two-phase partitioning bioreactor,即TPPB)法则在高浓度难降解有机污水处理中显现出显著的应用效果。综述了TPPB的工作原理、研究现状以及存在的问题,并展望了TPPB技术的应用前景。