侯 偉 孫 莉 楊 曉 胡 芳 孫韶華 趙清華 賈瑞寶#

(1.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250101；2.德州宏德煤炭質(zhì)量檢測(cè)有限公司，山東 德州 253000)

抗生素是20世紀(jì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、養(yǎng)殖等行業(yè)，為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。但抗生素進(jìn)入人體或動(dòng)物體內(nèi)后并不會(huì)被全部吸收，而有很大一部分會(huì)隨排泄物排出體外，隨地表徑流、土壤滲透等作用進(jìn)入江河水、湖庫(kù)水和地下水等環(huán)境水體中，成為城市供水水源中抗生素抗性基因(ARGs)的重要來(lái)源[1-3]。2006年，PRUDEN等[4]正式提出將ARGs列為一類(lèi)新興污染物，開(kāi)始受到人們的關(guān)注與重視。ARGs具有“可復(fù)制”“可傳播”“不易消亡”等特點(diǎn)，在環(huán)境中可持久性殘留、遷移和傳播，因此ARGs往往比抗生素本身對(duì)人類(lèi)健康的危害更大[5]。微生物基因組中的可移動(dòng)遺傳元件(如質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子、整合子)可通過(guò)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合等方式對(duì)ARGs進(jìn)行傳播擴(kuò)散[6]。

城市飲用水水質(zhì)安全關(guān)系到居民健康，之前有關(guān)水質(zhì)安全的研究主要涉及的污染物是營(yíng)養(yǎng)鹽[7]、重金屬[8]、持久性有機(jī)污染物(POPs)[9]、消毒副產(chǎn)物及其前體物[10]等。近些年，由于在不同供水水源中不斷檢測(cè)出多種ARGs，全球各地開(kāi)始對(duì)供水水源中ARGs的存在及含量高度關(guān)注，并對(duì)飲用水廠處理工藝提出了更高的要求[11-12]。因此，掌握城市供水水源中ARGs的種類(lèi)、含量等特征，探索飲用水廠適宜的ARGs去除工藝，成為了保障居民飲用水安全方面新的研究熱點(diǎn)。本研究針對(duì)城市供水水源ARGs污染及去除這一重大問(wèn)題進(jìn)行了綜述，并對(duì)今后的研究重點(diǎn)及方向提出建議和展望，有助于揭示ARGs在城市供水系統(tǒng)中的分布規(guī)律。

1 城市供水水源中ARGs污染的研究進(jìn)展

近年，在江河水、湖庫(kù)水和地下水等供水水源中檢測(cè)出了ARGs[13]。江河水、湖庫(kù)水和地下水作為城市的主要供水水源，其中的ARGs污染及其引發(fā)的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起學(xué)者和管理者們的重視。以下總結(jié)了江河水、湖庫(kù)水和地下水等供水水源中ARGs的主要種類(lèi)、檢出頻率、檢出豐度等信息。

1.1 江河水

在我國(guó)的城市供水水源中，江河水中抗生素質(zhì)量濃度超過(guò)了7 560 ng/L，平均也達(dá)到了303 ng/L[14]。由于大量抗生素的存在而誘發(fā)了ARGs污染。目前，我國(guó)的重要江河水中都檢出了多種ARGs。楊繼平等[15]對(duì)天津海河中的磺胺類(lèi)ARGs進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，sul1最大豐度達(dá)到8.5×105拷貝數(shù)/mL，sul2達(dá)到1.4×107拷貝數(shù)/mL。JIANG等[16]在黃浦江中檢出了2種磺胺類(lèi)ARGs、8種四環(huán)素類(lèi)ARGs和1種β-內(nèi)酰胺類(lèi)ARGs，豐度為36.60～1.62×105拷貝數(shù)/mL。ZHENG等[17]在浙江張溪河檢測(cè)并分析發(fā)現(xiàn)，ARGs豐度受溫度影響比較明顯，一年中夏季豐度最高，達(dá)到2.81×106拷貝數(shù)/mL。STOLL等[18]在德國(guó)萊茵河中檢出了20多種ARGs，其中磺胺類(lèi)ARGs檢出頻率最高，達(dá)到77%～100%。PRUDEN等[19]在美國(guó)科羅拉多州的多條河流中檢出了四環(huán)素類(lèi)ARGs和磺胺類(lèi)ARGs，并發(fā)現(xiàn)從上游至下游sul1的豐度呈逐漸增加的趨勢(shì)。以上研究表明，在城市供水水源中，江河水已成為了ARGs的一個(gè)主要儲(chǔ)庫(kù)，檢出種類(lèi)多、檢出頻率高、檢出豐度大，但存在很大的時(shí)空差異。

1.2 湖庫(kù)水

湖泊和水庫(kù)在我國(guó)很多地區(qū)是非常重要的供水水源，但是湖泊和水庫(kù)由于往往兼具觀光、灌溉等多種功能而容易受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，因此很容易積累和傳播ARGs。YANG等[20]對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的洞庭湖、陽(yáng)澄湖等15個(gè)代表性湖泊進(jìn)行了ARGs污染調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所有湖泊均受到了不同程度的ARGs污染，以磺胺類(lèi)ARGs和四環(huán)素類(lèi)ARGs的分布最為廣泛，其中tetG的分布最廣，每個(gè)16S rRNA發(fā)現(xiàn)了4.74×10-3拷貝數(shù)。ZHANG等[21]對(duì)我國(guó)京津冀地區(qū)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)的供水水庫(kù)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，潘家口水庫(kù)和官?gòu)d水庫(kù)均檢出高豐度的ARGs，其中sul1、tetM和ermB的檢出頻率均為100%，豐度在106～108拷貝數(shù)/mL數(shù)量級(jí)。GRAHAM等[22]在古巴某水庫(kù)中檢出了3種β-內(nèi)酰胺類(lèi)ARGs、2種紅霉素類(lèi)ARGs和5種四環(huán)素類(lèi)ARGs。XI等[23]調(diào)查顯示，美國(guó)的24座大型城市供水水庫(kù)中均發(fā)現(xiàn)含有ARGs，這些水庫(kù)的供應(yīng)人數(shù)至少有4 000多萬(wàn)。由此可見(jiàn)，世界各地的湖庫(kù)水也已不同程度地受到了ARGs的污染，即使常規(guī)的理化指標(biāo)和生物指標(biāo)達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，仍然存在很大ARGs檢出風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)及人體健康的潛在危害不容忽視。

1.3 地下水

ARGs可隨地表徑流、土壤滲透作用等方式進(jìn)入地下水，使得地下水中也頻繁檢出ARGs[24]。KOIKE等[25]連續(xù)3年對(duì)美國(guó)多個(gè)養(yǎng)豬場(chǎng)周?chē)牡叵滤M(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)tetM、tetQ、tetW等7種四環(huán)素類(lèi)ARGs豐度為1.00×105～2.71×106拷貝數(shù)/mL，說(shuō)明養(yǎng)殖場(chǎng)中抗生素的大量使用，已導(dǎo)致周?chē)叵滤艿紸RGs污染。KNAPP等[26]研究發(fā)現(xiàn)，地下水由于大部分處于低溫、黑暗條件，不利于ARGs的降解，因此地下水很可能是ARGs的另一重要儲(chǔ)庫(kù)。但是，目前有關(guān)地下水中ARGs的研究還相對(duì)較少，為全面評(píng)價(jià)ARGs對(duì)供水水源的污染現(xiàn)狀，地下水中的ARGs研究也不可忽視。

2 飲用水廠對(duì)ARGs的去除

供水水源中的ARGs經(jīng)飲用水廠處理后并不能完全去除，不同的飲用水處理工藝對(duì)ARGs的去除效果差異很大，其中微生物基因組中的可移動(dòng)遺傳元件對(duì)ARGs的傳播和擴(kuò)散起到很大作用，有些ARGs甚至在經(jīng)過(guò)飲用水處理工藝處理后出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象，因此需加強(qiáng)飲用水廠中飲用水處理工藝對(duì)ARGs去除效果的研究，以最大限度地控制ARGs對(duì)人類(lèi)健康的影響。

2.1 常規(guī)處理工藝

混凝、沉淀、砂濾等是飲用水的常規(guī)處理工藝，其中混凝、沉淀是ARGs去除的關(guān)鍵階段[27]。投加混凝劑使原水中懸浮物、有機(jī)物等與游離的抗性細(xì)菌(ARB)結(jié)合形成大分子聚合物，經(jīng)沉淀處理后，攜帶ARGs的ARB得到消減，從而使飲用水中的ARGs豐度大幅降低。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，飲用水廠混凝工藝對(duì)ARGs的平均去除率可達(dá)42.5%～84.2%[28]629。張啟偉等[29]以聚合氯化鋁和聚合硫酸鐵作為混凝劑，在投加量分別為0.85、0.50 mmol/L時(shí)，對(duì)水中各類(lèi)ARGs的去除量都明顯提高。LI等[30]向水中投加氯化鐵或聚合氯化鐵進(jìn)行混凝，發(fā)現(xiàn)對(duì)各種ARGs的去除效果優(yōu)于人工濕地、曝氣生物濾池和紫外消毒。有研究發(fā)現(xiàn)，飲用水廠中原水經(jīng)過(guò)混凝處理后，ermB豐度明顯下降，但經(jīng)砂濾處理后，部分ARGs豐度卻有所升高，這可能是由于濾料表面附著的生物膜因老化脫落進(jìn)入水中所致[31]。以上結(jié)果表明，飲用水廠的混凝、沉淀、砂濾等常規(guī)處理工藝基本上可對(duì)ARGs進(jìn)行有效去除，但也存在一些不確定因素。目前，對(duì)于飲用水廠中混凝、沉淀、砂濾等常規(guī)處理工藝對(duì)ARGs或ARB的去除機(jī)制研究較少，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)這一領(lǐng)域的研究。

2.2 消毒處理工藝

消毒處理工藝主要可通過(guò)滅活A(yù)RB來(lái)去除飲用水中的ARGs。目前，飲用水廠多采用臭氧消毒、加氯消毒。臭氧接觸單元主要可以消除水中的有機(jī)物、病毒和細(xì)菌，但只對(duì)部分ARGs有一定的去除效果，難以明顯降低或徹底去除ARGs。RIVERA UTRILLA等[32]發(fā)現(xiàn)水中磺甲硝咪唑與臭氧接觸并進(jìn)入活性炭柱后，磺甲硝咪唑含量會(huì)明顯下降，從而可降低誘導(dǎo)產(chǎn)生ARGs的可能性。XU等[33]報(bào)道稱，錢(qián)塘江某飲用水廠的臭氧消毒處理工藝僅能使四環(huán)素類(lèi)ARGs稍有降低(去除率約為20.57%)，而其他種類(lèi)的ARGs反而會(huì)增加。加氯消毒是飲用水廠最普遍采用的消毒方式，由于余氯對(duì)膜外蛋白基因和脫氧核糖核酸(DNA)轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因表達(dá)會(huì)產(chǎn)生抑制作用而可有效降低ARGs可移動(dòng)遺傳元件，從而可降低ARGs的豐度[34]。但SHI等[35]發(fā)現(xiàn)，加氯消毒后empC、ermA、ermB等7種ARGs含量升高。以上結(jié)果表明，消毒處理工藝對(duì)ARGs去除也存在不確定性。

2.3 深度處理工藝

活性炭由于其發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附作用，因此活性炭吸附是一種穩(wěn)定高效去除一些污染物的水處理工藝，可以作為去除ARGs的深度處理工藝，但單獨(dú)處理對(duì)ARGs的去除效果并不理想。研究表明，磺胺類(lèi)ARGs(如sul1、sul2)、四環(huán)素類(lèi)ARGs(如tetA、tetG)、萬(wàn)古霉素類(lèi)ARGs、β-內(nèi)酰胺類(lèi)ARGs、氯霉素類(lèi)ARGs和大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)ARGs經(jīng)活性炭吸附后豐度甚至?xí)撸霈F(xiàn)這種情況的原因可能是因?yàn)槲皆诨钚蕴勘砻嫔锬ど系奈⑸镛D(zhuǎn)移或誘導(dǎo)了ARGs[28]627。除活性炭吸附外，目前研究較多的飲用水深度處理工藝主要還有膜過(guò)濾、高級(jí)氧化等。汪清等[36]研究了納濾膜和反滲透膜對(duì)水中四環(huán)素類(lèi)ARGs的去除效果，發(fā)現(xiàn)納濾膜和反滲透膜對(duì)四環(huán)素及四環(huán)素類(lèi)ARGs的去除效果均較為理想。B?CKELMANN等[37]認(rèn)為，超濾膜對(duì)某些種類(lèi)的ARGs也有一定的去除效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超濾膜處理后磺胺類(lèi)ARGs和四環(huán)素類(lèi)ARGs豐度有所減少，但對(duì)其他ARGs沒(méi)有去除效果甚至還有增加的可能。

飲用水廠對(duì)ARGs的去除效果的不確定性主要與各飲用水廠的來(lái)水水質(zhì)、工藝流程等情況相關(guān)，由此可見(jiàn)ARGs的去除是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。因此，要不斷對(duì)飲用水處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，以最大程度地去除水中的抗生素及ARGs，達(dá)到遏制其傳播和擴(kuò)散的目的，從而降低其對(duì)水體的污染以及對(duì)人體的危害。

3 建議與展望

(1) 目前已有大量學(xué)者開(kāi)展水環(huán)境中ARGs來(lái)源、分布、傳播規(guī)律以及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究，但在飲用水供水系統(tǒng)中的ARGs傳播和擴(kuò)散機(jī)制尚缺乏足夠研究，在抗生素及ARGs的環(huán)境行為和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究也較為欠缺，針對(duì)ARGs的生態(tài)環(huán)境安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制也尚未形成系統(tǒng)的體系。因此，有必要進(jìn)一步深入研究ARGs在城市供水水源中的分布特征、環(huán)境歸趨、消減規(guī)律等，尤其是各種環(huán)境因素和其他污染物對(duì)其轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散的影響、作用機(jī)制，以找到有效遏制其轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散的方法。

(2) 飲用水廠是去除飲用水中ARGs的關(guān)鍵，決定著ARGs是否會(huì)通過(guò)飲用水途徑進(jìn)入人體，因此有必要加快研究和改進(jìn)水處理工藝對(duì)ARGs的去除，解決其中的不確定性，利用組合工藝的優(yōu)勢(shì)探尋更加高效實(shí)用的ARGs控制和處理工藝。更進(jìn)一步，建議加強(qiáng)環(huán)境因素(如溫度、光照等)和不同組合工藝在不同工況條件下對(duì)ARGs轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散的影響及機(jī)制研究，以遏制ARGs在飲用水中的傳播，保障飲用水安全。