胡嘯威，沈夢楠，楊 帆，胡 藝，卜小丹，陳 濤，蔡 航，劉青宇，張 明

（1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林長春 130118；2.長春水務(wù)集團(tuán)城市排水有限責(zé)任公司，吉林長春 130118）

自20世紀(jì)40年代以來，越來越多的抗生素被制造和臨床使用。其高消耗、不正確的處理方法，以及人類和動物的排泄導(dǎo)致抗生素及其代謝物進(jìn)入環(huán)境中。在環(huán)境中，抗生素不僅可以對生物產(chǎn)生直接的毒性作用，更重要的是它們能夠引起耐藥菌的產(chǎn)生，同時產(chǎn)生抗性基因（ARGs），對人體健康和抗生素藥物的療效造成威脅。人類生產(chǎn)生活及抗生素廢棄物處置等過程所產(chǎn)生的廢水，最終均會經(jīng)管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠，污水處理廠也因此被視為ARGs 的蓄水池。污水處理廠在ARGs 遺傳重組、傳播擴(kuò)散中發(fā)揮了重要作用，且常規(guī)生物處理不能完全消除ARGs。同時，將剩余污泥用作農(nóng)業(yè)肥料也會增加ARGs 在環(huán)境中的負(fù)荷。因此，污水處理廠是ARGs 進(jìn)入環(huán)境的重要途徑。了解污水處理廠中ARGs 的分布規(guī)律和作用機(jī)制，能更好地解決ARGs 污染問題。

1 污水處理廠中ARGs的分析方法

目前，分析污水處理廠中ARGs 水平主要有兩種方式，一是基于培養(yǎng)的方法，二是基于分子生物學(xué)方法。基于培養(yǎng)的方法是了解分離物表型特征及其耐藥模式的關(guān)鍵，但是因?yàn)榭膳囵B(yǎng)部分僅占總數(shù)的1%，所以對環(huán)境細(xì)菌有限制?；跇颖局蟹蛛x總DNA 并使用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)檢測編碼ARGs 的特定核苷酸序列的分子生物學(xué)方法，是目前較為常用的ARGs 分析手段。該方法可用于識別實(shí)驗(yàn)室無法生長或繁殖速度很慢的微生物中的特定DNA 目標(biāo)，核酸提取過程和分離DNA 的質(zhì)量對于后續(xù)PCR 基因檢測至關(guān)重要。

如今，高通量測序技術(shù)是研究微生物群落多樣性和基因表達(dá)的重要工具，下一代測序技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)。越來越多的研究利用高通量測序檢測污水中的ARGs，與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，高通量測序手段不受特定引物可用性的限制，對未知目標(biāo)污染物檢測具有優(yōu)勢。然而需要注意的是，通過下一代測序進(jìn)行的宏基因組和轉(zhuǎn)錄組分析需要參考細(xì)菌基因組的數(shù)據(jù)庫來比較基因序列和基因活性。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量使該方法具有一定的局限性。

2 污水處理廠中ARGs的賦存現(xiàn)狀

污水處理廠中的生物處理單元由于微生物密度高、種群結(jié)構(gòu)豐富，營養(yǎng)物質(zhì)含量充足，同時微生物長期暴露在低濃度抗生素選擇壓力下，使得抗生素抗性基因可通過基因水平轉(zhuǎn)移，污水處理系統(tǒng)中擴(kuò)散、傳播，因此，ARGs 在污水處理廠中廣泛存在。Zhao 等[1]使用宏基因組技術(shù)，對中國東部農(nóng)村地區(qū)的6個污水處理廠中進(jìn)水和出水的ARGs 進(jìn)行分析，結(jié)果在進(jìn)水樣本中鑒定出66種ARGs，主要包括桿菌肽、四環(huán)素、磺胺和青霉素類ARGs，相對豐度分別為27.8%、8.7%、6.2% 和 3.9%；在出水樣本中鑒定出64 種ARGs，主要包括桿菌肽、四環(huán)素、磺胺和青霉素類。研究者利用宏基因組技術(shù)，對分布于中國17個主要城市的32個污水處理廠中ARGs 分布進(jìn)行分析[2]，結(jié)果表明，在污水處理廠中ARGs 分布呈現(xiàn)明顯的時空差異，在同一水廠中豐度也存在季節(jié)性變化。Ocean 等[3]利用熒光定量PCR 技術(shù)，檢測了尼泊爾加德滿都谷地的城市河流、醫(yī)院和城市廢水中的ARGs（sul1、tet（B）、blaCTX-M、blaNDM-1、qnrS）和一類整合子（intI1）基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污水處理廠和醫(yī)院污水中的ARGs 濃度在6.2～12.5 log10copies/L，說明污水處理廠和醫(yī)院廢水在ARGs 傳播中扮演重要的角色。Shahbaz 等[4]利用宏基因組測序技術(shù)，對韓國12個城鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水和出水中ARGs 進(jìn)行鑒定分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水中存在165～725種ARGs，出水中存在124～548種ARGs，在所有污水處理廠中，進(jìn)水中ARGs 的豐度普遍高于出水，然而有5個污水處理廠的出水ARGs 豐度高于進(jìn)水，表明大部分污水處理廠的處理工藝可以去除一定量的ARGs，然而在處理過程中也可能使富集在污泥中的ARGs 重新進(jìn)入水體，這一現(xiàn)象值得關(guān)注。有研究者整理了2007年至2019年美國、加拿大、芬蘭、葡萄牙、意大利、德國、捷克、比利時、中國和沙特阿拉伯等國家的污水處理廠進(jìn)水和出水中ARGs 的豐度，發(fā)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)中β-內(nèi)酰胺類（blaTEM）、大環(huán)內(nèi)酯類（ermA、ermF）、磺胺類（sul1）、四環(huán)素類（tetM、tetQ）、喹諾酮類（qnrS）抗性基因和1類整合子普遍存在[5]。上述研究結(jié)果表明，污水處理系統(tǒng)是ARGs 的巨大儲庫，污水處理系統(tǒng)中的ARGs 污染已成為全球性問題。

3 污水處理廠中ARGs去除技術(shù)

目前全球有90%以上的市政污水處理廠采用生物處理工藝，常用的生物處理技術(shù)有活性污泥法、膜生物反應(yīng)器和人工濕地等。研究表明，活性污泥工藝對進(jìn)水中的抗性菌和抗性基因有顯著的削減作用。Eric等[6]檢測了威斯康星州的2個采用活性污泥工藝的污水廠中的抗性基因含量，發(fā)現(xiàn)出水中抗性基因豐度顯著低于進(jìn)水豐度，表明活性污泥工藝能起到削減抗性基因的作用。有研究在對ARGs 的豐度和去除研究的基礎(chǔ)上更加關(guān)注不同處理工藝對ARGs 的去除效果，以求相關(guān)研究結(jié)果為污水處理廠的針對性改建提供參考。Lin 等[7]針對不同處理工藝對ARGs 的去除效果研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A2/O-MBR 工藝和A2/O-HEFS/CMF都可以有效地降低ARGs 的多樣性和濃度，但是A2/O-MBR 工藝對ARGs 的去除效率更高。Sabri 等[8]對荷蘭3家不同處理工藝的污水處理廠（常規(guī)活性污泥處理、常規(guī)活性污泥處理+AC 過濾、好氧顆粒污泥）中ARGs 的去除進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，三個污水處理廠中進(jìn)水ARGs 絕對豐度分別為4.6×105～1.1×108、1.5×105～3.1×107、4.3×105～1.4×107copies/L。其中采用好氧顆粒污泥工藝的污水處理廠中ARGs 降低了2.3個數(shù)量級，采用常規(guī)活性污泥處理工藝的污水處理廠中ARGs 降低了2個數(shù)量級，采用常規(guī)活性污泥處理+AC 過濾工藝的污水處理廠ARGs 降低了1.3個數(shù)量級。但是，這些減少的抗性菌和抗性基因主要被污泥吸附，并未得到真正地去除，依然可能會隨著污泥的再利用而進(jìn)入土壤環(huán)境，威脅人類健康。Xu 等[9]研究了不同溫度下（35℃～55℃）厭氧消化污泥系統(tǒng)中ARGs 的變化，結(jié)果表明與嗜溫污泥（35℃）相比，嗜熱污泥（55℃）可更好地去除四環(huán)素、大環(huán)內(nèi)酯、青霉素等類抗性基因，這些基因的去除率達(dá)到29.7%～32.3%。這是因?yàn)槲勰鄿囟壬邥?dǎo)致編碼抗生素外排泵的基因減少、多重耐藥細(xì)菌大量地被殺死和污泥系統(tǒng)中微生物群落多樣性的喪失。因此，在污泥排入環(huán)境之前可以對污泥加熱升溫來削減污泥中的部分ARGs。

4 結(jié)束語

污水處理系統(tǒng)是ARGs 的巨大儲庫，系統(tǒng)中ARGs 污染問題十分嚴(yán)重，若不引起重視將會危及周圍環(huán)境及人類健康。污水處理廠中ARGs 的研究方法各有優(yōu)勢，需要結(jié)合樣品特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)來合理選擇適當(dāng)?shù)姆椒?。生物處理雖然可降低ARGs 的豐度，但起主要作用的仍然是物理吸附，ARGs 并未從根本上去除，ARGs 能在污泥中富集，使得污水處理廠真正成為ARGs 污染的“發(fā)源地”。目前，污水處理工藝能夠削減出水中抗性基因，但剩余污泥中抗性基因豐度卻十分高，因此，有效處理剩余污泥，控制抗性基因在環(huán)境中的擴(kuò)散需要深度研究。