不同调理污泥堆肥土地利用过程中抗生素抗性的变化研究开题报告

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1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1.选题意义自青霉素（penicillin）问世以来，抗生素药物被广泛的应用于人类和动物的传染病治疗^[1]。如今，养殖业的不断发展，人类疾病的多样化都离不开抗生素药物的使用，但并非没有潜在威胁。抗生素耐药性(Antibiotic Resistance)是一种自然现象，30亿年前细菌出现时便已经存在^[2]。但是，随着抗生素的大量生产、使用、甚至滥用，抗生素和抗性基因（耐药性）污染已经成为21世纪环境、卫生领域最严峻的挑战。抗生素抗性菌尤其是多重抗性菌(又称超级细菌‘superbug’ ^[3])一旦入侵人体，就有可能使人体对某种甚至多种抗生素产生抗性。据估计美国每年约23000人死于抗生素抗性菌，欧洲也多达约25000人死于抗生素抗性菌，在一些欠发达国家和地区每年死亡人数高达数十万^[4]。抗生素抗性菌(Antibiotic Resistance Bacteria, ARB)以及抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes, ARGs)在传播和转移过程所带来的风险难以评估却具有潜在威胁，已被列为新型环境污染物^[5]。抗生素抗性广泛存在于制抗生素工厂废水，医疗废水，城市生活污水厂污水、污泥，畜禽养殖场生物堆肥、畜禽粪便^[6]以及自然水体、底泥等抗生素浓度高、微生物丰富、易于富集抗性菌及抗性基因的场所。对这些源头抗生素抗性的监控以及降低其传播能力是十分必要的。抗生素及其代谢产物在使用后一般直接排入市政污水系统^[7]，污泥作为污水处理系统的副产物，是最易于富集抗性菌及抗性基因的场所^[8]，其抗生素抗性贡献量远大于经过生化处理后的污水^{[9, 10]}。从2007年到2013年，中国的污泥产量以约13%的速度在逐年增长^[11]。据E20预测，2020年城镇湿污泥产生量将达到5292万吨。每年大量产生的污水污泥对抗生素耐药性的环境负担提出了挑战，急需无害化处理和资源化处置。由于污泥中含有丰富的有机质和营养物质，因此常被用作土壤肥料。Calero^[12]等人预计在2020年欧盟将有约44%的污水污泥用以土地利用（Land Application）。土地利用是一种处置污泥经济有效的方法。但是，污泥中富含的抗性基因也随之进入土壤中，引入的抗性基因对土壤这座微生物宝库而言，存在着基因水平转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)的风险。Lu Yanga B等人认为^[13]污泥堆肥的土地应用驱动了抗性基因在土壤-植物系统中的进化和传播，并可能通过食物链进入人体和动物体内。然而，关于污泥堆肥的土地利用方面的信息仍非常有限，这就迫切需要我们进一步的研究来全面评估和衡量抗生素耐药性传播和积累的风险。探究抗性菌及抗性基因在不同调理污泥土地利用过程中的归趋，对污泥土地利用产生的环境风险进行评估和控制具有十分重要的意义。2.国内外研究状况Vikesland等人^[3]提出了综合减少环境中抗生素抗性传播的策略，包括监控、风险评估和降低抗性菌、抗性基因传播。对抗抗生素耐药性的理想策略是减少抗生素耐药性细菌的进化和传播速度^[14]。对于污泥堆肥产品土地利用过程中抗生素抗性的变化研究，Burch等人^[15]认为恰当的污泥处理技术可以显著降低后续土地利用过程中抗性基因的持久性。高温厌氧消化、碱稳定化预处理污泥相对于中温厌氧消化等较为温和的预处理方法在模拟土地利用实验中抗性基因的消减更为明显。污泥脱水是污泥处置过程中必不可少的环节之一。但是，由于污泥的胶体特性，直接脱水效果不佳，在污泥机械脱水前进行调理会有效地提高污泥的脱水性能^[16]。不同的调理方法对抗性基因的去除效果有显著差异，郑冠宇等人^[17]比较了PAM、Fe[III]/CaO化学调理、生物沥浸和化学酸化等四种调理方法在去除污水污泥中抗性基因的有效性,结果表明，PAM化学调理对抗性基因的去除效果并不明显；Fe[III]/CaO化学调理和生物沥浸调理过程中，携带抗性基因的细菌宿主受到严重损伤，污泥中细菌总生物量减少，并能够有效清除胞外环境中的大部分抗性基因。然而，并非所有能够破坏细胞结构的调理方式都能有效去除胞外抗性基因，Liu等人^[18]指出，废水液氯消毒后甚至增加了胞外的抗性基因丰度，进一步增大了抗生素抗性在环境中传播的风险。Liu等人^[19]分析了不同土壤在污泥土地利用过程中抗性基因的变化趋势。污泥施进土壤后，大量抗性基因进入土壤，对微生物群落影响显著；抗性基因水平在处理后第22天显著下降，微生物群落的变化对红壤和黑土抗性基因的动态贡献更加明显。3.应用前景本研究立足于不同调理污泥堆肥模拟土地利用过程中微生物耐药性变化研究，探究施用污泥后，不同污泥堆肥产品在土地利用中微生物群落和抗性基因的变化趋势和差异性。对污泥堆肥土地利用进行风险评估，以期为我国每年产生的大量污泥的无害化和资源化利用提供参考依据。参考文献：[1] Pepper I L, Brooks J P, Gerba C P. 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2. 研究的基本内容和问题