彭愛倫,徐祖鈞,高明昌,李紅蘭,邱立平

(1.濟南大學土木建筑學院,山東濟南 250022;2.濟南大學水利與環(huán)境學院,山東濟南 250022;3.山東省功能材料水質凈化工程技術研究中心,山東濟南 250022;4.山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院,山東濟南 250101)

抗生素的頻繁使用導致其在不同水體中均有不同程度的檢出[1-2]。由于抗生素的過度使用和不完全代謝,誘導產生的抗性細菌和抗性基因可以在環(huán)境持久留存并擴散傳播,嚴重危害飲用水安全和公共健康[3-4],抗性細菌和抗性基因的潛在風險成為人們關注的焦點[5]。

黃河中下游由于周邊農業(yè)[6]、養(yǎng)殖業(yè)[7]等快速發(fā)展,黃河中下游流域抗生素被頻繁檢出[8]。當地水廠以黃河水作為飲用水原水,導致抗生素可能會進入水廠。水廠作為保障居民用水安全的主要屏障之一[9],了解水廠對抗性細菌和抗性基因的去除效果十分必要。因此,本研究選取黃河中下游地區(qū)某市以黃河水為原水的A、B兩個水廠為研究對象,分析水廠不同處理單元對典型抗性細菌和抗性基因的去除效果,主要包括:對比分析可培養(yǎng)總細菌、阿莫西林(AMX)抗性細菌和磺胺甲惡唑(SMZ)抗性細菌,以及2種磺胺類抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)、1種β-內酰胺類抗性基因(blaCTX-M)、整合子基因(intⅠ1)、16S rDNA基因在不同水處理單元中的去除效果。相關試驗結果可以為水廠的優(yōu)化運行提供數據支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑

試驗所用SMZ(USP)、AMX(USP)、酪蛋白氨基酸(BR)和丙酮酸鈉(BR)均購于源葉生物科技,葡萄糖(AR)購于天津大茂化學試劑,可溶性淀粉(GR)購于天津科密歐化學試劑,瓊脂粉(BR)、牛肉膏(BR)和蛋白胨(BR)購于北京奧博星,酵母提取物(AR)和胰蛋白胨(BR)購于英國OXOID,E.Z.N.A Soil DNA Kit(50 preps)購于美國Omega,pGM-T克隆試劑盒(20 preps)和質粒小提中量試劑盒(50 preps)購于中國天根生化科技,TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0(50 preps)購于日本TaKaRa。

1.2 水廠工藝與采樣方案

1.2.1 水廠工藝

本研究選取黃河下游某市A、B兩水廠為研究對象,兩水廠的水源水都來自于黃河某調蓄水庫。A、B兩水廠處理工藝如圖1所示。A水廠采用包括混凝、沉淀、過濾和消毒的飲用水常規(guī)處理工藝,B水廠除常規(guī)處理工藝外,還在V型濾池前設置了臭氧+活性炭池工藝。兩水廠的最終出水水質均可穩(wěn)定達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2022)的要求。

圖1 A、B水廠處理工藝

1.2.2 采樣方案

本試驗的采樣時間為6月(夏季)、10月(秋季)及12月(冬季),避開雨天及溫差較大的時間。選用10 L聚乙烯塑料桶作為采樣容器,消毒并用自來水沖洗,采樣前用待采水反復沖洗。取樣點分別為兩水廠混凝沉淀單元(A水廠折板絮凝+平流沉淀池,B水廠中置式高密度沉淀池)、臭氧氧化單元(B水廠臭氧接觸池)、過濾單元(A水廠V型濾池,B水廠活性炭池+V型濾池)、消毒單元(A水廠加氯消毒單元,B水廠加氯消毒單元)進出水口。

1.3 試驗檢測方法

1.3.1 細菌檢測方法

SMZ抗性細菌和AMX抗性細菌含量檢測方法:取50～100 μL稀釋后的水樣均勻涂布于64 mg/L SMZ R2A培養(yǎng)基和16 mg/L AMX R2A培養(yǎng)基[10],37 ℃下培養(yǎng)72 h,試驗進行3次取平均值,分別計算AMX抗性細菌和SMZ抗性細菌在水中的含量。

可培養(yǎng)總細菌量檢測方法:取50～100 μL稀釋后的水樣均勻涂布于無抗生素R2A培養(yǎng)基,在37 ℃下培養(yǎng)72 h,試驗進行3次取平均值,計算總細菌在水中的含量。

1.3.2 抗性基因檢測方法

本試驗選取sulⅠ、sulⅡ和blaCTX-M為目標基因,選取16S rDNA為參照基因。因為磺胺類和blaCTX-M的傳播與Ⅰ型整合子顯著相關[11-12],所以試驗測試intⅠ1作為參考。目標引物序列如表1所示[11,13-14]。PCR反應結束后采用超微量分光光度測定濃度并分析。

表1 目標引物序列

水樣中抗性基因的絕對定量和相對定量計算如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中:C——水樣中抗性基因的絕對量,mL-1;

C1——模板拷貝數,μL-1;

V1——DNA模板總量,μL;

V2——水樣體積,mL;

C2——16S rDNA的絕對量,μL-1;

C′——水樣中抗性基因的相對量。

2 常規(guī)給水處理單元對抗性細菌和抗性基因去除效果

2.1 混凝沉淀單元

2.1.1 對抗性細菌的去除效果

水廠混凝沉淀過程可以通過絮體包裹和直接凝聚等作用實現對細菌的有效去除[15-16]。如圖2所示,兩水廠混凝單元對3類細菌均具有一定去除效果,去除率為8.00%～52.85%,但是整體去除效能有限,且去除效能受季節(jié)變化影響明顯。A水廠對總細菌和AMX抗性細菌的去除效率在秋季明顯高于夏冬季節(jié),但是對SMZ抗性細菌的去除效率隨溫度降低逐漸降低。B水廠中置式高密度沉淀池在夏冬季節(jié)對各類細菌的去除率明顯優(yōu)于秋季,特別是夏季對SMZ抗性細菌的去除率達到78.54%。上述結果與原水在沉淀池的停留時間以及絮凝劑的種類和投加量有關[17]。類似的研究結果在劉善培等[15]的研究中也有報道,研究發(fā)現北方某水廠沉淀單元對細菌總數的去除率在50%～70%,說明常規(guī)混凝沉淀工藝對抗性細菌的去除效能有限。

圖2 混凝沉淀單元對抗性細菌去除效果

2.1.2 對抗性基因的去除效果

A、B水廠混凝沉淀單元對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果如圖3所示,兩種混凝單元對抗性基因的去除效果不明顯,基本低于0.3log。兩水廠混凝沉淀對sulⅠ與blaCTX-M的去除率隨著溫度的降低呈下降的趨勢,對sulⅡ的去除率隨著溫度的降低呈先下降后上升的趨勢,B水廠對這3種抗性基因的去除效果略優(yōu)于A水廠,但去除率仍在0.3log以下。兩水廠混凝沉淀對intⅠ1的去除率較低,年平均去除率分別為0.09log與0.01log。16S rDNA基因的去除率均隨著溫度的降低呈先降低后升高的趨勢,A水廠冬季時去除率最高,為0.22 log,B水廠夏季時去除率最高,為0.43 log。Zhang等[18]研究了實際水廠混凝沉淀單元對抗性基因的去除情況,發(fā)現抗性基因去除效率不足1log,證明了混凝沉淀單元對抗性基因不能實現有效去除。

圖3 混凝沉淀單元對抗性基因去除效果

2.2 臭氧氧化單元

2.2.1 對典型抗性細菌的去除效果

試驗中還對B水廠中間臭氧氧化單元對典型抗性細菌及抗性基因的去除效果進行探究。如圖4所示,臭氧氧化單元對可培養(yǎng)總細菌、AMX抗性細菌和SMZ抗性細菌都有一定的去除效果,且受季節(jié)影響,秋季這3類細菌的去除率均高于夏冬兩季,最高去除率分別為56.35%、71.70%和46.58%。已有文獻[19]報道臭氧能夠破壞分解胞內大分子聚合物,致使細菌生長代謝和繁殖遭到破壞。但是由于原水中含有大量有機物會競爭消耗臭氧[20],B水廠臭氧氧化單元不能完全去除3類抗性細菌。

圖4 臭氧氧化單元對抗性細菌去除效果

2.2.2 對典型抗性基因的去除效果

B水廠臭氧單元對5類抗性基因的去除效果如圖5所示。臭氧氧化單元對5種基因的去除率為0.22log～0.71log。sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率隨溫度的降低而降低,而sulⅠ的去除率隨著溫度的降低呈先降低后升高的趨勢,在冬季達到最高,為0.71log。Xia等[21]也探究了臭氧預處理對抗性基因去除效果,試驗結果發(fā)現,與對照反應器相比,采用臭氧預處理技術的反應器抗性基因相對豐度降低了70%以上。上述試驗結果說明臭氧氧化單元可以有效去除進水中抗性基因。

圖5 臭氧氧化單元對抗性基因去除效果

2.3 過濾單元

2.3.1 對抗性細菌的去除效果

已有文獻[22-23]報道顯示,水廠過濾單元對細菌去除效果受濾料、溫度等因素影響較大。兩水廠各濾池在不同取樣季節(jié)對3種可培養(yǎng)細菌的去除效果如圖6所示,對3類細菌的去除效果均較差。A水廠可培養(yǎng)總細菌和SMZ抗性細菌在夏季的去除率最高,AMX抗性細菌只在秋季具有去除效果,去除率為20.33%。在不同取樣季節(jié),B水廠對3類細菌都沒有去除效果。出現上述現象的原因主要有以下兩點:(1)濾料上會吸附有機物等營養(yǎng)物質,導致細菌大量繁殖,濾料上細菌生長率大于濾料截留率,出水細菌數量增加;(2)濾池濾料在運行過程中會形成生物膜,生物膜脫落后使水中的細菌數量增高[24]。Haig等[25]的試驗也表明了大腸桿菌的去除率與濾料的使用年限存在顯著負相關。同時,B水廠中活性炭池可能存在生物泄漏現象[26],導致出水中抗性細菌和抗性基因的數量明顯上升,后續(xù)的V型濾池的處理效果略優(yōu)于活性炭池。

圖6 過濾單元對抗性細菌去除效果

2.3.2 對抗性基因的去除效果

A、B水廠的過濾單元中進出水抗性基因總數與去除效果如圖7所示。A水廠過濾單元對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率均隨溫度降低逐漸減少,在冬季基本無去除效果。B水廠3個季對5類基因基本無去除效能?？傮w而言,兩水廠過濾單元對抗性基因去除效果較差,其中B水廠出水中基因數均超過進水。Guo等[27]的試驗也檢測到砂濾后四環(huán)素類抗性基因(tetA和tetO)有所增加。以上現象與抗性細菌去除效果相類似,基因絕對量隨著宿主細菌的增加而增加,即基因的子代縱向遺傳和基因的水平轉移[28],抗性細菌的保留也導致了抗性基因的去除效能較差,B水廠中活性炭池和V型濾池對抗性基因均無明顯去除效果。

圖7 過濾單元對抗性基因去除效果

2.4 消毒單元

2.4.1 對典型抗性細菌的去除效果

飲用水廠消毒單元可有效破壞細菌結構,對保障飲用水安全具有重要意義[29]。如圖8所示,兩水廠氯消毒單元對3類細菌均具有良好的去除效果。在不同的取樣季節(jié),A水廠均能對3類細菌實現完全去除。B水廠在不同的取樣季節(jié)對SMZ抗性細菌去除率為100%,可培養(yǎng)總細菌和AMX抗性細菌在秋冬兩季基本實現完全去除。由此可見,消毒單元作為水廠的末端保障,可以有效消殺出廠水中的細菌[30]。

圖8 消毒單元對抗性細菌去除效果

2.4.2 對典型抗性基因的去除效果

氯消毒單元可有效去除水中細菌類污染,但對抗性基因類去除效能尚未可知,因此,考察了A、B兩水廠對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果,結果如圖9所示。隨溫度下降,A水廠5類基因去除率呈先下降后上升趨勢,B水廠除16S rDNA和blaCTX-M外呈上升趨勢,且B水廠的去除效能略優(yōu)于A水廠,抗性基因平均去除率在0.80log以上。由于基因的基礎量不同,消毒單元對16S rDNA的去除率顯著高于其他基因。已有文獻也證實消毒單元對抗性基因具有較好的去除效果,Xu等[23]發(fā)現錢塘江飲用水處理廠一和廠二加氯消毒單元對抗性基因的平均去除率分別為95.2%和96.63%。

圖9 消毒單元對抗性基因去除效果

從上述分析可知,經過水廠全工藝流程的處理后,A、B兩水廠進水中3類細菌采用純培養(yǎng)的方法基本檢測不到,抗性基因的總絕對豐度從1.64×105～8.29×107mL-1降低到1.76×104～3.50×105mL-1,兩水廠3個季節(jié)均能使抗性基因的總絕對豐度降低1～2個數量級,而且B水廠處理效果略優(yōu)于A水廠。A、B兩水廠對抗性細菌基本可以實現完全去除,對抗性基因也具有良好的去除效果,有效地保障了飲用水安全。

3 結論

(1)黃河中下游兩飲用水廠混凝沉淀單元對可培養(yǎng)總細菌、AMX抗性細菌和SMZ抗性細菌3類細菌去除率較低,對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率基本低于0.3log。過濾單元受濾池中生物膜影響,對可培養(yǎng)總細菌、AMX抗性細菌和SMZ抗性細菌,以及sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因基本無去除效果。

(2)中間臭氧氧化單元對抗性細菌和抗性基因具有良好的去除效果,但是在實際運行中由于有機物對臭氧的競爭消耗,臭氧不能完全去除抗性細菌和抗性基因。

(3)水廠中的消毒單元對抗性細菌和抗性基因具有較好的去除效果,是保障居民飲用水安全的重要工藝。