污水深度处理工艺对抗性细菌和抗性基因去除研究进展

污水深度处理工艺对抗性细菌和抗性基因去除研究进展

武发竹

（合肥工业大学，安徽省合肥市，230009）

摘要：抗生素被认为是一类新兴的环境污染物，其过度使用已导致环境中抗生素抗性细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）的大量出现和广泛传播。城市污水处理厂出水是释放到环境中ARGs的主要来源。ARGs的存在不但会破坏水体生态环境，同时还会通过多种途径进入人体，威胁人体健康、食品和饮用水安全。本文综述了多种深度处理工艺对ARB和ARGs的去除研究进展，比较分析了去除效果差异及存在问题。在此基础上对今后深度处理工艺去除ARB和ARGs的重点关注方向提出了建议，以期为深度处理工艺控制ARB和ARGs提供参考。

关键词：污水、深度处理工艺、抗生素抗性细菌、抗生素抗性基因

抗生素自从被发现以来，已被广泛用于医疗、畜牧业、水产养殖等领域，到目前为止抗生素不规范不合理的使用已经十分突出，据统计，在中国2013抗生素使用量约为16.2万吨，其中36种常用抗生素的总使用量为92700吨[1]。环境中大量残留的抗生素促进了抗生素抗性菌（ARB）和抗性基因（ARGs）的产生和传播。废水作为环境中ARB和ARGs的汇集地，在改变环境中ARB和ARGs的丰度和分布方面发挥着重要作用。尽管经过污水处理厂处理，但ARGs仍可能在下游河流中高浓度存在[2]。污水厂的处理出水是城市水循环过程中的重要水体，因此对污水出水中ARB和ARGs进行深度处理是十分必要的，本文综述了近年来深度处理工艺在去除ARB和ARGs方面的研究。

1消毒工艺

氯消毒是最常用的消毒方法，因为它应用简单，灭活能力高，成本相对较低。常用的氯消毒剂有Cl2、NaClO，Ca(ClO)2、Ca(OCl)2，由于各种实验条件的影响，污水处理厂的氯化效果一直存在争议。研究表明，在4 mg Cl2/L游离氯处理30 min（CT值为120 mg Cl2·min·L−1）后，检测到的282种ARGs和13种可移动遗传元件（MGEs）均显著减少，显示出高效率的去除效率[3]。然而，Yuan等研究结果显示，在CT值为15 mg Cl2·min·L−1时，水体80%的四环素耐药基因和40%的红霉素耐药基因不能被氯消毒去除，即使CT值继续增加到300 mg Cl2·min·L−1，ARGs也没有显著降低[4]。同时研究还发现，氯消毒处理过程会产生消毒副产物（DBPs）诱导抗生素耐药性的产生，增强ARB的耐药性。由于上述研究结果的差异，使得我们对氯消毒工艺的客观评价产生了影响。

紫外线消毒是最常用的废水深度处理工艺之一，它能有效地消毒并且几乎不会产生副产物，同时对水处理和输送系统相对无腐蚀性。研究表明，紫外消毒可以使ARGs降低0.8-1.21 log单位，Kim也研究发现，紫外消毒能够让四环素耐药细菌从102-103 copies/mL下降到101-102copies/mL[5]。然而，许多研究表明，紫外线在实际应用中不如预期的有效，研究表明，实际污水处理厂中的紫外线工艺几乎不能去除tetM，tetO，tetQ，tetW，sulI，sulII,，intI1等抗生素抗性基因。同时在实验室规模的实验中，紫外线剂量一般高于污水处理厂，污水处理厂紫外照射强度一般低于100 mJ/cm2。因此，在相同的条件下，氯化消毒工艺在大多数情况都比紫外消毒具有更好的效果。

臭氧是一种强氧化剂，能产生羟基自由基，通过生化氧化与臭氧接合达到杀菌效果。臭氧首先破坏细胞壁，然后通过细胞膜组织渗透到细胞中，最终氧化细菌内部分解葡萄糖所需的酶，直接破坏细胞器和DNA、RNA。和氯消毒及紫外消毒类似，虽然臭氧消毒可以减少ARGs约1.68-2.55 log单位[6]，且臭氧消毒去除ARB的效果是显著的，但存在ARB再生和复活现象，需要高剂量才能去除ARGs[7]。此外，臭氧处理价格昂贵，其副产品溴酸盐是潜在的人类致癌物的。另外，Alexander等指出，尽管臭氧处理可以使红霉素耐药基因ErmB减少2个数量级，但在幸存的细菌中，细菌对万古霉素和亚胺培南类的抗性基因增加[8]。

2高级氧化工艺

高级氧化工艺（AOP）的特点是在特定的反应条件下产生羟基自由基，羟基自由基是仅次于氟的第二强氧化剂，可将化学物质氧化和降解为低毒或无毒的小分子物质。Fenton反应、光催化和臭氧化等是相对环境友好型高级氧化工艺，不仅已成功地应用于处理传统的化学污染物，而且还用于去除细菌、病毒和新兴物质。据我们所知，尽管AOP可能是去除抗生素耐药性的潜在有效选择，但只有少数研究通过AOP基于分子的分析来去除ARGs，而且仍处于实验室规模。Guo等研究发现，TiO2对ARB的失活和ARGs的去除都有很大的影响。在6 mJ/cm2和12mJ/cm2的紫外照射强度下，TiO2可使ARB分别降低4.5-5.0 log

单位和5.5-5.8 log单位。研究还发现，增加H2O2投加量可以提高ARB和ARGs的去除效率。结果还表明，二氧化钛光催化对细菌胞内和胞外ARGs均有去除效果[9]。Zhang等研究发现，在pH为3.5、H2O2浓度为0.01mol/L的UV/H2O2过程中，结合30分钟的紫外线照射，检测的所有ARG都减少了2.8-3.5log[10]。值得注意的是，虽然光催化氧化过程可以对ARGs具有很高的去除效率。然而，研究发现，虽然光催化对水体ARB和胞内ARGs的去除效率很高，但对水悬浮液中的ARGs去除并不明显。

研究发现，在适当的投加量下，Fe2+/H2O2工艺可以实现对sulI、tetX和tetG等ARGs去除量达2.58-3.79log单位，其效果略好于UV/H2O2。有研究比较了包括消毒、混凝、紫外线照射、UV/氯化和芬顿氧化，得出的结论是，Fenton氧化法对ARGs去除效率最高，可以实现去除量达2.42-3.48log单位左右[6]。另外，Yunus采用N,N'-乙二胺二琥珀酸（EDDS）改进光-芬顿催化工艺，在小剂量条件下即可使ARB在30min内降低6log单位，48h后未见ARB再生长，表明该工艺能够有效去除ARB。值得注意的是，光催化工艺对难以去除的胞外ARGs在10min内可降低6log单位。这项研究表明，改进后的工艺是一种良好的抗性细菌及抗性基因去除方案[11]。综上，高级氧化是一种新型的水处理工艺，如能解决成本高、无法大规模运用等关键难题，未来将具有非常广阔的前景。

3混凝工艺

混凝沉淀及过滤是污水处理厂深度处理中的常用工艺，水体中所含的悬浮物、有机物、胶体、抗性细菌及抗性基因能够在混凝作用下凝聚成团后大部分通过沉淀去除，剩余部分污染物能够在过滤工艺中通过滤料物理截留或滤料表面生物膜进行生物降解。Li等通过对混凝工艺中的磺胺类抗性基因sulI、sulII，四环素抗性基因tetO，tetW，tetQ及整合子基因intI1进行的测定，结果显示FeCl3和PFC两种混凝剂对上述抗性基因均匀良好的去除效果，去除率可达0.5-3.1log单位[12]。Sangki等通过在初级处理中使用混凝进行预处理，有效降低了抗性基因丰度，缓解了后续工艺的处理负荷[13]。同时，有研究表明，硫酸铝及生物废弃物混凝剂能够降低总异养菌和耐阿莫西林、环丙沙星等抗性细菌数目1-2log单位[14]。另外，研究发现，通过采用高铁酸盐作为混凝剂能够有效降低ARB及ARGs丰度，在高剂量的高铁酸盐作用下，能够使ARB丰度最高下降6log单位，同时胞外ARGs的去除率为4.44 log单位[15]。总的来说，混凝工艺是去除水体ARB及ARGs的有效方式。由于混凝工艺容易开展实施，同时运行成本低，同时无需在水厂增添新的处理工艺，因此，混凝在运用在去除抗性细菌及抗性基因的方面具有良好的前景。

4过滤工艺

过滤工艺由于对水体污染物具有良好的截留效果，同时具有去除可生物降解有机物、氨氮和硝酸盐等污染物的潜力，在水处理中得到了广泛的应用。现有的关于过滤过程对抗生素抗性的影响的结果好坏参半，部分研究报道了过滤能够有效削减抗生素抗性（ARs），而另一些研究则发现去除效果有限，甚至出现上升。Xu等通过对石英砂、活性炭、活性炭组合滤料及无烟煤石英砂组合滤料四种滤料的过滤工艺对比发现，过滤工艺能够使抗性基因的绝对丰度下降0.9log单位。但是抗性基因的相对丰度出现了上升趋势[16]。Xu等研究还发现，使用生物活性炭处理增加了ARGs的相对丰度，过滤后检测到的ARGs数量从76个增加到150个。这可能是由于生物活性炭表面形成的生物膜促进了ARGs的转移[17]。

5总结与展望

相较于传统污水处理工艺，深度处理在去除ARB和ARGs效果显著，但不同报道中去除差异较大。处理工艺停留在实验室规模的研究，在实际应用中去除效果仍不明确；多数效果较佳的处理工艺伴随着高昂的运行花费；部分研究更多的关注去除现象，缺乏对去除机制的深入研究。今后，在深度处理工艺对ARB和ARGs方面，可以从以下几方面进行深入研究：

（1）综合考虑处理工艺运行的实际条件，如微生物的种类和丰度、水体理化特性以及当地的气候条件等。

（2）探究高效低耗且能稳定运行的处理工艺，提高高效处理工艺的实际运用前景。

（3）深入研究深度处理工艺在去除ARB和ARGs过程中的机制，为优化处理效果提供坚实的理论基础。

（4）在探究深度处理工艺去除ARB及ARGs的同时，也应当考虑去除过程带来的潜在风险，如抗性细菌的再生、抗性基因水平转移等。

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作者简介：武发竹（1996-），男，云南楚雄，硕士研究生，水处理系统中抗性细菌和抗性基因