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废水磷资源回收——不可忽视的抗生素抗性传播

2021-01-24  lindan9997

中国科学院官方账号~38分钟前

对于所有生命体来说,磷都是必不可少的营养元素。在生物机体内部物质和能量传输以及储存过程中,都有磷元素的参与;构成细胞膜基本骨架的磷脂双分子层中,有磷元素的存在;而对于生命体进行后代繁衍以及维持日常机能所需的DNA(脱氧核酸)和RNA(核糖核酸)来说,磷亦是重要的组成元素。

然而,自然界中的磷物质流动是单向流动的,从磷矿石挖掘开始,到生产磷肥用于农业生产,再到饭桌上的果蔬、肉类食品,最终进入海洋中形成沉积物结束。另一方面,由于世界人口的不断增加,人们对于粮食需求的急剧增长,对于磷资源的需求也在不断升高。据估计,未来100年之内磷矿石就会消耗殆尽。

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图1 自然界中磷资源循环示意图(图片来源于文献)

养猪废水是磷资源的“富矿”

随着经济的发展,人民生活水平的不断提高,对猪肉的需求越来越大,涌现了大量规模化、集约化的养殖场。我国每年生猪出栏量超5亿头,猪肉产量5000万吨,但也产生了大量、高浓度富含氮磷的养猪废水。据统计,一头生猪每天产生的废水量为30 kg的话,那么一年就会产生11吨废水,对于一个有3.5万头存栏量的养猪场来说,所产生的污染负荷相当于一座有着10万人口居住的城镇。根据2020年《第二次全国污染源普查公报的结果》,2017年全国37.88万个畜禽规模化养殖场排放的总磷为8.04万吨,是我国众多湖泊水体富营养化和赤潮等环境污染的主要来源之一。一般养猪废水中磷浓度可以达到100-250 mg/L,因此,高含量磷的养猪废水已经成为磷资源回收的“富矿”。

废水磷回收的方法有吸附法、生物强化法、沉淀法和结晶法等。目前广泛应用的是磷酸铵镁(magnesium ammonium phosphate)结晶沉淀法,它具有反应速度快,磷回收效率高等特点。磷酸铵镁是一种晶体,分子式MgNH4PO4·6H2O,英文俗名为struvite,中文俗称鸟粪石,含有氮、磷两种营养元素,是一种优良的缓释肥,可直接用于农业生产。废水在碱性条件下,由等摩尔浓度的Mg2+、NH4+以及PO43-再加上六个水分子反应形成。反应方程式如下:

Mg2++NH4++PO43-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O

鸟粪石回收中不可忽视的二次污染:抗生素抗性

规模化养猪过程中,往往会添加大量的抗生素进入饲料中,用于动物防疫和促生长。然而,动物的肠胃对于抗生素的吸收效果并不好,只有少部分的抗生素会被吸收,而大约有30-90%的抗生素会以母体或者代谢物的形式排放到环境中去,这不仅会对动、植物产生直接的毒性,还有可能对环境中的微生物带来选择压力,促进耐药细菌的繁殖以及抗性基因在环境中的传播。

当前,抗生素抗性已经被世界卫生组织列为一种新兴的环境污染,严重威胁着人类的健康。在全世界范围内,每年有70万人死与抗生素抗性相关,有科学家预计到2050年,因抗生素抗性引发的死亡人数将高达1000万人。因此,在畜禽养殖废水磷回收时,有必要考虑抗生素以及抗性基因在回收产品中的残留问题。我国是兽用抗生素生产和使用大国,畜禽养殖造成的抗生素抗性已经成为不可忽视的新兴环境污染。

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图2 抗生素迁移示意图(图片来源于网络)

近期,中国科学院城市环境研究所废水处理与养分回收研究组开展猪场废水鸟粪石回收研究,发现回收产物中四环素类抗生素(TCs)及抗性基因(ARGs)有显著的残留,并且产物中TCs与ARGs含量无相关性,说明两者在鸟粪石回收过程中迁移的影响因素不同。

进一步研究发现回收产物中TCs和ARGs的残留量与多种组分密切相关:(1)回收产物中的主要组分包括鸟粪石、K型鸟粪石和无定形磷酸钙,它们对TCs残留的影响不显著,但是有机物和微量的重金属可以促进TCs的迁移;(2)对于ARGs,产物中重金属和矿物组分包括鸟粪石、K型鸟粪石以及无定形磷酸钙具有影响,但每个因素的影响效果均不显著,这可能是多种因素共同作用的结果。

这一研究结果表明,废水资源回收时可能存在抗生素抗性的转移和在环境中传播的风险,而要阻断这一风险需要区别考虑影响抗生素和抗性基因转移的重要因素。

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图3 养猪废水磷回收过程中抗生素抗性基因传播

参考文献:

1. Peng, L.; Dai, H.; Wu, Y.; Peng, Y.; Lu, X., A comprehensive review of phosphorus recovery from wastewater by crystallization processes. Chemosphere 2018, 197, 768-781.

2. Cai, J.S.; Ye, Z. L.; Ye, C.S.; Ye, X.; Chen, S.H., Struvite crystallization induced the discrepant transports of antibiotics and antibiotic resistance genes in phosphorus recovery from swine wastewater. Environ Pollut 2020, 266, (Pt 2), 115361.

来源:中国科学院城市环境研究所

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