張 燕 伏春燕 閻佩佩 李新華 董紅云 吳家強(qiáng) 閻百興 石天虹 劉雪蘭*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 家禽研究所，濟(jì)南 250023；2.山東省濕地生態(tài)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室 山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所，濟(jì)南 250100；3.中國(guó)科學(xué)院 濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)春 130102)

畜禽養(yǎng)殖廢水中存在大量的硫化氫、氨態(tài)氮和糞臭素等臭味化合物，共有百余種，易污染空氣，影響空氣質(zhì)量。畜禽養(yǎng)殖廢水?dāng)y帶大量有機(jī)物、氮、磷、重金屬、抗生素、致病菌等，進(jìn)入下游水體后，導(dǎo)致水體中污染物含量升高，增加水體污染風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響人類健康。已有研究表明廢水中有毒有害有機(jī)物和重金屬等進(jìn)入地下水，可造成地下水持久性有機(jī)物污染和影響；進(jìn)入環(huán)境的抗生素不僅能抑制部分微生物的生長(zhǎng)，改變環(huán)境微生物的群落結(jié)構(gòu)及其生態(tài)功能，還能影響植物生長(zhǎng)，對(duì)動(dòng)物和人體產(chǎn)生毒害作用[1]。高濃度養(yǎng)殖廢水灌溉農(nóng)田或排入土壤可堵塞土壤空隙，降低土壤透氣、透水性，導(dǎo)致土壤板結(jié)、土壤質(zhì)量下降[2-3]。當(dāng)高濃度養(yǎng)殖廢水中的重金屬進(jìn)入土壤中，可致重金屬在土壤中大量積累，進(jìn)而改變土壤性質(zhì)及物理特性，影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)及植物的營(yíng)養(yǎng)吸收和利用，易造成其養(yǎng)分缺乏，也影響了土壤酶活性、微生物的群落結(jié)構(gòu)、種群增長(zhǎng)特征以及生理生化和遺傳特征[4]。因此畜禽養(yǎng)殖廢水的不合理排放或利用，可對(duì)空氣、水體和土壤造成嚴(yán)重危害，打破農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境與水環(huán)境水質(zhì)安全。目前，由于飼養(yǎng)規(guī)模及生產(chǎn)布局與消納土地不配套，導(dǎo)致大量畜禽糞便得不到及時(shí)消納而大量積累，不僅因存儲(chǔ)而占據(jù)土地資源，而且還產(chǎn)生大量惡臭氣體，流出污水，加劇了養(yǎng)殖區(qū)及周邊水環(huán)境污染。

隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；?、集約化不斷發(fā)展，畜禽糞便和廢水的產(chǎn)生量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年產(chǎn)生38 億t畜禽糞便和廢水，僅2015年我國(guó)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生廢水26.33億t，但其綜合利用率卻不到60%[5-6]。2007年畜禽養(yǎng)殖廢水中銅(Cu)2 397.23 t，鋅(Zn)4 756.94 t，分別占農(nóng)業(yè)污染源排放總量的97.8%和97.8%；2017年畜禽養(yǎng)殖廢水中化學(xué)需氧量(COD)達(dá)1 000.53萬(wàn)t，氨態(tài)氮(NH3)達(dá)11.09萬(wàn)t，總氮(TN)達(dá)59.63萬(wàn)t，總磷(TP)達(dá)11.97萬(wàn)t，分別占農(nóng)業(yè)污染源排放總量的93.76%、51.30%、42.14%和56.46%[7-8]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的重要來(lái)源。我國(guó)每年抗生素產(chǎn)量約為21.0萬(wàn)t，其中9.7萬(wàn)t用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)，而用于養(yǎng)殖業(yè)的抗生素大都不能被動(dòng)物機(jī)體充分吸收，其通過(guò)母體化合物或代謝產(chǎn)物的形式隨著糞便和尿液排出體外，并隨廢水進(jìn)入水環(huán)境或土壤中[9]。由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)屬于低利潤(rùn)行業(yè)，即使配有相應(yīng)的糞污處理設(shè)施，但因其維護(hù)管理費(fèi)用高、運(yùn)行成本高、缺乏相關(guān)技術(shù)人員等原因，致使糞污處理設(shè)施難以長(zhǎng)期正常運(yùn)行，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖廢水未得到有效處理而排入周邊水體，造成農(nóng)業(yè)區(qū)域環(huán)境污染[10-11]。因此探索污染物去除率高、運(yùn)行成本低、建造成本符合養(yǎng)殖業(yè)低利潤(rùn)水平的處理技術(shù)，將是畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治技術(shù)的重點(diǎn)。

目前我國(guó)雖然已有人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水方面的研究，但是缺乏全面、系統(tǒng)的歸納和分析。因此，為了解我國(guó)畜禽養(yǎng)殖廢水污染及治理現(xiàn)狀，本研究擬以“人工濕地”、“畜禽養(yǎng)殖廢水或污水”、“營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”、“重金屬”、“抗生素”、“抗生素基因抗性(ARGs)”等為主要關(guān)鍵詞，搜索ISI web of knowledge、SpringerLink、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)2007—2020年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸納和分析，綜述畜禽養(yǎng)殖廢水處理現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，并重點(diǎn)分析人工濕地去除廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、抗生素及抗生素抗性基因等污染物的研究進(jìn)展，探究人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水的研究方向，以期為畜禽養(yǎng)殖污染治理提供有效的理論指導(dǎo)。

1 我國(guó)畜禽養(yǎng)殖廢水處理研究現(xiàn)狀與問(wèn)題

2014年國(guó)務(wù)院批復(fù)實(shí)施《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》[12]，該條例促進(jìn)了養(yǎng)殖業(yè)調(diào)整畜禽糞污處理方式。2015年國(guó)務(wù)院頒布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[13]，該計(jì)劃的實(shí)施使畜禽養(yǎng)殖廢水得到了有效的防控，例如畜禽養(yǎng)殖廢水中COD和銨態(tài)氮(NH4-N)等重點(diǎn)污染物總排放量分別減少3.2%和4.8%。自2014年8月起，全國(guó)各省全面開展畜禽糞污專項(xiàng)整治行動(dòng)，并依法完成了禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)(小區(qū))和養(yǎng)殖專業(yè)戶關(guān)閉或搬遷，使得全國(guó)畜禽養(yǎng)殖更加規(guī)模化、集約化，規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施裝備配套率達(dá)到80%以上[14]。目前我國(guó)絕大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)配備了廢水處理設(shè)施，如基于A/O法、A2O法、SBR法、膜生物法、UASB等工程設(shè)施[15-16]。畜禽養(yǎng)殖廢水富含高濃度的有機(jī)物、氮磷、重金屬、抗生素和有害微生物，經(jīng)過(guò)一定的工程處理后，雖能將大部分的有機(jī)物、懸浮物、氨氮、重金屬等物質(zhì)大量去除，使得養(yǎng)殖廢水達(dá)到GB18596—2001《國(guó)家畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[17]的要求，但仍有一些指標(biāo)仍然超過(guò)GB3838—2002《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18]的Ⅴ類水質(zhì)要求或GB5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[16]，因而其出水中化學(xué)需氧量、氨氮、重金屬、抗生素等經(jīng)常出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，致使農(nóng)業(yè)區(qū)域地表水和地下水環(huán)境存在嚴(yán)重的污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水進(jìn)行后續(xù)處理(即深度處理)。

在不同深度處理方式中，人工濕地因其具有去污效果好、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、投資低、生態(tài)景觀價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在畜禽養(yǎng)殖廢水處理上[19-21]。人工濕地不僅能有效緩沖畜禽養(yǎng)殖廢水的高污染負(fù)荷沖擊，還能有效去除污染物質(zhì)及病原體，減少畜禽養(yǎng)殖廢水對(duì)農(nóng)田和下游水體的危害[19]。

2 人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水污染物的研究進(jìn)展

人工濕地是由植物、基質(zhì)、微生物和水體等4 個(gè)基本要素構(gòu)成的一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，按照其系統(tǒng)內(nèi)水體流態(tài)的不同，將其分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地等3 大類。人工濕地對(duì)廢水的凈化機(jī)理是用系統(tǒng)中基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)、植物吸收和微生物分解來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的高效凈化[22-23]。

2.1 去除廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

近年來(lái)世界各國(guó)針對(duì)人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水展開了廣泛的研究，并取得很好的效果[21]。為了提高人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能，可通過(guò)優(yōu)化濕地結(jié)構(gòu)、改進(jìn)運(yùn)行參數(shù)、人工補(bǔ)給氧氣、強(qiáng)化微生物作用、優(yōu)選基質(zhì)和植物、添加外源調(diào)節(jié)劑等措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化濕地系統(tǒng)去污效果[24-27]。畜禽養(yǎng)殖廢水具有相對(duì)集中、間歇排放、成分復(fù)雜、碳氮比低、富含微量元素、可生化性高等特點(diǎn)。利用間歇排放，可以間歇性向人工濕地進(jìn)水，有效實(shí)現(xiàn)人工濕地復(fù)氧，同時(shí)可以沉淀部分懸浮物等，一定程度上緩解了人工濕地運(yùn)行過(guò)程中供氧不足、易堵塞等問(wèn)題，也有利于植物生長(zhǎng)及功能微生物代謝。

Pelissari等[28]研究采用人工濕地處理奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖廢水發(fā)現(xiàn):當(dāng)COD、總凱氏氮(TKN)和NH4-N進(jìn)水負(fù)荷率分別為151.4、10.3和8.2 g/(m2周)時(shí)，水平潛流人工濕地能去除59%的TN 和58%的NH4-N；而利用垂直潛流人工濕地處理，COD、TKN和NH4-N進(jìn)水負(fù)荷率分別為317.2、21.6 和13.7 g/(m2周)的廢水，能去除23%的TN和80%的NH4-N，而且73%的NH4-N是主要通過(guò)硝化作用完成的。由此可見(jiàn)，不同濕地類型去除氮的能力不同。與一般潛流人工濕地比較，改進(jìn)的波形潛流人工濕地對(duì)COD、TN和NH4-N的平均去除率提高均在3%以上，但對(duì)總磷(TP)去除效果相當(dāng)[29]。Li等[30]利用多階表面流人工濕地處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水，廢水中COD、TN、NH4-N、NO3-N和TP平均進(jìn)水濃度分別為1 443.2、746.2、630.8、4.1和82.2 mg/L，經(jīng)過(guò)32 d的處理后，得到較高的去除效率，COD、TN、NH4-N、硝態(tài)氮NO3-N和TP的去除率分別達(dá)到89.8%、97.9%、98.2%、87.6%和96.4%。濕地基質(zhì)和植物吸附和吸收氮素效率分別為2.44 和1.24 g/(m2d)，其中微生物作用是廢水中氮去除主因，其貢獻(xiàn)率為56.75%～65.35%[31]。研究發(fā)現(xiàn)多階表面流人工濕比單階表面流人工濕地處理廢水效果好[32]。通過(guò)結(jié)合各種類型人工濕地優(yōu)缺點(diǎn)，將不同類型人工濕地進(jìn)行組合，應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖廢水處理也取得了較好的效果[33-34]。因此，多階或多類型組合型人工濕地具有較優(yōu)的應(yīng)用前景。

Feng等[35]處理養(yǎng)豬廢水，研究結(jié)果顯示，在不同進(jìn)水強(qiáng)度下，COD去除率為63.06%～77.18%，NH4-N去除率為87.19%～96.54%，TN去除率為40.83%～48.70%。但是直接供氧需要消耗動(dòng)力能源，這增加了人工濕地運(yùn)行和操作費(fèi)用，因此通過(guò)改變進(jìn)水方式來(lái)增加人工濕地系統(tǒng)的溶解氧之一的潮汐流作為新型間歇進(jìn)水方式而被廣泛關(guān)注。潮汐流人工濕地利用潮汐運(yùn)行中床體浸潤(rùn)面變化產(chǎn)生的空隙吸力將大氣氧吸入濕地基質(zhì)或土壤空隙中，提高人工濕地溶解氧含量[36]。也有研究利用潮汐流方式強(qiáng)化人工濕地處理厭氧消化畜禽養(yǎng)殖廢水，能去除 85.94% 的COD、61.20%的NH4-N和57.41%的TN[37]，有效提高了人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中污染物的能力。另外，通過(guò)生物再生沸石強(qiáng)化潮汐流人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水，結(jié)果顯示其對(duì)COD、NH4-N和TN的去除率分別為84.75%、74.13% 和67.13%[38]。因此，添加生物再生沸石雖然對(duì)COD的去除影響不大，卻提高了濕地系統(tǒng)的脫氮能力。Du等[39]利用斜發(fā)沸石強(qiáng)化垂直潛流人工濕地處理養(yǎng)豬廢水的研究發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)去除總氨氮的能力為96.1%，比石英砂人工濕地系統(tǒng)提高了29.6%，其中沸石吸附去除達(dá)93.01%，而且大大減少了濕地系統(tǒng)氨氣揮發(fā)。

為了解決畜禽養(yǎng)殖廢水碳氮比低的問(wèn)題，在人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水時(shí)，添加稻草秸稈作為外源碳源，不僅提高了人工濕地碳源，促進(jìn)了微生物的反硝化作用，增加了人工濕地硝化微生物和反硝化微生物的豐富度，而且有效減少人工濕地處理高強(qiáng)度畜禽養(yǎng)殖廢水過(guò)程中37.2%～43.7%的N2O釋放量[40]。然而將高溫制作的生物炭作為碳源添加到曝氣人工濕地中，卻明顯降低了畜禽養(yǎng)殖廢水中TN的去除能力，而且還增加了人工濕地系統(tǒng)釋放N2O的量，在高進(jìn)水強(qiáng)度下其釋放流量為185.43～443.33 μg/(m2h)[35]。這說(shuō)明添加生物炭改進(jìn)人工濕地的應(yīng)用，不僅要考慮其去污能力，還要關(guān)注人工濕地系統(tǒng)釋放N2O的潛在問(wèn)題。

改善人工濕地中溶解氧條件，可為微生物的硝化、反硝化作用提供適宜環(huán)境，從而加快污染物的降解。已有研究利用生物燃料電池強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)或在其基礎(chǔ)上，利用生物質(zhì)炭吸附作用、還原作用、增設(shè)回流等其他措施，增強(qiáng)硝化、反硝化能力，能夠提高出水水質(zhì)[41]。生物燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新型技術(shù)，能同時(shí)產(chǎn)電和降解難降解的污染物，人工濕地系統(tǒng)與生物燃料電池具有相似之處。通過(guò)結(jié)合各自優(yōu)點(diǎn)，研制了人工濕地復(fù)合生物燃料電池技術(shù)，該水處理技術(shù)是在濕地系統(tǒng)和產(chǎn)電系統(tǒng)中共同完成的[41]。Liu等[42]通過(guò)生物燃料電池-人工濕地(MFC-CW)處理養(yǎng)豬廢水發(fā)現(xiàn)，濕地植物能促進(jìn)濕地系統(tǒng)生物電輸出，不同植物配置的MFC-CW去除污染能力不同，其中無(wú)植物、美人蕉、菖蒲和空心菜濕地對(duì)COD的去除率分別為80.20%、88.07%、84.07%和82.20%，對(duì)NH4-N的去除率分別為49.96%、75.02%、70.25%和68.47%，通過(guò)對(duì)比可以看出美人蕉植物配置MFC-CW具有較好的處理效果。另外，研究發(fā)現(xiàn)粉綠狐尾藻能從畜禽養(yǎng)殖廢水中高效去除NH4-N，而且具有較強(qiáng)的抗逆性和耐受性，被應(yīng)用在人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水上[43-44]。蘆葦植物也具有抗逆性和耐受性，且生物量和根系龐大，能直接吸收利用氮、磷、有機(jī)物等污染物[34]。目前有關(guān)人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水植物的研究，僅關(guān)注單一植物的研究，多種植物組合配置人工濕地的研究鮮有報(bào)道。

2.2 去除廢水中的重金屬

人工濕地對(duì)重金屬的去除機(jī)理主要有沉淀、植物和微生物吸收等，其中沉淀是最主要的方式[45]。不同重金屬去除效果存在差異。畜禽養(yǎng)殖廢水中重金屬以銅、鋅等為主，因此人工濕地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水重金屬的處理主要集中在Cu和Zn的去除研究上。人工濕地處理含Cu和Zn分別為8.63 和44.02 mg/L的廢水，運(yùn)行45 d后，寬葉香蒲和沼澤蕨對(duì)銅的平均吸收量為47.54和105.58 mg/L，對(duì)鋅的平均吸收量分別為271.64和409.26 mg/L[46]。Almeida等[47]利用蘆葦人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水，人工濕地對(duì)廢水中Cu、Zn、Fe和Mn的去除率分別為85%、89%、99%和75%，且運(yùn)行22周后，人工濕地對(duì)其去除效果基本保持平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，人工濕地植物對(duì)水體中重金屬去除具有重要作用，不僅能直接吸收利用重金屬元素，還能通過(guò)根系及其根系分泌物吸附、沉淀和富集一些重金屬[48]。人工濕地植物如香蒲、蘆葦?shù)蓉S富的根系可為濕地沉淀區(qū)創(chuàng)造有利于重金屬去除途徑的環(huán)境條件[48]。然而，在人工濕地運(yùn)行初期，濕地植物、微生物還處于適應(yīng)期，濕地基質(zhì)僅能過(guò)濾截留部分重金屬;隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，植物、微生物適應(yīng)了重金屬的脅迫，提高了濕地系統(tǒng)對(duì)重金屬的去除能力;但是運(yùn)行后期由于濕地系統(tǒng)積累過(guò)量的重金屬，抑制了植物和微生物的生存，進(jìn)而影響濕地對(duì)重金屬的去除能力[45]。因此，需要改進(jìn)人工濕地運(yùn)行機(jī)制，并通過(guò)更新植物或刈割植物的方式，提升濕地系統(tǒng)對(duì)重金屬去除能力。

重金屬和有限的植物吸收利用是降低人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中磷效果的主要原因[50]。重金屬存在影響人工濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除。重金屬元素因毒性大、難降解，被濕地植物吸收引致富集，影響植物體生理生化過(guò)程，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害。研究發(fā)現(xiàn)重金屬對(duì)沼澤蕨生長(zhǎng)的影響明顯高于寬葉香蒲，兩者植物均能用于處理畜禽養(yǎng)殖廢水，而且他們體內(nèi)積累Cu、Zn的量與水體中Cu、Zn減少量有關(guān)，Cu、Zn鹽能誘導(dǎo)植物細(xì)胞壁重構(gòu)和碳水化合物代謝變化，從而影響植物對(duì)水中污染物的去除效果[46-47]。濕地植物通過(guò)積累游離態(tài)脯氨酸、丙二醛，增強(qiáng)超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶酶活性等方式來(lái)增強(qiáng)自身的防御系統(tǒng)，用來(lái)抵御畜禽養(yǎng)殖廢水中銅、鋅對(duì)其造成的傷害[51]。目前我國(guó)有關(guān)人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢中重金屬的研究?jī)H局限在實(shí)驗(yàn)室研究，在實(shí)際應(yīng)用的研究尚少。

2.3 去除廢水中的抗生素及抗生素抗性基因

獸用抗生素廣泛用于預(yù)防和治療動(dòng)物疾病，畜禽養(yǎng)殖飼料中常見(jiàn)添加抗生素有四環(huán)素類、磺胺類、喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類等?？股乇簧矬w利用的較少，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖糞污中多種抗生素殘留，影響?zhàn)B殖區(qū)水環(huán)境。對(duì)中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、捷克等國(guó)家的畜禽養(yǎng)殖區(qū)水體檢測(cè)結(jié)果證實(shí)水中抗生素主要來(lái)源于畜禽糞便及養(yǎng)殖場(chǎng)排放的養(yǎng)殖廢水[5,52]。

人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中獸用抗生素的能力主要與抗生素自身的理化性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)人工濕地的結(jié)構(gòu)也影響其去除能力。養(yǎng)豬廢水中獸用抗生素進(jìn)水濃度相似的情況下，表面流人工濕地對(duì)磺胺甲嘧啶和四環(huán)素的去除率分別為40%和92%；水平潛流人工濕地對(duì)這兩者的去除率分別為59%和92%；垂直潛流人工濕地對(duì)兩者的去除率分別為87%和99%[53]?？梢?jiàn)垂直潛流人工濕地能高效去除磺胺甲嘧啶和四環(huán)素，而且由于兩者的理化性質(zhì)差異，使得人工濕地對(duì)四環(huán)素的去除能力優(yōu)于磺胺甲嘧啶。人工濕地基質(zhì)也影響畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素去除效果。人工濕地土壤基質(zhì)去除畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素能力顯著高于其它濕地基質(zhì)，尤其是富含粘土質(zhì)的土壤，由于其具有較大的比表面積和較高的表面能，能吸附更多的抗生素[54]。Liu等[55]分別采用火山石和沸石填充垂直潛流人工濕地，處理經(jīng)過(guò)厭氧反應(yīng)器處理后的養(yǎng)豬廢水，發(fā)現(xiàn)火山石人工濕地對(duì)環(huán)丙沙星、土霉素和磺胺甲嘧啶的去除率分別為82%、91%和68%，而沸石人工濕地對(duì)其去除率分別為85%、95%和73%。由此可見(jiàn)，沸石填充的垂直潛流人工濕地優(yōu)于火山石填充，而且由于3 種抗生素理化性質(zhì)不同，人工濕地對(duì)它們的去除能力大小依次為：土霉素>環(huán)丙沙星>磺胺甲嘧啶。對(duì)比砂子，沸石基質(zhì)吸附畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素的效果較優(yōu)，而且沸石和濕地植物耦合可強(qiáng)化垂直潛流人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素和其抗性基因能力，其綜合去除能力分別達(dá)到95.0%和95.1%[56]。另有一些研究認(rèn)為人工濕地植物對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素去除效果的影響卻不明顯。Carvalho等[57]通過(guò)微型人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素的研究發(fā)現(xiàn)，種植和未種植蘆葦?shù)娜斯竦貙?duì)抗生素的去除效果沒(méi)有明顯差異。Du等[56]發(fā)現(xiàn)蘆竹植物對(duì)沸石人工濕處理養(yǎng)豬廢水中抗生素的去除效果影響也較小。也有研究認(rèn)為植物在抗生素遷移和降解中起到重要作用[58]。蘆葦植物具有去除水體中3種獸用抗生素(頭孢噻呋、恩諾沙星和四環(huán)素)的潛力，說(shuō)明蘆葦人工濕地可應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖廢水處理[59]。有關(guān)人工濕地植物對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水抗生素的去除機(jī)理尚存在爭(zhēng)議，仍需要進(jìn)一步研究。

畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素導(dǎo)致人工濕地基質(zhì)微生物多樣性減少，卻能促進(jìn)人工濕地系統(tǒng)ARGs的生長(zhǎng)[60-61]。張子揚(yáng)等[62]通過(guò)對(duì)人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中磺胺類ARGs的研究發(fā)現(xiàn)，畜禽養(yǎng)殖廢水中的3種磺胺類ARGs中的sul I、sul II和sul III的平均去除率分別為89%、88% 和84%，且運(yùn)行結(jié)束后，濕地基質(zhì)中的sul I、sul II和sul III的絕對(duì)拷貝數(shù)和相對(duì)表達(dá)量均有顯著增加。同時(shí)濕地基質(zhì)也影響畜禽養(yǎng)殖廢水中ARGs的去除。Liu等[60]發(fā)現(xiàn)火山石填充的垂直潛流人工濕地對(duì)養(yǎng)豬廢水中四環(huán)素ARGs的 tetW、tetM和tet(O)的去除率達(dá)到50%，而經(jīng)過(guò)沸石填充的垂直潛流人工濕地處理后出水中他們的濃度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在無(wú)植物種植的人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水研究中發(fā)現(xiàn)，沸石人工濕地去除ARGs(tet(W)、tet(O)、tet(M)、sul(I)、sul(II)、和 sul(III))的能力(95.3%)與砂子人工濕地(93.3%)的去除能力相當(dāng)；在有植物的人工濕地系統(tǒng)中，沸石人工濕地去除ARGs的能力(95.1%)遠(yuǎn)高于砂子人工濕地(71.7%)[56]。上述結(jié)果說(shuō)明人工濕地不同基質(zhì)與植物耦合對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素的去除機(jī)理存在差異，吸附性強(qiáng)的基質(zhì)更有利于ARGs的去除，因此有必要對(duì)不同類型的基質(zhì)和植物進(jìn)行優(yōu)化篩選，強(qiáng)化其對(duì)抗生素及其ARGs的去除能力。

目前，人工濕地對(duì)抗生素的去除機(jī)理尚不明了，一般認(rèn)為基質(zhì)吸附和生物降解是人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素的主要途徑[60,63]。人工濕地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中微生物的去除可能是導(dǎo)致抗生素抗性基因(ARGs)減少的主要原因，所以ARGs的去除機(jī)理應(yīng)該與廢水微生物在人工濕地中的去除機(jī)理有關(guān)[5]。廢水中微生物在人工濕地的去除主要通過(guò)植物、基質(zhì)、微生物等組分的物理、化學(xué)、生物過(guò)程來(lái)完成的[64]。目前針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中微生物的去除效果研究尚缺乏。此外，近年來(lái)針對(duì)人工濕地處理畜禽養(yǎng)殖廢水中抗生素的研究?jī)H局限在微型模擬研究或?qū)嶒?yàn)室研究，而且研究多是根據(jù)畜禽養(yǎng)殖廢水水質(zhì)進(jìn)行人工調(diào)配，與實(shí)際畜禽養(yǎng)殖廢水存在差異。因此，需要針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水本身進(jìn)行處理，深入研究其去除機(jī)理。

3 結(jié) 論

畜禽養(yǎng)殖廢水富含多種有害物質(zhì)和病原體，是自然環(huán)境重要污染源，有效的治理能使畜牧業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。人工濕地作為生態(tài)友好型處理方式，是畜禽養(yǎng)殖廢水深度處理或直接處理的重要選擇，能有效去除畜禽養(yǎng)殖廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、抗生素及ARGs等。人工濕地在我國(guó)起步較晚，尤其是在畜禽養(yǎng)殖廢水中的應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，其作為低能耗、低投入、綠色生態(tài)技術(shù)，在畜禽養(yǎng)殖廢水的應(yīng)用前景可觀，但仍需要深入探究其去污機(jī)理，尤其是對(duì)抗生素等的去除能力。去除畜禽養(yǎng)殖廢水中的污染物以及精確評(píng)價(jià)綜合運(yùn)用人工濕地運(yùn)行效能是今后的研究方向。