規(guī)?；i場(chǎng)廢水處理過(guò)程中四環(huán)素類和磺胺類抗生素的降解特征

靳紅梅，黃紅英，管永祥，許彩云，常志州，錢玉婷

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/ 江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210014；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/ 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210014；3.江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江蘇 南京 210014；4.江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，江蘇 南京 210036；5.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

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規(guī)?；i場(chǎng)廢水處理過(guò)程中四環(huán)素類和磺胺類抗生素的降解特征

靳紅梅1,2,3①，黃紅英1,2，管永祥4，許彩云5，常志州1,2，錢玉婷1,2

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/ 江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210014；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/ 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210014；3.江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江蘇 南京 210014；4.江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，江蘇 南京 210036；5.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

針對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)廢水處理過(guò)程中抗生素的殘留水平及其消減特征等問題，以蘇南地區(qū)典型規(guī)模生豬養(yǎng)殖場(chǎng)為研究對(duì)象，探討了冬季和夏季豬場(chǎng)廢水處理各環(huán)節(jié)中四環(huán)素類(TCs)和磺胺類(SAs)抗生素的濃度及降解特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有沼氣工程進(jìn)料濃度高，水力停留時(shí)間短，對(duì)土霉素(OTC)、金霉素(CTC)和強(qiáng)力霉素(DOX)的去除率分別為12.9%～69.3%、20.4%～60.9%和25.3%～55.0%，對(duì)磺胺嘧啶(SD)、磺胺二甲嘧啶(SM)和磺胺氯噠嗪(SCP)的去除率分別為13.8%～18.2%、46.8%～61.8%和18.1%～48.7%。冬季出料沼液中抗生素濃度遠(yuǎn)高于夏季，其中ρ(CTC)、ρ(SD)和ρ(SCP)平均值分別為0.887、0.492、和10.160 μg·L-1，直接還田存在生物安全風(fēng)險(xiǎn)。沼液后處理(如沉淀池和水生植物塘)對(duì)大幅降低沼液中TCs和SAs有積極作用，且夏季去除率(>90%)高于冬季，是沼液無(wú)害化處理和農(nóng)田安全利用的重要措施。厭氧-好氧生物處理組合工藝是養(yǎng)殖廢水中抗生素(特別是SAs)有效降解的重要手段。

規(guī)模豬場(chǎng)；廢水處理；抗生素

我國(guó)年產(chǎn)各類抗生素21萬(wàn)t,其中46.1%用于畜禽養(yǎng)殖,居世界首位[1]。但進(jìn)入畜禽體內(nèi)的抗生素約有60%～90%以母體和代謝物的形式排出體外[2],且部分代謝物在環(huán)境中又可轉(zhuǎn)化為活性母體,被認(rèn)為是生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)極高的新型污染物,成為近年來(lái)公眾關(guān)注的焦點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的熱點(diǎn)[3]。

規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)糞便(包括污水)中的獸藥抗生素是環(huán)境中抗生素的重要來(lái)源[4]。已有大量研究報(bào)道了養(yǎng)殖場(chǎng)糞便及其周邊土壤和水體中的獸藥抗生素含量[2-11]。例如,江蘇13個(gè)市內(nèi)選取的80份豬場(chǎng)糞便樣品中,以磺胺二甲嘧啶(SM)檢出率最高,達(dá)到50%以上,磺胺氯噠嗪(SCP)、磺胺嘧啶(SD)檢出率也均高于30.0%,3者的平均殘留量分別為34.0、49.0和69.0 μg·kg-1[5]。山東規(guī)?；i場(chǎng)糞便中w(金霉素)最高達(dá)764.4 mg·kg-1[6]。連續(xù)施用畜禽糞便后,獸用抗生素在土壤中大量累積,并會(huì)遷移至地表水和地下水。例如,HAMSCHER等[7]研究發(fā)現(xiàn),德國(guó)連續(xù)施用液體糞污后,土壤中四環(huán)素類抗生素累計(jì)量高達(dá)198.7 μg·kg-1。而美國(guó)139條河流中有27%被檢測(cè)出含有獸用抗生素,含量高達(dá)0.7 μg·L-1[8];我國(guó)多條河流中也檢測(cè)出獸用抗生素[2,9-10],特別是周邊有規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的河段,其獸用抗生素含量比其他流域高數(shù)百倍。例如,苕溪流域周邊某一大型規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)的排水口底泥中4種抗生素(四環(huán)素、土霉素、金霉素和強(qiáng)力霉素)含量分別高達(dá)1 794.2、9 287.5、1 823.6和1 149.5 μg·kg-1[11]。

嚴(yán)格控制養(yǎng)殖過(guò)程中抗生素的使用量是環(huán)境抗生素源頭減量最有力的措施,但我國(guó)由于養(yǎng)殖密度大、畜禽疫病復(fù)雜多樣、監(jiān)管不力等多種原因,導(dǎo)致畜禽糞便中抗生素普遍偏高。同時(shí),現(xiàn)有的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便處理工藝并未將抗生素作為目標(biāo)物質(zhì)[12],導(dǎo)致其在處理環(huán)節(jié)無(wú)法得到有效去除[13],從而隨著農(nóng)田施用或隨意排放進(jìn)入環(huán)境。盡管多數(shù)研究認(rèn)為養(yǎng)殖場(chǎng)糞便中微量的抗生素及其代謝產(chǎn)物都會(huì)對(duì)周邊土壤、水體和生物產(chǎn)生巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)[2-3],但目前對(duì)于養(yǎng)殖場(chǎng)糞便處理過(guò)程中抗生素的擴(kuò)散特征并不清楚,特別是對(duì)糞便處理環(huán)節(jié)中各類抗生素的殘留水平及其消減特征尚鮮見報(bào)道,嚴(yán)重影響了畜禽養(yǎng)殖糞便抗生素的環(huán)境壓力及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

我國(guó)是生豬養(yǎng)殖大國(guó),截至2013年生豬年飼養(yǎng)總量(出欄+存欄)已超過(guò)11億頭[14]。生豬養(yǎng)殖是獸用抗生素消費(fèi)最主要的途徑[4],其中四環(huán)素類(TCs)、磺胺類(SAs)、大環(huán)內(nèi)酯類(Mls)及喹諾酮類(Qls)抗生素是豬場(chǎng)最常用的獸用抗生素,在養(yǎng)殖廢水中的檢出率也最高[3]。隨著豬場(chǎng)養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大,產(chǎn)生的廢水也相對(duì)集中,已成為畜禽污染處理和防治的重點(diǎn)[12]。對(duì)我國(guó)主要養(yǎng)豬大省的調(diào)查發(fā)現(xiàn),近70%的養(yǎng)豬戶有專門的糞便處理設(shè)施,但由于生產(chǎn)有機(jī)肥利潤(rùn)空間較小、治理污染的固定成本較高等原因,各養(yǎng)豬場(chǎng)糞便處理設(shè)施及處置方式差異很大[15]。在此背景下,不同豬場(chǎng)糞便中抗生素水平和擴(kuò)散特征很可能截然不同。

筆者以江蘇省一糞便處理設(shè)施較為完備的規(guī)模生豬養(yǎng)殖場(chǎng)為對(duì)象,探討了冬季和夏季豬場(chǎng)廢水處理各環(huán)節(jié)中主要抗生素的濃度水平及消減特征,以期為養(yǎng)殖廢水中抗生素的有效消減提供理論支撐,為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞便農(nóng)田安全施用和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 養(yǎng)殖場(chǎng)選擇

選擇江蘇省金壇市一家大型生豬養(yǎng)殖場(chǎng)為養(yǎng)殖污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)。該公司屬私營(yíng)獨(dú)資企業(yè),成立于2004年2月,常年生豬存欄量1萬(wàn)頭以上,占地面積約34 hm2,位于蘇南典型農(nóng)區(qū)。養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖管理規(guī)范,有詳細(xì)生產(chǎn)記錄,配備較完善的固體糞便收集、貯存或處理設(shè)施,以及污水收集、貯存和處理設(shè)施,廢棄物收集量和處理量可計(jì)量、可監(jiān)測(cè)。內(nèi)部水系基本獨(dú)立,遇到梅雨或大暴雨時(shí)往外河排水可計(jì)量,在江蘇省養(yǎng)殖場(chǎng)極具代表性。

豬場(chǎng)養(yǎng)殖區(qū)分為繁育區(qū)、保育區(qū)和育肥區(qū),建立了雨污分流系統(tǒng),雨水和污水分開排放。糞便采取干清糞方式,清理出的糞便一部分轉(zhuǎn)移至養(yǎng)殖場(chǎng)糞便堆積大棚,臨時(shí)儲(chǔ)存后出售給有機(jī)肥廠做堆肥原料,一部分送至收集池作為發(fā)酵原料;尿液及沖圈水(含少量糞便)經(jīng)污水管道進(jìn)入收集池,與糞便攪拌固液分離后進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐。目前,養(yǎng)殖場(chǎng)建有大型沼氣池2座,發(fā)酵罐容積分別為1 500(1#)和1 200 m3(2#),原料〔即全部污水和部分糞便,總固體含量w(TS)為8%左右〕首先進(jìn)入1#沼氣罐發(fā)酵,排出的發(fā)酵液(含少量糞便)再進(jìn)入2#沼氣罐二次發(fā)酵,最終排出的沼液進(jìn)入儲(chǔ)存罐。豬場(chǎng)夏季和冬季的污水總產(chǎn)生量約為13 556和8 116 m3,沼氣工程的水力停留時(shí)間(HRT)約為9～12和15～18 d;儲(chǔ)存罐中的沼液一部分直接灌溉苗木(20 hm2)和少量菜地(2 hm2),另一部分則通過(guò)管道依次進(jìn)入一級(jí)(15 000 m3)、二級(jí)(10 000 m3)和三級(jí)沉淀池(5 000 m3),經(jīng)處理后的污水進(jìn)入水生植物塘〔面積約為600 m2,水生植物為鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)和空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)〕深度凈化后,最終出水用于豬舍沖洗和周邊苗木基地灌溉。豬場(chǎng)廢水處理過(guò)程示意詳見圖1。

1—發(fā)酵原料;2—一級(jí)發(fā)酵出料沼液;3—二級(jí)發(fā)酵出料沼液;4—沼液儲(chǔ)存池;

養(yǎng)殖過(guò)程中抗生素以拌料、飲水、注射、灌服以及環(huán)境噴灑等方式用于預(yù)防和治療畜禽疫病,其中注射、拌料和飲水是抗生素進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的主要方式。

1.2 取樣及分析方法

1.2.1 取樣方法

樣品采集時(shí)間為2015年冬季(1月22—25日)和夏季(7月15—18日),保證3 d有效采樣(n=3)。

養(yǎng)殖廢水樣品取樣點(diǎn)設(shè)置在污水量水槽和不同處理設(shè)施的出水口(圖1)。采用自制取水器,每個(gè)取樣點(diǎn)布置3個(gè)采樣點(diǎn),將取樣器浸入量水槽采樣點(diǎn)液面下有效水深的一半處采集樣品,將所采樣品倒入20 L混合桶中,在不同采樣點(diǎn)連續(xù)采集數(shù)次,使混合桶中污水量達(dá)到10～15 L。攪拌桶中液體,使樣品混合均勻后分裝。每批次采集2個(gè)樣品,1個(gè)送樣分析,1個(gè)備用。樣品保存方法參照文獻(xiàn)[16]執(zhí)行,在0～4 ℃條件下保存運(yùn)輸,盡快(24 h之內(nèi))送至實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析。

1.2.2 分析方法

廢水中抗生素的測(cè)定采用超高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS)[17]。樣品提取和凈化方法為:廢水經(jīng)0.45 μm孔徑玻璃纖維濾膜過(guò)濾,取500 mL加入10 μL內(nèi)標(biāo)物(磺胺二甲嘧啶-d6,w為98.0%;購(gòu)自加拿大多倫多研究化學(xué)品公司)和0.4 g乙二胺四乙酸(EDTA),并立即儲(chǔ)存在4 ℃條件下。用甲酸調(diào)節(jié)提取液pH值至2.0～3.0,過(guò)經(jīng)過(guò)活化的親水親油平衡(HLB)固相萃取柱,控制流速為3～5 mL·min-1。之后用超純水沖洗HLB柱,抽真空以去除柱中殘留水分,然后將HLB柱在氮?dú)獗Ｗo(hù)下干燥10 min。最后以2 mL甲醇洗脫3次,收集洗脫液,并在室溫下用氮?dú)獯抵两?用V(乙腈)∶V(φ為0.2%甲酸)=1∶9的混合液定容至1 mL,渦旋振蕩2～3 min,以18 000 r·min-1離心10 min(離心半徑為11.2 cm),取上清液待分析。詳細(xì)步驟參照文獻(xiàn)[17]。內(nèi)標(biāo)物為磺胺二甲嘧啶-d6(w為98.0%)和四環(huán)素-d6(w為95.0%),均購(gòu)自加拿大多倫多研究化學(xué)品公司。采用ACQUITYTM超高效液相色譜儀-Quattro Premier XE質(zhì)譜儀(美國(guó)Waters公司),配MassLynx V.4.1軟件Waters Acquity和UPLC BEH C18色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.7 μm),測(cè)定上清液中抗生素含量。MS檢測(cè)條件:電噴霧離子源(ESI),離子源溫度為120 ℃,脫溶劑溫度為380 ℃,脫溶劑氣和錐孔氣為氮?dú)?脫溶劑氣流速為500 L·h-1,錐孔氣流速為50 L·h-1,碰撞氣為高純氬氣,采用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM)檢測(cè)。ESI-MS/MS選擇性反應(yīng)正離子檢測(cè),進(jìn)樣量5 μL,檢測(cè)離子和各子離子碰撞能量詳見文獻(xiàn)[17]。HPLC測(cè)定條件:柱溫35 ℃,流動(dòng)相為乙腈和φ為0.2%甲酸,流速0.3 mL·min-1,測(cè)定時(shí)采用的流動(dòng)相梯度為:0～7 min乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～40%;7～9 min時(shí)為40%～60%;9.01 min時(shí)下降至10%;9.01～12 min時(shí)為10%。

測(cè)定的抗生素有:四環(huán)素、土霉素(OTC)、金霉素(CTC)、強(qiáng)力霉素(DOX)、磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺氯噠嗪、磺胺甲基異惡唑和磺胺噻唑。

1.3 數(shù)據(jù)分析

冬季和夏季污染物之間以及一級(jí)和二級(jí)發(fā)酵罐出料沼液中污染物之間的差異分析均采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn);同季沼液中的污染物在不同后處理環(huán)節(jié)的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA),多重比較采用LSD法(α=0.05)。數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS 13.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)料廢水中抗生素種類及含量水平

夏季和冬季進(jìn)料池廢水中的抗生素僅檢測(cè)出TCs中的OTC、CTC和DOX,以及SAs中的SD、SM和SCP(圖2)。其中,冬季進(jìn)料廢水中CTC和SCP濃度極顯著高于夏季(P<0.001),DOX和SD則分別表現(xiàn)出夏季顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)高于冬季,而OTC和SM在冬季和夏季之間無(wú)顯著差異。這與目前養(yǎng)殖場(chǎng)飼料中抗生素使用情況基本一致[3,5,10],這幾種抗生素一直被廣泛應(yīng)用于治療和預(yù)防多種動(dòng)物疾病以及促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng),在豬場(chǎng)中普遍使用且檢出率較高[5,10]。因此,對(duì)后續(xù)各處理單元出水的檢測(cè)僅考慮這幾種抗生素的濃度水平。

直方柱上方*、**和***分別表示冬季和夏季原料中抗生素含量在α=0.05、α=0.01和α=0.001水平差異顯著。

2.2 養(yǎng)殖廢水處理過(guò)程對(duì)抗生素的消減作用

2.2.1 厭氧消化處理單元的抗生素濃度水平

沼氣工程是規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便處理的重要環(huán)節(jié)[18]。該豬場(chǎng)沼氣工程進(jìn)料濃度高〔w(TS)約為8%〕,水力停留時(shí)間短(12～15 d),夏季發(fā)酵溫度為30 ℃,冬季發(fā)酵溫度為18～24 ℃,發(fā)酵原料(特別是冬季)未得到充分降解。從抗生素的分析結(jié)果看,厭氧消化對(duì)進(jìn)料廢水中的抗生素有一定的去除作用,但出料(即沼液)中這幾種抗生素均可檢出,且不同抗生素含量水平變化較大(圖3)。

經(jīng)一級(jí)發(fā)酵罐消化后,夏季沼液中ρ(OTC)、ρ(CTC)和ρ(DOX)平均值分別為0.044、2.298和0.153 μg·L-1,冬季分別為0.060、1.115和0.022 μg·L-1;夏季沼液中ρ(SD)、ρ(SM)和ρ(SCP)平均值分別為0.558、0.177和0.145 μg·L-1,冬季分別為0.571、0.094和12.405 μg·L-1。除了OTC外,冬季其他2種TCs濃度均極顯著小于夏季(P<0.01);就冬季各SAs平均濃度而言,SD與夏季相差不大,SM顯著小于夏季(P<0.05),而SCP極顯著大于夏季(P<0.001)。大部分抗生素在夏季和冬季的殘留量變化與其進(jìn)料中的抗生素含量水平相一致(圖2)。除此之外,厭氧消化條件及抗生素自身特性也與沼液中抗生素殘留量密切相關(guān)。例如,冬季原料中CTC極顯著高于夏季(P<0.001),但發(fā)酵后其在沼液中的殘留量卻表現(xiàn)出相反的特征。造成這一現(xiàn)象的最主要原因是厭氧消化HRT的差異,即夏季HRT約為9～12 d,而冬季約為15～18 d。一般來(lái)說(shuō),HRT越高,抗生素降解率越大[13]。

TCs:(a)土霉素(OTC);(b)金霉素(CTC);(c)強(qiáng)力霉素(DOX);SAs:(d)磺胺嘧啶(SD);(e)磺胺二甲嘧啶(SM);(f)磺胺氯噠嗪(SCP)。

沼液經(jīng)二級(jí)發(fā)酵罐消化后,其中的各類抗生素被進(jìn)一步消減(圖3)。夏季沼液中ρ(OTC)、ρ(CTC)和ρ(DOX)平均值分別為0.038、0.859和0.068 μg·L-1,冬季分別為0.019、0.887和0.023 μg·L-1;夏季沼液中ρ(SD)、ρ(SM)和ρ(SCP)平均值分別為0.456、0.068和0.075 μg·L-1,冬季分別為0.492、0.050和10.160 μg·L-1。經(jīng)二級(jí)發(fā)酵罐消化后,大部分抗生素較一級(jí)發(fā)酵罐沼液有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)降低,但濃度水平仍然較高。這說(shuō)明常規(guī)的厭氧消化對(duì)豬場(chǎng)廢水中的部分抗生素不能完全生物降解;特別是冬季沼液中CTC、SD和SCP濃度高于夏季沼液,這主要與冬季厭氧消化體系中微生物活性降低密切相關(guān)。

2.2.2 沼液后處理單元的抗生素濃度水平

經(jīng)二級(jí)發(fā)酵罐消化后的沼液逐級(jí)進(jìn)入儲(chǔ)存池、沉淀池和水生植物塘進(jìn)一步進(jìn)行無(wú)害化處理,各處理單元出水中抗生素濃度水平如圖4所示。經(jīng)過(guò)各級(jí)后處理,廢水中TCs有明顯降低,特別是經(jīng)過(guò)多級(jí)沉淀池后,去除效果達(dá)到顯著水平(P<0.05)。夏季各處理單元對(duì)沼液中TCs的消減效果最好(圖4),經(jīng)二級(jí)沉淀池處理后,OTC、CTC和DOX濃度已經(jīng)低于儀器檢測(cè)下限(0.03×10-3μg·L-1);但冬季處理效果明顯下降,經(jīng)水生植物塘處理后,出水中OTC、CTC和DOX仍可檢出,ρ分別為0.005、0.071和0.009 μg·L-1(圖4)。

相比TCs,各處理單元對(duì)沼液中SAs的消減效果較差。特別是經(jīng)穩(wěn)定塘后,廢水中SAs反而顯著增加(P<0.05)。造成此現(xiàn)象的原因可能是穩(wěn)定塘為兼氧條件,對(duì)SAs的進(jìn)一步降解作用有限;相反,由于蒸騰等引起的損失,其體積縮小，可能造成SAs的“濃縮”。夏季沼液經(jīng)過(guò)三級(jí)沉淀池處理后,SD、SM和SCP均可檢出,ρ平均值分別為0.043、0.001和0.016 μg·L-1;經(jīng)水生植物塘處理后,SD和SCP基本無(wú)法檢出,但ρ(SM)仍保持在0.001 μg·L-1。冬季各處理單元對(duì)沼液中SAs的去除效果明顯降低。值得注意的是,經(jīng)過(guò)二級(jí)沉淀池處理后,SD和SM僅有小幅降低,ρ分別為0.679和0.102 μg·L-1;而ρ(SCP)不但沒有消減，反而大幅增加,為15.460 μg·L-1。造成這種結(jié)果的主要原因可能是SAs的中間代謝產(chǎn)物(如乙酰化代謝產(chǎn)物)通過(guò)生物轉(zhuǎn)化重新形成藥物原型[13,19]。冬季沼液經(jīng)水生植物塘處理后,出水中SD、SM和SCP均可檢出,ρ分別為0.007、0.004和0.267 μg·L-1。

TCs:(a)土霉素(OTC);(b)金霉素(CTC);(c)強(qiáng)力霉素(DOX);SAs:(d)磺胺嘧啶(SD);(e)磺胺二甲嘧啶(SM);(f)磺胺氯噠嗪(SCP)。

2.2.3 各處理單元對(duì)豬場(chǎng)廢水中抗生素的去除作用

豬糞經(jīng)厭氧消化、儲(chǔ)存池、三級(jí)沉淀池和水生植物塘處理后,出水中TCs和SAs去除率(表1)計(jì)算公式如下:

C=(Ai+1-Ai)/Ai×100。

(1)

式(1)中,C為去除率,%;Ai為第i級(jí)處理單元抗生素濃度,μg·L-1;Ai+1為i單元的下一級(jí)處理單元抗生素濃度,μg·L-1。

厭氧消化單元對(duì)豬糞中TCs有一定消減作用,但夏季經(jīng)一級(jí)發(fā)酵罐后CTC卻表現(xiàn)出負(fù)去除現(xiàn)象,主要原因是CTC在顆粒上有強(qiáng)烈的吸附作用,使其可能在發(fā)酵罐中不斷累積,導(dǎo)致出料(帶有部分固體物質(zhì))中CTC較原料有所增加。厭氧消化單元對(duì)SAs均沒有消減作用,相反,SD、SM和SCP均表現(xiàn)出負(fù)去除現(xiàn)象(表1)。這與常紅等[13]對(duì)污水處理廠中SAs的研究結(jié)果相似,即大部分SAs有增加趨勢(shì)。主要原因有2個(gè):一是SAs在固體顆粒上的累積作用;二是SAs的乙酰化代謝物(約占總量的20%～40%)在厭氧條件下通過(guò)生物轉(zhuǎn)化重新形成藥物原型[13,19]。經(jīng)二次發(fā)酵后,出料中TCs和SAs均被進(jìn)一步去除,一是由于抗生素在二次發(fā)酵罐中被進(jìn)一步生物降解,二是由于出料中固體含量明顯降低。

儲(chǔ)存池對(duì)抗生素沒有明顯的消減作用,特別是冬季，反而因?yàn)槔鄯e作用而有所增加。經(jīng)過(guò)三級(jí)沉淀池處理后,抗生素濃度大幅降低,其中夏季出水中OTC、CTC和DOX幾乎未檢出(表1)。而冬季沉淀池對(duì)抗生素的去除效果明顯減弱,溫度導(dǎo)致的微生物降解作用和吸附作用降低可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因。沉淀池處理后的出水經(jīng)過(guò)水生植物塘后,各種抗生素濃度大幅降低,尤其是夏季，對(duì)SD和SCP的去除率接近100%,而冬季水生植物塘對(duì)抗生素的消減作用降低,可能是由于植物生長(zhǎng)及不同植物根部吸收、富集抗生素或分泌的促進(jìn)抗生素分解的物質(zhì)降低造成的。

表1 各處理單元對(duì)糞便中抗生素的去除率

Table 1 Antibiotics removal rate of each wastewater treatment unit

%

OTC為土霉素,CTC為金霉素,DOX為強(qiáng)力霉素,SD為磺胺嘧啶,SM為磺胺二甲嘧啶,SCP為磺胺氯噠嗪。

3 討論

加強(qiáng)畜禽糞便污染防治是環(huán)保工作的緊迫任務(wù)和重要內(nèi)容[12]。規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)廢水(含尿、沖洗水和少量糞便)產(chǎn)生量大，達(dá)標(biāo)排放難，處理成本高,其無(wú)害化處理一直是養(yǎng)殖污染防治的難題[12]。目前的養(yǎng)殖廢水處理工藝(如厭氧消化、沉淀池、人工濕地等)雖可有效降低廢水中COD、氮和磷濃度[5],但出水中ρ(CTC)、ρ(OTC)、ρ(DOX)和ρ(SD)仍可高達(dá)13.7、23.8、685.6和98.8 μg·L-1[20]。

利用沼氣工程處理養(yǎng)殖場(chǎng)廢水不僅可獲得清潔能源,而且是減輕環(huán)境污染問題、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要紐帶[18]。但由于抗生素對(duì)大多數(shù)細(xì)菌具有抑制和殺滅作用,因此采用厭氧微生物處理含抗生素廢水有一定的局限性[21-22]。MITCHELL等[21]通過(guò)序批式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),中溫厭氧發(fā)酵對(duì)牛糞中SM無(wú)降解作用;MOHRING等[22]以豬糞為原料,經(jīng)34 d中溫厭氧消化后發(fā)現(xiàn)SM和SCP未降解。筆者研究中豬場(chǎng)廢水中抗生素濃度水平雖不足以抑制厭氧消化中微生物活性,但去除效果并不理想。這與前期厭氧消化去除抗生素結(jié)果相似,出料沼液(特別是冬季)中CTC、SD、SM和SCP濃度均較高,且SAs的代謝產(chǎn)物在厭氧條件下有重新形成藥物原型的風(fēng)險(xiǎn)[13,19]。豬糞厭氧消化后沼液中抗生素含量的降低可能更多的是由于吸附作用而被固定在沼渣中。因此,豬場(chǎng)沼液及沼渣中抗生素的有效去除及其農(nóng)田利用的生物安全性需要進(jìn)一步探討。

一般抗生素的生物降解依賴于氧分子的存在,即好氧處理工藝對(duì)抗生素的降解效果好于厭氧處理工藝[13]。田世烜等[23]利用UASB-SBR工藝去除生活污水中SM的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),厭氧處理對(duì)SM的平均去除率僅為35.0%,而厭氧-好氧處理可使SM總?cè)コ蔬_(dá)到90%。筆者研究中,沼液儲(chǔ)存池由于是兼氧環(huán)境,因此其對(duì)沼液中TCs和SAs不但沒有明顯的消減作用,OTC、CTC、DOX、DS和DM濃度在冬季反而有所增加。因此,經(jīng)儲(chǔ)存池存放后的沼液還田后生物風(fēng)險(xiǎn)較高,故不建議直接農(nóng)田回用。在隨后的沉淀池處理環(huán)節(jié),由于氧分子增加,沼液中抗生素的降解作用大幅提高[13],這與厭氧-好氧工藝對(duì)廢水中抗生素的去除效果相似。沉淀池處理過(guò)程中沼液中抗生素可能發(fā)生水解、光降解和微生物降解等一種或者多種降解反應(yīng)[22],但降解速率與抗生素的化學(xué)性質(zhì)(如水溶性、揮發(fā)性和吸附性)、環(huán)境條件(如溫度、pH值等)和使用劑量密切相關(guān)[24]。筆者研究中,經(jīng)過(guò)三級(jí)沉淀池處理后沼液中TCs幾乎無(wú)法檢出,但SAs仍可被檢出,尤其是冬季SD和SCP濃度仍然較高。此外,有些抗生素的降解代謝易通過(guò)生物轉(zhuǎn)化重新形成藥物原型,或比母體毒性更強(qiáng)[19]。因此,在養(yǎng)殖過(guò)程中采用后續(xù)易降解的抗生素(如SM和TCs等)[22],對(duì)沼液后續(xù)無(wú)害化處理、減少其二次環(huán)境污染有重要作用。

植物修復(fù)是近年來(lái)熱門的養(yǎng)殖場(chǎng)廢水深度凈化處理技術(shù)[25]。通過(guò)水生植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用去除廢水中的抗生素,具有二次污染小、成本低且可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)[26]。該研究中種植的水生植物為鳳眼蓮和空心蓮子草,對(duì)夏季廢水中SD和SCP的去除率接近100%,但冬季效果較差。因此,篩選冬季對(duì)抗生素具有高效去除作用的水生植物組合是保證水生植物修復(fù)效果的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

(1)厭氧消化對(duì)豬場(chǎng)廢水中TCs和SAs的去除效率較低。特別是對(duì)進(jìn)料濃度高、水力停留時(shí)間短的沼氣工程,出料沼液(特別是冬季)中CTC、SD、SM和SCP濃度均較高,且SAs的代謝產(chǎn)物在厭氧條件下有重新形成藥物原型的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對(duì)沼液后處理是其無(wú)害化和農(nóng)田安全利用的重要措施,其中厭氧-好氧-生物處理組合工藝是未來(lái)研究的重點(diǎn)。多級(jí)沉淀池和水生植物塘處理單元可大幅降低沼液中TCs和SAs濃度,且夏季處理效果明顯好于冬季。

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(責(zé)任編輯： 陳 昕)

Characteristics of Degradation Tetracyclines and Sulfonamides During Wastewater Treating Processes in an Intensive Swine Farm.

JIN Hong-mei1,2,3, HUANG Hong-ying1,2, GUAN Yong-xiang4, XU Cai-yun5, CHANG Zhi-zhou1,2, QIAN Yu-ting1,2

(1.Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/ Jiangsu Agricultural Waste Treatment and Recycle Engineering Research Center, Nanjing 210014, China;2.East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture/ Key Laboratory of Agro-Environment in Downstream of Yangtze Plain, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China;3.Key Laboratory of Food Quality and Safety of Jiangsu Province/ State Key Laboratory of Breeding Base, Nanjing 210014, China;4.Jiangsu Province Station of Farmland Quality and Agricultural Environment Protection, Nanjing 210036, China;5.College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Antibiotics and their metabolites are emerging contaminants posing a potential worldwide human health risk. Intensive animal husbandry is believed to be a major contributor to the increasing environmental burden of antibiotics. As to the antibiotics in animal manure in China, little information is available regarding characteristics of the degradation of antibiotics during wastewater treating processes in intensive animal husbandry. The aim of this study was to investigate concentrations of tetracyclines (TCs) and sulfonamides (SAs) types of antibiotics in wastewater and to explore their degradation characteristics during the processes of treating the wastewater in an intensive swine farm typical of the region of South Jiangsu in winter and summer. Results show that in wastewater treatment using the prevailing biogas digesters, as the incoming wastewater was high in pollutant concentration,and its hydraulic retention time was short, the treatment was only able to remove 12.9%-69.3%, 20.4%-60.9%, 25.3%-55.0%, 13.8%-18.2%, 46.8%-61.8% and 18.1%-48.7%, of the oxytetracycline (OTC), chlorotetracycline (CTC), doxycycline (DOX), sulfadiazine (SD), sulfadimidine (SM) and sulfachlorpyridazine (SCP) in the wastewater, respectively. Besides, residual concentrations of TCs and SAs in the treated wastewater were much higher in winter than in summer, especially that of CTC, SD and SCP being 0.887, 0.492 and 10.160 μg·L-1, respectively, on average. Direct discharge of such wastewater from digesters into farm fields would pose high risks to biological safety. Post-treatment of the biogas slurry through a sedimentation tank and/or a pond with hydrophyte pond, had some positive effects on removals of TCs an SAs, especially in summer, when the residual removal rate could reach up to over 90%. So it is a critical measure to dehazardize biogas slurry for its safe use in farmlands. All the findings in this study demonstrate that the technology combining anaerobic and aerobic bio-treatment processes in removing antibiotics, SAs in particular, in wastewater from animal farms is a major and effective one.

intensive swine farm;wastewater treatment;antibiotics

2016-07-13

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金〔CX(16)1003-1〕;國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAL04B05);江蘇省太湖水環(huán)境綜合治理科研課題(TH2014209)

X83

A

1673-4831(2016)06-0978-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.017

靳紅梅(1982—),女,河北吳橋人,副研究員,博士,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化處理與資源化利用。E-mail: hmjin@jaas.ac.cn

① 通信作者E-mail: hmjin@jaas.ac.cn