畜禽养殖废水生物处理与农田利用过程抗生素抗性基因的转归特征研究进展

第３６卷第１期２０１６年１月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３６，Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２０１６基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费课题（Ｎｏ．２０１３０３０９１）；国家“水体污染控制与治理”科技重大专项课题（Ｎｏ．２０１２ＺＸ０７２０２⁃００５；２０１５ＺＸ０７２０３⁃００７）；江西省优势科技创新团队建设项目（Ｎｏ．２０１１３ＢＣＢ２４０１７）；江西省科学院省院协同创新团队建设项目（Ｎｏ．２０１４⁃ＳＹＸＴＣＸ⁃０２）；国家自然科学基金（Ｎｏ．４１５０１５１３）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＰｕｂｌｉｃＷｅｌｆａｒｅＩｎｄｕｓｔｒｙ（Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ）ＳｐｅｃｉａｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＦｕｎｄｓｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１３０３０９１），ｔｈｅＫｅｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｊｅｃｔｏｆＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＧｏｖｅｒｎａｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１２ＺＸ０７２０２⁃００５；２０１５ＺＸ０７２０３⁃００７），ｔｈｅＳｕｐｅｒｉｏｒＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＴｅａｍ⁃ｂｕｉｌｄｉｎｇＰｒｏｊｅｃｔｏｆＪｉａｎｇｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２０１１３ＢＣＢ２４０１７），ｔｈｅＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＴｅａｍ⁃ｂｕｉｌｄｉｎｇＰｒｏｊｅｃｔｏｆＪｉａｎｇｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２０１４⁃ＳＹＸＴＣＸ⁃０２）ａｎｄｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．４１５０１５１３）作者简介：隋倩雯（１９８６—），女，博士后，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＳＵＩＱｉａｎｗｅｎ（１９８６—），ｆｅｍａｌｅ，ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１５．０１２８隋倩雯，张俊亚，魏源送，等．２０１６．畜禽养殖废水生物处理与农田利用过程抗生素抗性基因的转归特征研究进展［Ｊ］．环境科学学报，３６（１）：１６⁃２６ＳｕｉＱＷ，ＺｈａｎｇＪＹ，ＷｅｉＹＳ，ｅｔａｌ．２０１６．Ｆａｔｅｏｆａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｅｎｅｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ：Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３６（１）：１６⁃２６畜禽养殖废水生物处理与农田利用过程抗生素抗性基因的转归特征研究进展隋倩雯１，张俊亚１，魏源送１，３，∗，陈梅雪１，董红敏２１．中国科学院生态环境研究中心，北京１０００８５２．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京１０００８１３．江西省科学院能源研究所，南昌３３００９６收稿日期：２０１５⁃０２⁃１６　　　修回日期：２０１５⁃０３⁃１９　　　录用日期：２０１５⁃０３⁃３０摘要：兽用抗生素的广泛使用造成了畜禽养殖场及其周边环境中抗生素抗性基因丰度的提高，而畜禽养殖废水所携带的抗性基因在生物处理及其农田利用过程中的转归规律尚不明确，存在抗性基因从畜禽养殖场向周边环境的传播风险．本文通过文献调研，综述了畜禽养殖废水中抗性基因的赋存特征、抗性基因在畜禽养殖废水生物处理和农田利用过程中转归的研究进展，并提出了今后的研究方向，以期为揭示畜禽养殖废水在生物处理和农田利用过程中抗性基因的消减规律、降低抗性基因传播风险提供借鉴．关键词：抗生素抗性基因；畜禽养殖废水；废水生物处理；农田利用文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１６）０１⁃１６⁃１１　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＦａｔｅｏｆａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｅｎｅｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ：ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗＳＵＩＱｉａｎｗｅｎ１，ＺＨＡＮＧＪｕｎｙａ１，ＷＥＩＹｕａｎｓｏｎｇ１，３，∗，ＣＨＥＮＭｅｉｘｕｅ１，ＤＯＮＧＨｏｎｇｍｉｎ２１．ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｃｏ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１３．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｅｒｇｙ，ＪｉａｎｇｘｉＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００９６Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１６Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１５；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１９Ｍａｒｃｈ２０１５；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ３０Ｍａｒｃｈ２０１５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｉｄｅｕｓｅｏｆｖｅｔｅｒｉｎａｒｙａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｓｒｅｓｕｌｔｓｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｅｎｅｓ（ＡＲＧｓ）ｉｎｂｏｔｈａｎｉｍａｌｆａｒｍａｎｄｉｔｓｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＡＲＧｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｉｓｕｎｃｌｅａｒ，ｗｈｉｃｈｍａｙｐｏｓｅｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｒｉｓｋｏｆｓｐｒｅａｄｉｎｇｆｒｏｍａｎｉｍａｌｆａｒｍｔｏｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｒｅｖｉｅｗ，ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｓｕｍｍａｒｉｚｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｏｆＡＲＧｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ａｎｄｔｏｐｒｏｐｏｓｅｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎＡＲＧｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｒｉｓｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｅｎｅｓ；ａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）畜禽养殖业是我国农业的支柱产业，在维持畜产品稳定供给、提高人民生活水平方面发挥着重要作用．随着畜禽养殖业的集约化、规模化发展，为提高动物生产性能、防治疾病，养殖过程添加了一定１期隋倩雯等：畜禽养殖废水生物处理与农田利用过程抗生素抗性基因的转归特征研究进展量的重金属与抗生素．据统计２００６年我国兽用抗生素消耗９．７万吨，占全国抗生素总用量的５４％（Ｌｕｏｅｔａｌ．，２０１０）．而不被机体吸收、降解的抗生素排放到环境中，据Ｚｈｏｕ等（Ｚｈｏｕｅｔａｌ．，２０１３）估算我国每年生猪和奶牛养殖场抗生素排放量分别为３０８０和１６４ｔ．而养殖业每年重金属排放铜、锌分别为２３９７．２３ｔ、４７５６．９４ｔ（环保部等，２０１０）．畜禽养殖粪污表现出重金属与抗生素复合污染特征（王瑞和魏源送，２０１３）．Ｊｉｎｄａｌ等（２００６）和Ｓｅｉｌｅｒ和Ｂｅｒｅｎｄｏｎｋ（２０１２）研究发现畜禽养殖过程抗生素和重金属使用与养殖场及其周边环境抗性基因丰度的提高呈正相关关系．畜禽养殖粪便、污水成为抗性基因的重要蓄积库（张俊亚等，２０１５）．抗性基因作为一种新型污染物，可能对公共健康、食品和饮用水安全构成威胁（Ｐｒｕｄｅｎｅｔａｌ．，２００６）．胡永飞等对１６２个健康人肠道微生物宏基因组（Ｍｅｔａｇｅｎｏｍｅ）中的耐药基因进行了深入分析，发现四环素抗性基因的丰度最高，而人类肠道四环素抗性基因极有可能来自于兽用抗生素的使用以及抗性基因沿食物链的传播（Ｈｕｅｔａｌ．，２０１３）．２０１４年世界卫生组织发布的《全球抗生素耐药报告》明确指出抗生素抗性是２１世纪公共卫生的严峻挑战，针对动物生产应监督和促进畜禽业的合理用药，并强调了食用动物携带的抗生素抗性及其在食物链上的传播方面数据的缺乏，应加强此方面的研究（ＷＨＯ，２０１４）．我国和主要发达国家推行畜禽养殖废水的生物处理、农田利用等工艺模式，然而畜禽养殖废水携带的抗性基因在此过程的转归，以及抗性基因是否存在沿食物链的传播风险（Ｃｈｅｎｇｅｔａｌ．，２０１５），亟需开展相关研究．因此，本研究通过查阅国内外文献，总结归纳了畜禽养殖废水含有的抗生素抗性基因在生物处理、农田利用过程的变化规律，并对今后的研究重点和方向提出建议和展望，以期为揭示抗性基因消减规律，降低畜禽养殖废水抗性基因传播风险提供借鉴．２　畜禽养殖废水中抗生素抗性基因分布（Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｅｎｅｓｉｎａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ）抗性基因根据其抗性机制不同分为３类，分别为降低细胞内抗生素浓度（包括降低细胞通透性或外排）、靶向改变（包括靶向保护或靶向突变）以及抗生素失活（Ｂｌａｉｒｅｔａｌ．，２０１５）．畜禽养殖业抗生素的大量使用引起养殖环境抗性基因丰度的提高，抗性基因与抗生素之间存在相关关系（Ｗｕｅｔａｌ．，２０１０；Ｚｈｕｅｔａｌ．，２０１３）．Ｚｈｕ等（２０１３）检测了我国３个省３６份猪场环境样品（包括粪便、堆肥、土壤）中的１４９种抗性基因，结果表明检出的抗性基因对应的抗生素分别为大环内脂⁃林可霉素⁃链阳杀菌素Ｂ（ｍａｃｒｏｌｉｄｅ⁃ｌｉｎｃｏｓａｍｉｄｅ⁃ｓｔｒｅｐｔｏｇｒａｍｉｎＢ，ＭＬＳＢ）、β⁃内酰胺类、四环素类、喹诺酮⁃氯霉素⁃胺酰醇类、万古霉素等，按抗性机制分类抗生素失活检出率最高，其后依次为外排和细胞保护机制；而抗性基因丰度与转座酶基因丰度、铜、土霉素含量具有正相关关系．较高的抗性基因丰度可能由于在抗生素的选择压力下抗性基因宿主细菌的增殖，以及某些抗性基因通过移动基因元件（Ｍｏｂｉｌｅｇｅｎｅｔｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓ）发生基因水平转移（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｇｅｎｅｔｒａｎｓｆｅｒ）（Ｐｒｕｄｅｎｅｔａｌ．，２００６；ＲａｈｕｂｅａｎｄＹｏｓｔ，２０１２）．在畜禽养殖废水方面，四环素类、磺胺类、大环内脂类抗生素的抗性基因研究较多，按抗性机制分类，畜禽养殖废水中抗性基因分布特征详见表１．Ｃｈｅｎｇ等（２０１３）测试了猪场废水中不同机制的四环素抗性基因，发现核糖体保护（靶向保护）抗性基因（ｔｅｔＱ、ｔｅｔＭ、ｔｅｔＷ、ｔｅｔＯ）比外排泵机制抗性基因（ｔｅｔＡ、ｔｅｔＢ、ｔｅｔＣ、ｔｅｔＬ）、酶修饰（抗生素失活机制）抗性基因（ｔｅｔＸ）丰度高，其在猪场废水中丰度分别为９．２５×１０－２、５．５３×１０－２、１．６９×１０－２和１．３２×１０－２ｃｏｐｉｅｓ／１６ＳｒＲＮＡ．而ＭｃＫｉｎｎｅｙ等（２０１０）和Ｓｍｉｔｈ等（２００４）研究也表明ｔｅｔＱ、ｔｅｔＭ、ｔｅｔＷ、ｔｅｔＯ在猪场废水中具有较高的丰度．成卫孝（２０１４）研究了猪粪水⁃厌氧发酵⁃土壤生态系统中３种核糖体保护机制的四环素类抗性基因丰度ｔｅｔＱ＞ｔｅｔＯ＞ｔｅｔＷ，其中ｔｅｔＱ平均丰度最高１．８４×１０－１ｃｏｐｉｅｓ／１６ＳｒＲＮＡ．冀秀玲等（２０１１）调查了上海地区猪场和牛场废水中磺胺类和四环素类抗性基因，含量最高的分别为ｓｕｌＡ（１０８～１０１０ｃｏｐｉｅｓ·ｍＬ－１）和ｔｅｔＷ（１０６～１０７ｃｏｐｉｅｓ·ｍＬ－１），而ｓｕｌＩＩＩ含量与磺胺类抗生素浓度的相关性较好，这可能与磺胺类抗生素易生物降解性有关；ｔｅｔＭ含量与四环素类抗生素浓度相关性较弱．Ｊｉ等（２０１２）也