楊禮震，劉天琪，王祿祿，曹蕓蕓，周文兵，肖乃東，蔡建波

華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/生豬健康養(yǎng)殖省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070

為預防動物疾病和保證動物產品穩(wěn)產高產，畜禽養(yǎng)殖業(yè)廣泛使用抗生素。然而，抗生素的使用會使細菌產生耐藥基因，養(yǎng)殖廢棄物是導致環(huán)境中抗生素及耐藥基因污染的重要來源之一。到2050年，預計全世界每年將有1 000萬人因抗生素耐藥性而死亡，衛(wèi)生部門經(jīng)濟負擔將高達100萬億美元[1]。我國是世界上最大的生豬生產國，養(yǎng)豬場每年產生大量含抗生素耐藥基因（antibiotic resistance genes，ARGs）的廢水[2]。污水處理系統(tǒng)是養(yǎng)豬場必不可少的環(huán)保設施，然而，當前養(yǎng)豬場污水處理系統(tǒng)多為降低有機物（化學需氧量）、氨氮等污染物而設計，對于殘留ARGs的污染問題尚未引起足夠關注[3]。

生豬腸道中微生物受到抗生素壓力脅迫發(fā)生基因突變而產生的ARGs，可通過水平基因轉移和垂直基因轉移2種方式促使細菌耐藥性發(fā)生轉移，導致ARGs類環(huán)境問題不斷產生[4]。含ARGs的廢水進入到污水處理系統(tǒng)后可隨廢水排出進入水、空氣和土壤環(huán)境中，進而通過呼吸作用和食物鏈對人類產生危害。養(yǎng)豬場內抗生素轉移傳遞方式如圖1所示。不同類型的抗生素以及污水處理方式使得細菌中抗生素耐藥性有所差異。攜帶ARGs的可移動遺傳元件也可在動物和人類之間的不同腸道微生物群之間進行傳播[5]。在復雜環(huán)境體系中，細菌間會相互影響，如一些敏感細菌可與耐藥細菌相互作用而共存[6]。因此，水樣環(huán)境越復雜越難以調查廢水中ARGs的作用方式。筆者針對養(yǎng)豬廢水處理工藝中ARGs污染問題，結合國內外最新文獻報道，闡述生豬養(yǎng)殖場內ARGs污染情況，介紹養(yǎng)豬廢水處理工藝的幾種關鍵方法，以期為養(yǎng)豬廢水處理工藝去除ARGs提供技術參考，促進我國生豬養(yǎng)殖綠色可持續(xù)發(fā)展。

圖1 抗生素在養(yǎng)豬場內傳播路徑Fig.1 Transmission routes of antibiotics in swine farms

1 生豬養(yǎng)殖場耐藥基因的產生

1.1 生豬腸道內抗生素及抗性基因的產生

在生豬養(yǎng)殖過程中，抗生素的長期使用，導致ARGs的出現(xiàn)和耐藥菌的增加。生豬腸道微生物群作為ARGs的潛在儲存庫已逐漸引起人們關注[7]。生豬腸道微生物能維持宿主代謝穩(wěn)態(tài)，保障多種生理、神經(jīng)和免疫功能。生豬腸道微生物相互作用會影響微生物群落的功能和結構，如真菌可以影響細菌生長，噬菌體能夠調節(jié)細菌的多樣性，但目前關于ARGs的研究主要集中于細菌，對真菌、病毒等微生物的研究則相對較少[8]。為了促進生豬生長，常在飼料中添加抗生素，飼料中抗生素添加劑量一般在2.5～125 mg/kg[9]，然而30%～90%的抗生素不能被生豬腸道吸收而被直接以糞便排出，同時ARGs也隨著耐藥菌一起排出并進入環(huán)境，從而進一步對ARGs的產生造成選擇性壓力[10]。

國內很多學者在生豬腸道中檢測出ARGs[11]，在生豬腸道中含有大量微生物菌群，其數(shù)量超過宿主細胞?？股氐氖褂脮股i腸道內微生物群發(fā)生紊亂，例如，在生豬保育期和生長期使用抗生素會導致腸道微生物生態(tài)失調，與對照組相比，使用泰樂菌素的生豬腸道中乳酸桿菌和醋桿菌屬占有較大的豐度[12-13]。生豬腸道微生物群中的病原體，具有向人類傳播抗生素耐藥性潛力[12，14]。針對復雜的腸道微生物群，消減生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)中ARGs豐度可從以下幾個方面入手：從源頭控制并且加強用藥監(jiān)督；在飼料中添加抗生素替代品（如益生元、有機酸、抗菌肽和桿菌肽）改善腸道健康，使生豬保持良好的腸道菌群；通過接種疫苗，刺激宿主利用自然防御系統(tǒng)產生免疫力來保障成本和免疫疾病[12，15-16]。

1.2 生豬養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素及抗性基因分布

養(yǎng)豬場廢水的排放導致環(huán)境中ARGs豐度和多樣性增加，進而影響地表水和土壤中微生物生態(tài)[3]。養(yǎng)豬廢水的抗生素含量與飼料、喂養(yǎng)模式、養(yǎng)豬場的規(guī)模以及養(yǎng)豬場的地理位置有關。生豬腸道吸收抗生素的能力較差，抗生素常以糞便形式進入生豬養(yǎng)殖環(huán)境[17]。豬糞中富集的抗生素，如土霉素含量高達5 175.3 μg/kg，遠高于飼料中的含量（152.7 μg/kg）[18]。

養(yǎng)豬廢水中的ARGs，除了環(huán)境中已經(jīng)攜帶ARGs的微生物，其余均來源于養(yǎng)豬場內生豬體內的微生物。生豬養(yǎng)殖環(huán)境中殘留抗生素又會造成選擇性壓力，誘導微生物發(fā)生突變，使不含ARGs的微生物產生耐藥性。養(yǎng)豬場內的ARGs的分布如表1所示，在養(yǎng)豬場內能夠檢測到大量的ARGs，其中主要是四環(huán)素類ARGs（tetO、tetM、tetC和tetQ）和磺胺類ARGs（sul1和sul2）。ARGs廣泛分布于豬舍的各個位置，甚至地下水中也能檢測到ARGs的存在。在豐度方面，Gao等[19]調查養(yǎng)豬場內井水耐藥基因豐度，其平均值高達5.27×107copies/L。這些耐藥基因會隨著廢水水平基因轉移到受納環(huán)境中。Mu等[20]調查了北方某養(yǎng)豬場附近的土壤，發(fā)現(xiàn)磺胺類ARGs（1.3×109～2.6×109copies/g）在ARGs中最普遍，占總樣本約70%。養(yǎng)豬場空氣中生物氣溶膠也含有大量致病菌和潛在ARGs宿主，這些生物氣溶膠可遠距離傳播到外部環(huán)境，對公眾健康帶來重大潛在風險[21]。

表1 生豬養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs分布情況Table 1 Distribution of ARGs in swine breeding environment

生活在養(yǎng)豬場環(huán)境中的工人腸道微生物菌群失調風險較高，可能影響人體健康。據(jù)報道，相對于肉雞養(yǎng)殖場，生豬養(yǎng)殖戶糞便中ARGs含量更高[22]。生豬養(yǎng)殖廢棄物的不規(guī)范處理和排放將導致周圍水、土壤和大氣等環(huán)境受到嚴重污染。特別是ARGs這種不同于其他化學污染物的特殊污染物，一旦產生，很難控制和清除，并且ARGs在養(yǎng)豬環(huán)境中具有可持久性、會在環(huán)境中發(fā)生遷移和轉化，具有比抗生素更嚴重的危害性。

2 不同廢水處理工藝的耐藥基因遷移

當前我國生豬廢水傳統(tǒng)處理設施（如格柵、固液分離機、沉淀池、序列間歇式活性污泥反應器、人工濕地等），未應用于處理抗生素耐藥基因和抗生素耐藥細菌（antibiotic resistant bacteria，ARB）[25]，處理后廢水仍含有各種ARGs和ARB，尤其是規(guī)模化養(yǎng)豬場廢水處理后，其ARGs需要引起足夠關注。這些傳統(tǒng)設施由于水力停留時間較短，以及生物生長和遺傳交換會導致ARGs進一步增殖。大部分污水處理廠處理的廢水仍存在微生物密度過高以及抗生素殘留等特點，通常能檢測到較高水平的β-內酰胺類、大環(huán)內酯類、多藥類、四環(huán)素類、磺胺類、喹諾酮類和氨基糖苷類等常見抗生素[26-27]，這會促進基因水平轉移和抗生素耐藥性產生。我國養(yǎng)豬廢水主要處理方法為生物處理法，其次還有物理化學法和人工濕地法，這些方法對于抗生素及耐藥基因的去除效率和作用機制均不同。

2.1 生物法處理抗生素及耐藥基因

生物處理法是通過厭氧和好氧單獨或結合使用對養(yǎng)豬廢水進行處理，該方法可以有效處理常規(guī)污染物，如有機物（以化學需氧量（COD）形式表示）和總氮。然而，厭氧處理工藝不但不能完全去除養(yǎng)豬廢水中的抗生素和ARGs，甚至可以為ARGs產生和轉移創(chuàng)造有利條件[28-29]。生物處理反應器中ARGs的豐度變化受到抗生素種類、濃度和暴露時間的影響，但經(jīng)過反應器后ARGs不但不會減少，甚至在抗生素暴露下大部分污泥和廢水中ARGs豐度上升。厭氧處理養(yǎng)豬廢水后，四環(huán)素類ARGs（tetA、tetG、tetC、tetM）和磺胺類ARGs（sul1、sul2）相對豐度增加[30-31]。Zhang等[29]研究發(fā)現(xiàn)，厭氧消化污泥中除blaTEM減少外，其他類型ARGs豐度均有不同程度增加。厭氧反應器對于養(yǎng)豬廢水ARGs去除效率較低，但可以通過提高溫度、使用添加劑提高厭氧反應器中ARGs的去除率[32-34]。Tian等[34]將厭氧反應器中溫度從35°C提升到55°C時，發(fā)現(xiàn)13個ARGs可能宿主的18個細菌屬的總豐度從23.27%下降到11.92%。Sun等[32]通過在厭氧反應器中添加生物炭刺激厭氧消化過程，降低了ARGs豐度。

厭氧和好氧結合使用有助于消減廢水ARGs豐度。厭氧缺氧/好氧和厭氧短程硝化反硝化能有效降低養(yǎng)豬廢水ARGs的絕對豐度和多樣性[2]。Yang等[35]在厭氧/好氧（anaerobic/oxic，A/O）過程中檢測到大量的磺胺類和四環(huán)素類ARGs（105～109copies/mL）。Sui等[36]從養(yǎng)豬場的A/O罐中檢測到11種ARGs，包括四環(huán)素類、磺胺類和β-內酰胺類耐藥基因，這些基因中sul2和sul1在厭氧池和好氧池中的豐度最高，分別達到109和108copies/mL，并且其去除量高達103.43copies/mL。結合厭氧好氧處理，我國臺灣地區(qū)6個養(yǎng)豬場污水處理系統(tǒng)中ARGs平均去除率為33.30%～97.56%[37]。此外，增加水力停留時間會減少A/O處理工藝對ARGs的去除效率，Sui等[38]將養(yǎng)豬場廢水通入序批式膜生物反應器，水力停留時間從12 d增加到30 d，其ARGs去除量從102.91copies/mL減少到101.18copies/mL。

傳統(tǒng)的生物處理方法能耗高、運行成本高、剩余污泥處置困難，對于ARGs去除效率不理想，但目前國內養(yǎng)豬場大部分采用生物處理方法，需要研發(fā)出新技術或結合其他處理技術共同消減養(yǎng)豬廢水中的ARGs。Li等[39]對比活性污泥法和微藻處理法中sul1基因的豐度，發(fā)現(xiàn)活性污泥法和微藻法中sul1豐度分別為3.06×107和1.73×106copies/L，該微藻處理中ARGs豐度大幅度減少。因此今后可以使用微藻處理法，該方法去除ARGs更有效，且具有能量需求低、高碳中和的能量轉換能力。

2.2 物理化學法處理抗生素及耐藥基因

養(yǎng)豬廢水常用的物理化學法有消毒、膜分離、絮凝或芬頓氧化等。養(yǎng)豬廢水處理中的消毒技術常使用紫外線消毒和氯消毒。紫外線消毒機制主要分為直接和間接2種機制，直接機制是紫外線直接穿透細胞壁、細胞膜和細胞質被核酸吸收；間接機制是細胞內的光敏物質吸收紫外線產生活性氧，氧化細胞膜、細胞質和核酸，從而殺滅細菌。理論上紫外線消毒是一種去除ARGs的可行方案，但在養(yǎng)豬廢水處理系統(tǒng)使用紫外線對ARGs去除效率較差[40]。如 Ferro等[41]使用紫外線/H2O2體系處理 ARGs，240 min后其豐度僅從初始5.1×104copies/mL減少到4.3×104copies/mL。同時有研究表明，去除ARGs所需紫外線的劑量約為常規(guī)污水處理廠處理廢水所需紫外線劑量的2倍[42-43]。氯消毒是通過次氯酸分子氧化水中污染物，從而達到降解的效果，但也不能徹底去除養(yǎng)豬廢水中的 ARGs，Mao 等[44]檢測了中國北方的2個污水處理廠出水口處ARGs豐度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氯消毒處理后，出水中依然存在相當濃度的ARGs（103～106copies/L）。而對于膜分離的處理方法，對ARGs去除效率較高，Liang等[45]對養(yǎng)豬廢水進行超濾和二級反滲透的集成膜過濾，通過過濾可減少99.79%的ARGs（從3.01×108copies/mL降低到6.45×105copies/mL）。電化學消毒方法中的電凝法和電芬頓法也可以用于ARGs的去除，其通過鐵或鋁陽極在電解池中氧化生成混凝劑，并與細菌或污染物形成絮狀沉淀物。Chen等[46]利用連續(xù)電絮凝和電芬頓法對細胞內和細胞外ARGs的去除量分別為102.49和103.23copies/mL。此外，還可以利用金屬能破壞細胞結構的機理，進而去除養(yǎng)豬場內ARGs，Zhang 等[47]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水 ARGs豐度為105.78～108.77copies/mL，廢水通過mFe/nCu工藝處理在60 min內ARGs去除量為102.4copies/mL，并且該工藝去除ARGs的原理是殺滅細菌和破壞ARGs結構和功能，該過程對于ARGs的去除是永久不可逆的。

由此可見，減少養(yǎng)豬廢水中ARGs，不能只使用簡單的消毒方式，還應找出高效便捷的處理措施，使其處理方式達到最優(yōu)狀態(tài)。膜分離方法和金屬破壞細胞方法雖然去除效率較高，但是所需成本高昂并且二次污染問題嚴重，與前2種方法相比，電化學方法盡管耗能較高，但它是最具有前瞻性、環(huán)保性的方法，是一種很好的用于去除ARGs的化學方法。

2.3 人工濕地處理抗生素及耐藥基因

濕地技術是一種自然過程，具有運行和維護費用低廉的優(yōu)點，自20世紀60年代以來被用于各種污水處理中，最初人們利用植被覆蓋的天然濕地來處理農村或畜禽養(yǎng)殖污水，現(xiàn)已發(fā)展為利用人工模擬生態(tài)系統(tǒng)建造污水處理系統(tǒng)[48-49]。不同類型濕地對抗生素去除效率不同，例如，水面人工濕地對養(yǎng)豬廢水中磺胺甲嘧啶（1.5 g/L）的去除率為40%，水平潛流人工濕地對其去除率為59%，垂直潛流人工濕地對其去除率為87%；而流入四環(huán)素（0.86 g/L）時，水面人工濕地對其去除率為92%，水平潛流人工濕地對其去除率為92%，垂直潛流人工濕地對其去除率為99%[50]。四環(huán)素和磺胺類抗生素的去除率不同是因為其物理化學性質不同。Carvalho等[51]在微觀層面上評估人工濕地對抗生素的降解，蘆葦?shù)姆N植與否對四環(huán)素的降解率的影響有顯著性差異。雖然不同模式下的人工濕地對抗生素的去除效率不同，但均主要通過吸附作用進行去除。

ARGs的去除受到人工濕地中植物、基質、微生物等組分的影響[52-53]。通過復合型立式流人工濕地對養(yǎng)豬場廢水中的四環(huán)素類抗生素及耐藥基因，去除率分別為95.0%和95.1%[54]。Liu等[55]通過添加火山石的垂直流人工濕地對四環(huán)素類ARGs去除率達到50%。Chen等[56]將混合人工濕地與人工曝氣相結合，對ARGs特別是四環(huán)素類和磺胺類ARGs，去除效率達到97.8%～99.1%，具有比傳統(tǒng)污水處理廠中更高的ARGs去除率。Abou-kandil等[57]研究表明，凝灰?guī)r填充蘆葦、凝灰?guī)r填充蘆葦-香蒲和礫石填充人工濕地對污染物中的總ARGs去除能力分別為89.9%～94.7%、74.3%～76.9% 和 79.7%～85.3%。最近研究發(fā)現(xiàn)，底物系統(tǒng)（沸水、礫石、紅磚和牡蠣殼）不同，ARGs去除效率也不同，其中礫石對于ARGs去除效率（48%）高于其他基質體系（34%～45%）[58]。因此，采用人工濕地處理養(yǎng)豬廢水中ARGs需要選擇合適的基質體系，或將人工濕地與人工曝氣相結合，或與其他生物處理技術相結合，以獲得高效的去除效率。

3 養(yǎng)豬廢水受納環(huán)境ARGs差異分析

ARGs從動物養(yǎng)殖場向周圍環(huán)境的傳播已引起國內外學者廣泛關注。養(yǎng)豬場的污水處理系統(tǒng)能夠去除一部分ARGs，然而大多數(shù)抗生素和ARGs會在出水中殘留，不同養(yǎng)殖規(guī)模、受納環(huán)境及季節(jié)影響ARGs的檢出。研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)豬場附近的水域中檢測到抗生素的存在，例如，Zhou等[59]研究發(fā)現(xiàn)，廣西某養(yǎng)豬場周邊環(huán)境中，包括地下水、瀉湖廢水、沉積物中均發(fā)現(xiàn)抗生素的殘留，其中在瀉湖廢水中檢測到17種抗生素，其存在的質量濃度在4.36～8 600 ng/L。ARGs還能在不同介質中傳播，具有比抗生素更嚴重的危害性[60]。ARGs會隨生豬養(yǎng)殖場排放的廢水進入到受納水體（湖泊、河流、井水和地下水）和農田中[61-62]。Fagervold等[63]證實，有機物的輸入可驅動河流中微生物群落的遷移，養(yǎng)豬廢水會影響受納河流中ARGs豐度，廢水中高濃度營養(yǎng)物質和抗生素能促使受納河流中細菌群落發(fā)生轉移。

在水環(huán)境中，ARGs可通過細菌或可移動遺傳元件傳播，廢水的排放增加了受納環(huán)境ARGs的豐度和多樣性，從而影響地表水和土壤中的微生物生態(tài)。ARGs同樣存在于周圍河流中，如Yang等[64]在養(yǎng)豬場周邊河流中采集水樣，檢測到養(yǎng)豬廢水中的23種基因。He等[3]研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)豬場出水溝處ARGs濃度高于其排放點和下游站點，并且從上游到下游呈下降趨勢；ARGs的組成與對照河段的差異較大，但與養(yǎng)豬場廢水中的ARGs的組成相似；與對照水庫相比，受納河流中的ARGs更具有多樣性；而養(yǎng)豬廢水中的ARGs也比養(yǎng)豬場的井水更具有多樣性，養(yǎng)豬廢水的排放會改變受納水體的細菌群落。在豐度方面，Yuan等[65]調查了武漢某養(yǎng)豬場及其周圍河流ARGs存在情況，發(fā)現(xiàn)受納河流中ARGs的平均豐度在 3.1×104～7.1×108copies/mL。 受 納 環(huán) 境 中ARGs豐度受到季節(jié)的影響，如Ben等[23]研究發(fā)現(xiàn)夏季和冬季時附近湖泊的ARGs的平均相對豐度在0.094～0.170和0.021～0.059 copies/16S rRNA，冬季的豐度更高，這是因為冬季頻繁使用抗生素治療疾病導致生豬腸道細菌的耐藥水平更高。

養(yǎng)豬場附近的農民常將廢水使用到農田以促進蔬菜的生長[66]，但這會增加農田土壤和徑流中的ARGs含量[31，67]。Gao等[68]調查中國南方某養(yǎng)豬場，其將未處理的廢水直接用于蔬菜種植農田，在該養(yǎng)豬場廢水排放的農田中監(jiān)測到17種ARGs亞型，主要是磺胺類ARGs，其次是四環(huán)素類ARGs。最終食用蔬菜可能會對人類健康構成威脅。在養(yǎng)豬場附近水體和土壤均能檢測到ARGs，同樣說明養(yǎng)豬廢水是ARGs持續(xù)排放到環(huán)境中的一個來源，養(yǎng)豬廢水的排放會提高受納水體和土壤中ARGs豐度，造成環(huán)境污染。

4 展望

生豬養(yǎng)殖廢水是環(huán)境中ARGs的一個主要來源，受生豬養(yǎng)殖廢水影響，各環(huán)境（水、空氣、土壤）ARGs的濃度明顯升高。本文重點對生豬養(yǎng)殖環(huán)境中ARGs從產生到進入環(huán)境的過程進行了介紹，特別是對不同養(yǎng)豬廢水處理工藝ARGs遷移轉化的差異進行了綜述。在不同廢水處理工藝中，生物處理方法中的厭氧工藝對于ARGs的去除率在3.5%～71%，好氧工藝甚至會增加ARGs的相對豐度，使用厭氧和好氧相結合的方式更有助于去除ARGs，而人工濕地技術去除ARGs的效率雖然高于生物處理方法，但多是吸附方式去除ARGs?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，提出未來研究的3點建議：

1）加強ARGs的源頭控制、提高養(yǎng)豬廢水處理過程中ARGs的清除效率（例如，使用益生元或優(yōu)化操作條件），在保證生豬盈利能力和保護人類健康的同時，改進生豬養(yǎng)殖和廢物管理策略，減少排放廢水中ARGs的傳播。

2）應強化深度處理過程。物理化學法去除ARGs具有前景性和高效性，未來ARGs的去除方法可以主要考慮物理化學法，但仍需不斷優(yōu)化條件以增加去除效率，同時制定養(yǎng)豬行業(yè)關于ARGs環(huán)境污染的相關標準，在不同工藝的污水處理環(huán)節(jié)加強對ARGs的監(jiān)測。

3）建立養(yǎng)豬廢水受納環(huán)境ARGs預警體系，并開發(fā)出一類便攜式的新型工具，其具有實用化、日常化等特性，可應用于實時測定養(yǎng)豬廢水受納環(huán)境中ARGs污染并提前報警。該預警體系應可防止人類因攝入含有ARGs污染的水或食物而導致抗生素耐藥性在人類腸道的進一步傳播。