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养牛场专业废水处理设备

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产品介绍

养牛场专业废水处理设备

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.

  4.3 消毒工艺

  已有研究考察了消毒工艺(包括紫外、臭氧、加氯)处理畜禽养殖废水时对耐药菌的杀灭效果.研究发现,加氯量和臭氧用量分别为30 mg · L-1和100 mg · L-1时,猪场氧化塘废水中细菌总数分别去除了2.2~3.4 log cfu · mL-1和3.3~3.9 log cfu · mL-1,然而林可酰胺、金霉素、磺胺甲恶唑耐药菌对加氯消毒不敏感,而四环素耐药菌对加氯消毒敏感,臭氧对耐药菌的影响并未给出相应结果.加氯对抗万古霉素肠球菌具有较好的灭杀作用.而GomezAlvarez等研究加氯消毒对饮用水中抗性基因的影响,宏基因组数据表明加氯消毒后饮用水中仍含有编码β内酰胺酶(bla)、外排泵等抗生素抗性基因,表明耐受氧化性的细菌同时携带抗生素抗性基因.关于紫外和臭氧对畜禽养殖废水抗性基因的去除研究较为缺乏,研究了紫外灭菌对市政排水抗性基因消减的影响,结果表明紫外强度为249.5 mJ · cm-2时对抗性基因消减效果,tetX和16S rRNA分别去除了0.58和0.60 log.Oh等采用模拟实验研究了臭氧对耐药性埃希氏大肠杆菌(Eschericia coli, E. coli)的去除,结果表明臭氧剂量为3 mg · L-1时耐药性E. coli去除了1 log.

  4.4 组合工艺

  畜禽养殖废水通常采用厌氧好氧组合工艺进行处理.Chen等在监测某猪场夏季废水处理工艺对抗性基因去除效果时,发现经过厌氧消化好氧滤池处理,ermB丰度分别降低了1.2 log、0.9 log copies · mL-1,而ermB在出水储存池中已低于检测限;tetG在厌氧、好氧过程分别降低了1.1 log、3.4 log copies · mL-1.对我国东部某猪场废水采用厌氧消化与氧化塘组合工艺去除抗性基因的效果进行了调查,发现tetO、tetQ、tetW有明显去除,丰度从10-1降至10-3 copies/16S rRNA,这可能由于tetQ和tetW宿主细菌多为厌氧菌,而tetO多为好氧菌携带,这些抗性基因无法在厌氧好氧交替环境中维持.而关于生物处理与消毒组合工艺对畜禽废水中抗性基因的去除作用,研究结果非常缺乏.

  5 畜禽养殖废水农田利用对土壤和植物中抗性基因的影响

  由于畜禽养殖废水中富含有机质、氮、磷等营养物质,通常经过厌氧发酵、氧化塘等工艺处理后,作为肥水还田利用,这既节约了处理成本,也促进了养分循环利用,目前我国、美国、欧洲等国家都推行畜禽养殖废水的农田利用.然而,畜禽养殖废水农田利用可能产生抗性基因从养殖场向农田土壤的传播风险.

  土壤是重要的抗性基因储存库,其中主要的抗性基因来源包括土壤中固有的抗性微生物所携带的抗性基因,以及外源进入土壤中抗性微生物所携带的抗性基因,但有关土壤中抗性基因的研究较为缺乏.)指出猪粪施用于农田存在抗性基因的水平转移风险,由于粪源微生物与土壤微生物不同,粪源微生物进入土壤后在几个月中大量消失,但抗性基因可通过水平转移进入土壤本土微生物中,进而引起土壤微生物抗性基因丰度的增加.而研究发现牛粪农田利用引起土壤中抗性基因blaCEP丰度的提高是由于携带抗性基因的假单胞菌(Pseudomonas sp.)和紫色杆菌(Janthinobacterium sp.)的增殖,而这两种细菌来自于土壤,而非粪便引入.粪便农田利用可引起抗性基因丰度提高,但其微生物学机制仍不明确.

  畜禽养殖废水还田利用一定时间内会显著提高土壤中抗性基因丰度.对北京某猪场周边土壤四环素抗性基因进行了定量检测,发现丰度较高的四环素类抗性基因为tetB/P、tetT、tetM、tetO和tetW,其基因拷贝数范围在106~108 copies · g-1 DM,并认为tet抗性基因存在由畜禽养殖向土壤的转移.的研究发现,猪场废水农田利用后土壤中抗性基因tetQ、tetZ和整合子intI1、intI2分别提高了500、9和6、123倍.的研究发现,施用猪场厌氧消化液的土壤中四环素类抗性基因丰度为105~108 copies · g-1,显著高于未施用猪场废水的土壤,而作物类型对抗性基因的丰度影响较小.)研究了抗性基因沿土壤深度的变化,结果表明tetO、tetW、tetM、tetA丰度沿土壤深度在0~80 cm逐渐降低.)发现,饲料中添加磺胺嘧啶显著影响猪粪还田后土壤中sul抗性基因的变化,添加磺胺处理组在第60 dsul1抗性基因丰度降低至10-3 copies/16S rRNA、而sul2升高至10-1 copies/16S rRNA,饲料未添加磺胺嘧啶处理组sul1和sul2均呈现降低趋势,丰度分别为10-6和10-5 copies/16S rRNA研究了施用猪粪的玉米根际土壤与非根际土壤微生物群落变化,结果表明根际土壤sul1和sul2抗性基因略低于非根际土壤,可能与根际环境磺胺嘧啶降解速度快有关,而sul基因常与质粒结合,根际土壤是质粒发生结合转移的热点区域.考察了土壤类型对抗性基因的影响,发现壤土中sul2基因丰度高于砂土.)采用宏基因组文库研究了土壤中不可培养细菌携带的抗性基因,结果表明猪粪还田的土壤携带四环素类、利福平、氨基糖胺类、氯霉素类抗性基因.同未施用畜禽粪便的土壤相比,发现施用猪粪的土壤中大环内脂类抗性基因(ermA、ermB、ermF等)和质粒(IncQ、IncW)丰度有提高.发现携带多重抗性的质粒IncP-1ε在粪便施用后的土壤中扩散.

 

  6 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.

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