典型猪场污水处理过程四环素抗性基因演变及其在受纳环境的分布特征

来源 :扬州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:BenBenBenBen
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抗生素的广泛使用导致耐药基因的传播扩散,给人类公共卫生安全造成了极大的威胁。耐药基因不仅可以通过菌株间进行“垂直传播”,也可借质粒、转座子、整合子等移动元件进行“水平传播”,甚至通过食物链把耐药基因传播给动物和人类,影响人们身体健康并给人类公共卫生安全造成了极大的威胁,因此,抗生素耐药基因作为新型污染物已逐渐受到关注。传统畜禽粪污的主要处理方式有直接还田利用、粪便有机肥生产以及污水深度处理与排放。随着环境管理要求的逐步加强,养殖污水直接排放已部分改为纳管排放,由于养殖场建设地点远离城镇区,基础设施建设相对薄弱,因此,目前大多数养殖场针对畜禽粪污处理方式主要为粪便外运有机肥厂生产有机肥,污水经场区处理后就近还田利用。畜禽粪便及养殖污水的还田利用很大程度上缓解了养殖废物的处置压力,但养殖污水作为耐药基因的储存库,还田利用间接的扩大了耐药基因的传播范围,增加环境风险。传统的养殖场污水处理主要关注常规污染物,对于污水耐药基因去除机制及对周边环境影响研究相对较少。本研究以扬州市江都区为研究对象,首先对该区养殖现状进行了调查,针对该区养殖业中份额较大的养猪业,选择“厌氧发酵+氧化塘”(扬州红星养殖场,Farm1)及“厌氧+好氧生物”(扬州方陵养殖场,Farm2)两种典型工艺,开展了猪场污水处理过程四环素抗性基因(TRGs)演化特征研究,并分析其对周边河道底泥及受纳农田四环素抗性基因的影响。主要结论如下:1、“厌氧发酵+氧化塘”工艺使污水化学需氧量、氨氮、总氮、总磷分别消减65.5%、14.3%、28.6%、60.8%,而“厌氧+好氧生物”工艺则分别消减 98.4%、86.0%、83.8%、87.2%。“厌氧发酵+氧化塘”工艺TRGs相对丰度从0.46降至0.32(copies/16S rRNA),降幅30.43%,其中tetL、tetZ、tetM、tetO和tetT等基因消减较为明显,并且主要发生于厌氧发酵阶段;而“厌氧+好氧生物”工艺TRGs相对丰度从0.68降至0.12(copies/16S rRNA),降幅82.35%,其中tetB、tetL、tetM、tetO、tetT和tetX等基因消减较为明显,并且主要发生于消毒处理阶段。表明两种工艺均促进了污水四环素抗性基因的有效去除,但出水TRGs的丰度仍高达1.53×108~2.99×108 copies/mL,从而对周边水系产生TRGs扩散和传播风险。2、对两类处理工艺养殖场周边河道底泥TRGs分析结果表明,Farm1养殖场外河道底泥TRGs丰度高达8.97×106 copies/g干土,是上游河道底泥(2.57×106 copies/g)的3.5倍,而养殖场下游6000m处则下降至1.15×106 copies/g;相较于Farm1,Farm2周边河道TRGs丰度大幅提高,半径范围为20m~2500m内河道底泥TRGs丰度高达4.46×106~9.66×108copies/g。相关性分析结果表明,河道底泥tetC、tetL、tetZ、tetM、tetO和tetX等基因均与intI1呈显著正相关,暗示intI1在促进河道底泥环境TRGs传播与扩散过程发挥作用,同时,所测TRGs总丰度与底泥有机质、铜及锌含量均成极显著正相关,说明底泥有机质、铜及锌的含量水平可作为间接指标表征养殖场周边河道底泥TRGs污染水平。3、污灌农田及养殖场附近农田土壤TRGs丰度均明显提高。Farm1的3个污灌农田土壤TRGs丰度分别是对照点位11.78倍、7.61倍和1.21倍;Farm2南侧150m、东侧200m和北侧300m处的3个农田土壤中TRGs分别是对照点位4.63倍、5.07倍和2.0倍。相关性分析结果显示:农田土壤tetC、tetM、tetO、tetT、tetX以及所测TRGs总丰度均与intI1呈显著相关,暗示intI1可能促进TRGs在土壤环境的传播与扩散;与河道底泥相似,养殖场周边土壤所测8种TRG与土壤有机质、铜、锌含量均呈极显著正相关。4、供试的不同环境介质TRGs构成存在差异,在污水/污泥、农田土壤以及河道底泥中,主导TRGs构成的分别为tetM、tetO、tetX,tetC、tetZ、tetX以及tetZ和tetX;其中tetX在所测样本中普遍存在,并与tetB、tetL、tetZ、tetM、tetO和tetT呈极显著正相关,在农田土壤和河道底泥中,tetX与intI1显著相关,tetX与污泥、农田土壤以及河道底泥中的pH值、有机质、铜和锌等理化因子显著相关,并且在所测样本中,tetX在四环素抗性基因总量中占比相对较高,并与TRGs总丰度显著正相关,因此可将其作为指示基因可一定程度上反映TRGs的污染程度。
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