【摘 要】
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抗生素在兽药和畜禽养殖饲料添加中普遍应用,由于生物体对抗生素的代谢利用率低,大部分抗生素以原药或代谢产物的形式随畜禽粪污进入环境中,造成抗性基因的传播,诱导超级细菌的产生,引发一系列生态安全问题。畜禽养殖抗生素的分布特征和去除特性成为目前的研究热点。本论文针对某集约化养猪场,进行磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺二甲嘧啶(SMZ)、四环素(TC)、土霉素(OTC)和环丙沙星(CIP)等5种典型抗生素的浓度赋
【基金项目】
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重庆市建设科技计划项目(城科字2017第162号);
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抗生素在兽药和畜禽养殖饲料添加中普遍应用,由于生物体对抗生素的代谢利用率低,大部分抗生素以原药或代谢产物的形式随畜禽粪污进入环境中,造成抗性基因的传播,诱导超级细菌的产生,引发一系列生态安全问题。畜禽养殖抗生素的分布特征和去除特性成为目前的研究热点。本论文针对某集约化养猪场,进行磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺二甲嘧啶(SMZ)、四环素(TC)、土霉素(OTC)和环丙沙星(CIP)等5种典型抗生素的浓度赋存与分布特征研究,考察了养猪场粪污处理工艺对抗生素的去除效果。在此基础上,以SDZ、TC和CIP为目标化合物,筛选分离出抗生素特征降解菌,探讨了典型抗生素的生物降解特性。论文主要研究内容及结果如下:(1)对养猪场粪污处理单元及周边环境中SDZ、SMZ、TC、OTC和CIP等5种目标抗生素进行检测,在环境水体中,5种目标抗生素的检出浓度介于nd~2.514μg/L之间,养猪场各水样中,检出浓度介于0.054~84.437μg/L之间,土壤中,检出浓度介于0.273~8.272mg/kg之间,养殖粪便中,检出浓度介于3.515~434.685mg/kg之间。(2)养猪场废水采用“预处理+厌氧+两级AO+消毒”的工艺,对SDZ、SMZ、TC、OTC和CIP的去除率分别为99.52%、55.91%、95.68%、96.42%和92.67%。养猪粪便采用“好氧堆肥”的工艺,对SDZ、SMZ、TC、OTC和CIP的去除率分别为66.92%、53.63%、21.09%、74.59%和89.38%。(3)采用主成分-多元线性回归模型对养猪场周边环境中抗生素的来源进行解析。结果显示,环境水体中抗生素主要来源于养猪场、居民的闲散养殖及农业生产和居民生活污染,其相对贡献率分别为47.02%、37.69%和15.29%。(4)采用Spearman相关分析对5种目标抗生素之间的相关性进行解析,结果表明,对于水体样品,SDZ与CIP之间、SMZ与TC之间有着显著的相关性(P≤0.01),这些抗生素之家可能有着相似的污染源,而OTC与其它四种目标抗生素相关性较差。对于土壤样品,抗生素之间的相关性均不显著。采用聚类分析对抗生素在不同采样点之间的相关性进行分析,结果表明,对于环境水体,下游河段(W2)中抗生素水平受到养猪场养殖废水出水(W12)的影响,与其它自然水体有着较为明显的差异。对于土壤样品,周边村落的农田土壤(S2、S3)中抗生素水平与场区花园土壤(S4)有着一定的相似性。(5)从养猪场污水处理工艺的活性污泥及场区花园土壤中,筛选出4株能够降解SDZ、CIP及TC的特征降解菌(分别命名为S1、S2、S3和S4)。通过形态观察、生理生化特性和16S r RNA序列同源性分析,鉴定菌株S1为副球芽孢杆菌(Brachybacterium paraconglomeratum sp.),菌株S2为油菜短波单胞菌(Brevundimonas olei sp.),S3为缺陷短波单胞菌(Brevundimonas diminuta sp.),菌株S4为黄诺卡氏菌(Nocardioides flavus sp.)。(6)4株特征降解菌对SDZ、TC和CIP的降解效率分别在24.11%~26.44%、21.48%~22.60%和55.19%~60.69%之间。通过对3种目标抗生素生物降解过程的一级动力学拟合,得到了菌株降解3种目标抗生素的动力学模型,拟合方程R2在0.853~0.979之间。同时,菌株S1与S3构成的混合菌株的降解效果高于单一菌株,混合菌株对SDZ、TC和CIP的去除率分别为49.64%、72.48%和50.24%。(7)研究了重金属离子和底物浓度对抗生素生物降解效能的影响,实验条件下,Mn2+、Cu2+、Zn2+对SDZ、TC和CIP的生物降解表现出抑制或促进效应;在抗生素浓度较低的条件下功能菌的生物降解效果良好,三种目标抗生素初始浓度为1mg/L时,混合菌株对SDZ的降解率为66.21%,对TC和CIP可以完全降解。综上,本论文考察了某集约化养猪场粪污处理单元及周边环境中5种典型抗生素的赋存特征,并进行了相关性分析。基于筛选分离的抗生素特征降解菌,研究了生物降解特性。论文受重庆市建设科技计划项目(城科字2017第162号)资助支持,研究结果对掌握养猪场抗生素污染及其防治具有一定的理论和实际意义。
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