畜禽糞便攜帶大量的具有抗性的微生物，這些微生物帶有大量的可移動(dòng)因子如整合子、轉(zhuǎn)座子和質(zhì)粒等，進(jìn)入環(huán)境后，增加了環(huán)境的抗生素抗性.基因的水平轉(zhuǎn)移(Horizontal Gene Transfer，HGT)是抗性擴(kuò)散的主要因素，這是因?yàn)樾笄菁S便中的微生物并不能很好地適應(yīng)新環(huán)境.已有研究表明，畜禽糞便中微生物群落結(jié)構(gòu)*不同于其他環(huán)境如土壤，畜禽糞便土地利用幾個(gè)月之后，土壤中就很難再檢測(cè)到來(lái)自于畜禽糞便中的微生物.

禽畜糞便污水處理一體化設(shè)備

但HGT卻使大量的可移動(dòng)因子進(jìn)入到土著細(xì)菌，從而使抗性基因在土壤中*存在.已有研究表明，豬糞能夠促進(jìn)抗性基因的水平轉(zhuǎn)移，并且抗生素能夠進(jìn)一步增加整合酶和轉(zhuǎn)移酶的活性，從而促進(jìn)基因的水平轉(zhuǎn)移，而這得益于細(xì)胞自身的SOS效應(yīng).現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種類(lèi)型的整合子和成千上萬(wàn)的移動(dòng)基因盒，而整合子分布于染色體、質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子上，但有趣的是抗生素抗性基因盒大多整合在質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子的整合子上，很少整合在染色體的整合子上，這些都加劇了抗生素抗性基因的水平轉(zhuǎn)移.例如，現(xiàn)在研究zui多的1類(lèi)整合子主要是插入在Tn402家族的轉(zhuǎn)座子上，并且捕捉sul1基因盒，這對(duì)很多臨床上微生物抗性基因的聚集有很大關(guān)系.

　　另一方面，抗生素抗性基因進(jìn)入受體細(xì)胞之后，需要表達(dá)來(lái)抵抗外來(lái)抗生素的影響，這增加了受體細(xì)胞的代謝負(fù)擔(dān)，但通過(guò)質(zhì)粒載體進(jìn)入細(xì)胞之后，這種基因帶來(lái)的代謝負(fù)擔(dān)就會(huì)少很多，而且在傳接幾代之后會(huì)明顯改善.另外，相當(dāng)一部分抗性基因在進(jìn)入受體細(xì)胞之后并不表達(dá)出活性，是一種沉默基因(Partridge et al., 2009)，在沒(méi)有抗生素存在時(shí)，以zui小的代價(jià)使抗性基因得到擴(kuò)散，并且傳統(tǒng)培養(yǎng)方法檢測(cè)不到.

　禽畜糞便污水處理一體化設(shè)備

　不同的抗生素抗性基因可能同時(shí)存在于同一個(gè)質(zhì)?；蛘咿D(zhuǎn)座子上，也就是說(shuō)一種抗性基因的轉(zhuǎn)移和增殖，伴隨著另外一種抗性基因的轉(zhuǎn)移和增殖，或者是獲得了一種抗性基因之后，受體細(xì)胞對(duì)其它抗性基因的通透性加強(qiáng)，這樣就產(chǎn)生了多重抗性基因，導(dǎo)致一種微生物同時(shí)具有多重抗性.例如，盡管畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)未使用氨基糖苷類(lèi)抗生素，但是氨基糖苷類(lèi)抗生素抗性基因的數(shù)目卻增加了近1萬(wàn)倍;同樣地，在未使用酰胺醇類(lèi)抗生素時(shí)，其抗性基因的豐度也增加了近500倍(Looft et al., 2012).這些都說(shuō)明了抗生素之間存在的共選擇作用(Co-selection).

　　重金屬和抗生素存在復(fù)合選擇壓力的現(xiàn)象，環(huán)境中的重金屬會(huì)促進(jìn)抗生素抗性的增加.Knapp等(2011)研究了土壤中內(nèi)在的抗生素抗性基因與重金屬之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)許多抗生素抗性基因的豐度與Cu含量呈顯著正相關(guān)(p≤0.05)，其它重金屬如Cd、Ni、Pb、Fe也與某些抗生素抗性基因呈正相關(guān).Berg等(2005)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用含Cu肥料后，Cu的加入不僅增加了土著微生物的Cu抗性，而且也間接增加了具有Cu抗性微生物的抗生素抗性.

　　從抗生素抗性基因和重金屬抗性基因復(fù)合分布的微生物角度來(lái)看，主要存在以下4種機(jī)制(見(jiàn)圖 2)：①交叉抗性.無(wú)論抗生素還是重金屬，任何一方的抗性增加均會(huì)導(dǎo)致另一方的抗性增加.如TetL蛋白不僅能夠向外排出四環(huán)素(Tet)，而且能夠排出Co2+.②共抗性.當(dāng)抗生素抗性基因和重金屬抗性基因處在同一段基因上時(shí)，那么一種抗性基因的增加就會(huì)導(dǎo)致另一種抗性基因的增加.

如*抗性基因(strB)和汞抗性基因(merE)共存于質(zhì)粒pHCM1，因此任何一個(gè)基因的擴(kuò)增均會(huì)伴隨著另外一個(gè)基因的同等擴(kuò)增.③共調(diào)節(jié)抗性.各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄水平上是在一起的，那么重金屬導(dǎo)致的抗性也會(huì)通過(guò)一種未知途徑增加抗生素的抗性.如mex操縱子和CZC操縱子共同調(diào)節(jié)*(Imipenem)和Co、Zn、Cd的外排泵機(jī)制抗性(Perron et al., 2004).

圖 2 抗生素和重金屬抗性基因復(fù)合分布的微生物學(xué)機(jī)理

抗生素污染主要集中在抗生素集中利用的一些地區(qū)，一般環(huán)境條件下抗生素含量都比較低，而一般環(huán)境中重金屬含量往往是抗生素含量的幾十至幾百倍，所以重金屬對(duì)抗生素抗性基因的影響至關(guān)重要，另外，環(huán)境溫度、微生物群落結(jié)構(gòu)及其它性質(zhì)也會(huì)影響抗性基因的分布.至于哪種因素起到了決定性作用，現(xiàn)在尚無(wú)定論，需要進(jìn)一步的研究.

　　6 抗性基因的削減與控制

　　很多研究表明，傳統(tǒng)污水處理工藝對(duì)抗生素抗性基因和抗性菌的削減效果不明顯(佟娟和魏源送，2012)，甚至出現(xiàn)抗生素抗性基因經(jīng)過(guò)生物處理后增加的現(xiàn)象，但也有研究表明，傳統(tǒng)污水處理工藝對(duì)抗生素抗性基因具有明顯的削減效果.目前抗生素抗性基因的控制尚未有明確的解決辦法，但已有研究表明，污泥高溫厭氧消化對(duì)抗生素抗性基因的控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)楦邷剡^(guò)程能大幅減少質(zhì)粒的結(jié)合，從而減少抗性基因的水平轉(zhuǎn)移，進(jìn)而削減抗性基因.那么可將厭氧消化作為畜禽糞便抗生素和重金屬抗性基因削減與控制的一項(xiàng)策略進(jìn)行深入探究，從“源頭”控制抗性基因.

　　堆肥廣泛應(yīng)用于有機(jī)固體廢棄物的處理，但目前有關(guān)堆肥過(guò)程中抗性基因分布特征的研究較少，缺乏堆肥工藝參數(shù)對(duì)抗性基因削減的研究.Zhu等(2013)調(diào)查了我國(guó)3個(gè)豬糞堆肥廠堆肥前后抗生素抗性基因豐度的變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抗性基因豐度有的增加，有的減少，有的變化不明顯.Chen等(2007)研究了堆肥處理豬糞和氧化溝、生物濾池養(yǎng)豬廢水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堆肥后豬糞中各種*抗性基因均大幅減少，ermA、ermB、ermC、ermF、ermT、ermX分別減少了2.3 logs、5.7 logs、5.0 logs、4.3 logs、7.1 logs、7.3 logs，并且堆肥對(duì)各種四環(huán)素抗性基因具有相似的削減效果，這可能是由于通風(fēng)、高溫和固相中基因水平轉(zhuǎn)移的減少等共同作用導(dǎo)致了堆肥對(duì)抗性基因的有效削減.上述結(jié)果說(shuō)明工藝操作參數(shù)對(duì)抗生素抗性基因的削減至關(guān)重要，因此，迫切需要深入探究工藝操作參數(shù)的優(yōu)化對(duì)抗生素抗性基因削減的影響.

　　7 結(jié)語(yǔ)和展望

　　盡管?chē)?guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究，但已有研究主要針對(duì)畜禽糞污、生物處理或土地利用的單一過(guò)程進(jìn)行，缺乏對(duì)畜禽糞污—生物處理—土地利用的全過(guò)程進(jìn)行考察，導(dǎo)致人們對(duì)全過(guò)程的抗生素和重金屬及其抗性基因的賦存與轉(zhuǎn)歸特征缺乏全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，難以進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，進(jìn)而難以提出有效的抗性基因污染削減與控制策略.

例如，在全過(guò)程中，抗生素是如何一步步降解?哪一步是抗生素降解的關(guān)鍵步驟?全過(guò)程中重金屬形態(tài)的變化規(guī)律?復(fù)合污染條件下對(duì)抗性基因在全過(guò)程中的賦存與轉(zhuǎn)歸特征有何影響?如何在全過(guò)程中有效削減和控制抗生素抗性基因?現(xiàn)階段不僅抗生素和重金屬抗性基因在環(huán)境中復(fù)合分布特征的研究較少，而且非常缺乏在畜禽糞便生物處理過(guò)程中的賦存與轉(zhuǎn)歸特征、工藝參數(shù)對(duì)抗性基因削減、復(fù)合分布形態(tài)的影響等方面的研究.目前人們尚未對(duì)畜禽糞便中抗生素和重金屬抗性基因的控制和削減提出明確的策略和出臺(tái)相關(guān)的規(guī)定.針對(duì)以上情況，可在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究：

　　1. 深入研究畜禽糞便生物處理及其土地利用全過(guò)程中抗生素抗性基因和重金屬抗性基因的分布特征及其影響因素，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

　　2. 深入研究畜禽糞便生物處理及其工藝操作參數(shù)對(duì)抗生素、重金屬、抗生素和重金屬抗性基因、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，尤其是高溫厭氧消化和堆肥工藝.

　　3. 加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖糞便風(fēng)險(xiǎn)控制與資源化利用的綜合管理研究，從源頭上削減抗生素和重金屬的使用量，進(jìn)而削減和控制抗性基因污染.

　　4. 從前端(飼料獸藥)、過(guò)程(糞污處理)和末端(土地利用)控制入手，研發(fā)適于全過(guò)程抗生素、重金屬及其抗性基因的協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)，為控制和削減畜禽養(yǎng)殖糞污中抗生素、重金屬及其抗性基因提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐.