廢水磷資源回收——不可忽視的抗生素抗性傳播_風聞

對於所有生命體來説，磷都是必不可少的營養元素。在生物機體內部物質和能量傳輸以及儲存過程中，都有磷元素的參與；構成細胞膜基本骨架的磷脂雙分子層中，有磷元素的存在；而對於生命體進行後代繁衍以及維持日常機能所需的DNA（脱氧核酸）和RNA（核糖核酸）來説，磷亦是重要的組成元素。

然而，自然界中的磷物質流動是單向流動的，從磷礦石挖掘開始，到生產磷肥用於農業生產，再到飯桌上的果蔬、肉類食品，最終進入海洋中形成沉積物結束。另一方面，由於世界人口的不斷增加，人們對於糧食需求的急劇增長，對於磷資源的需求也在不斷升高。據估計，未來100年之內磷礦石就會消耗殆盡。

圖1 自然界中磷資源循環示意圖（圖片來源於文獻）

養豬廢水是磷資源的“富礦”

隨着經濟的發展，人民生活水平的不斷提高，對豬肉的需求越來越大，湧現了大量規模化、集約化的養殖場。我國每年生豬出欄量超5億頭，豬肉產量5000萬噸，但也產生了大量、高濃度富含氮磷的養豬廢水。據統計，一頭生豬每天產生的廢水量為30 kg的話，那麼一年就會產生11噸廢水，對於一個有3.5萬頭存欄量的養豬場來説，所產生的污染負荷相當於一座有着10萬人口居住的城鎮。根據2020年《第二次全國污染源普查公報的結果》，2017年全國37.88萬個畜禽規模化養殖場排放的總磷為8.04萬噸，是我國眾多湖泊水體富營養化和赤潮等環境污染的主要來源之一。一般養豬廢水中磷濃度可以達到100-250 mg/L，因此，高含量磷的養豬廢水已經成為磷資源回收的“富礦”。

廢水磷回收的方法有吸附法、生物強化法、沉澱法和結晶法等。目前廣泛應用的是磷酸銨鎂（magnesium ammonium phosphate）結晶沉澱法，它具有反應速度快，磷回收效率高等特點。磷酸銨鎂是一種晶體，分子式MgNH4PO4·6H2O，英文俗名為struvite，中文俗稱鳥糞石，含有氮、磷兩種營養元素，是一種優良的緩釋肥，可直接用於農業生產。廢水在鹼性條件下，由等摩爾濃度的Mg2+、NH4+以及PO43-再加上六個水分子反應形成。反應方程式如下：

Mg2++NH4++PO43-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O

鳥糞石回收中不可忽視的二次污染：抗生素抗性

規模化養豬過程中，往往會添加大量的抗生素進入飼料中，用於動物防疫和促生長。然而，動物的腸胃對於抗生素的吸收效果並不好，只有少部分的抗生素會被吸收，而大約有30-90%的抗生素會以母體或者代謝物的形式排放到環境中去，這不僅會對動、植物產生直接的毒性，還有可能對環境中的微生物帶來選擇壓力，促進耐藥細菌的繁殖以及抗性基因在環境中的傳播。

當前，抗生素抗性已經被世界衞生組織列為一種新興的環境污染，嚴重威脅着人類的健康。在全世界範圍內，每年有70萬人死與抗生素抗性相關，有科學家預計到2050年，因抗生素抗性引發的死亡人數將高達1000萬人。因此，在畜禽養殖廢水磷回收時，有必要考慮抗生素以及抗性基因在回收產品中的殘留問題。我國是獸用抗生素生產和使用大國，畜禽養殖造成的抗生素抗性已經成為不可忽視的新興環境污染。

圖2 抗生素遷移示意圖（圖片來源於網絡）

近期，中國科學院城市環境研究所廢水處理與養分回收研究組開展豬場廢水鳥糞石回收研究，發現回收產物中四環素類抗生素（TCs）及抗性基因（ARGs）有顯著的殘留，並且產物中TCs與ARGs含量無相關性，説明兩者在鳥糞石回收過程中遷移的影響因素不同。

進一步研究發現回收產物中TCs和ARGs的殘留量與多種組分密切相關：（1）回收產物中的主要組分包括鳥糞石、K型鳥糞石和無定形磷酸鈣，它們對TCs殘留的影響不顯著，但是有機物和微量的重金屬可以促進TCs的遷移；（2）對於ARGs，產物中重金屬和礦物組分包括鳥糞石、K型鳥糞石以及無定形磷酸鈣具有影響，但每個因素的影響效果均不顯著，這可能是多種因素共同作用的結果。

這一研究結果表明，廢水資源回收時可能存在抗生素抗性的轉移和在環境中傳播的風險，而要阻斷這一風險需要區別考慮影響抗生素和抗性基因轉移的重要因素。

圖3 養豬廢水磷回收過程中抗生素抗性基因傳播

參考文獻：

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.

來源：中國科學院城市環境研究所