污水中抗生素抗性基因去除技術研究進展*

劉雨昊 郭 寧 劉夢夢 譚鳳訓 武道吉

(山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院，山東 濟南 250101)

抗生素耐藥性近年來受到公眾的廣泛關注，這一環(huán)境問題的出現(xiàn)被認為與抗生素的使用和濫用有關[1]?？股厥且活惥哂幸志驓⒕饔玫幕衔?，在二戰(zhàn)時期被應用于醫(yī)療行業(yè)。近年來,各種新型抗生素相繼問世，抗生素的使用量也逐年增加，2000—2015年全球抗生素的使用量增加了65%[2]?？股亟?jīng)人體或動植物排泄和生活廢水一起進入污水處理廠，在長期抗生素毒性選擇壓力下，污水處理系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大量抗生素抗性細菌和抗性基因(ARGs)[3]，使得污水處理廠成為ARGs最大的傳播來源[4],ARGs隨出水及剩余污泥進入自然界，對生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。

ARGs近年來被定義為一種新型的環(huán)境污染物[5]，它可以在生物體內(nèi)不斷復制，使其具有耐藥性，這種耐藥性包括：(1)通過相關酶的作用，使抗生素降解失活；(2)通過外排泵將抗生素排出體外；(3)通過對抗生素靶位點的修飾，使抗生素在細胞內(nèi)無法產(chǎn)生作用。隨污水排出后，ARGs進入各種環(huán)境基質(zhì)中，包括沉積物、湖泊、河流、土壤甚至空氣[6-7]，GUO等[8]調(diào)查了10種磺胺類和四環(huán)素類ARGs在長三角地區(qū)的傳播情況，發(fā)現(xiàn)在7個水源地中均檢測到所有目標ARGs，由于ARGs的水平轉(zhuǎn)移特性，其可向一些未受抗生素直接污染的環(huán)境遷移，且豐度會不斷增加[9]，從荷蘭采集的河流沉積物樣本顯示，ARGs豐度在1940—2008年呈增加趨勢[10]705。攜帶大量ARGs的剩余污泥作為肥料進入土壤，無疑會增加土壤中的ARGs污染風險[11]，若攜帶了相關ARGs的農(nóng)作物進入人體內(nèi)，其引發(fā)的耐藥感染會帶來更加嚴重的健康問題。聯(lián)合國報告指出，全球每年至少70萬人死于耐藥性疾病，如果這種情況無法得到遏制，至2050年，全球每年因耐藥感染致死的人數(shù)可達1 000 萬[12]?？咕幬锬退幮员还J為21世紀全世界人類健康的最大威脅之一[13]。

對于這種新型的環(huán)境污染物，有必要對其進行消減和控制，當前對于ARGs的研究日益增多，去除方式各異，本研究從生物處理、消毒工藝、高級氧化、復合工藝等方面，對國內(nèi)外最新的ARGs處理技術進行全面的匯總和介紹。

1 生物處理

生物處理技術對水中的ARGs有一定的削減作用，可分為好氧處理和厭氧處理兩種方式，常用的生物處理技術有活性污泥法、膜生物反應器和人工濕地等。

活性污泥法是生物處理技術的核心，其對ARGs的去除主要是依靠微生物高效吸附來實現(xiàn)。GAO等[14]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)活性污泥法處理后，ARGs豐度減少了2～3個數(shù)量級，其中tetW和tetO豐度明顯降低；B?RJESSON等[15]研究發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素ARGs經(jīng)活性污泥處理后tetA豐度減少0.4～1.5個數(shù)量級，tetB減少0.5～1.6個數(shù)量級；SU等[16]發(fā)現(xiàn)好氧處理也有利于垃圾滲濾液中ARGs的降解。活性污泥系統(tǒng)的處理工藝不同，去除效果也不同。 CHRISTGEN等[17]發(fā)現(xiàn)厭氧/好氧組合工藝比單獨好氧、厭氧工藝對ARGs的去除效率高，但謝輝等[18]以厭氧/缺氧/好氧工藝為研究對象，對進出水的ARGs進行定量分析，發(fā)現(xiàn)污水處理最終出水的ARGs出現(xiàn)了富集的情況，基因的水平轉(zhuǎn)移和微生物群落的變化導致了結果的差異[19]?；钚晕勰嘞到y(tǒng)的不同工藝會直接影響ARGs水平轉(zhuǎn)移及微生物群落，水平轉(zhuǎn)移可通過接合、轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)化作用使ARGs在細菌之間進行擴增；微生物群落的改變決定了ARGs宿主菌的變化，進而影響ARGs豐度。

雖然活性污泥法可以吸附去除部分ARGs，但其在污水處理后的剩余污泥仍然大量存在[20]，厭氧污泥消化可以去除部分ARGs[21]，并且高溫條件可以提高厭氧污泥消化對ARGs的去除率。GHOSH等[22]研究表明，與中溫污泥消化相比，嗜熱污泥消化在消減ARGs方面更為有效；TIAN等[23]也證實，溫度升高后，消化污泥的ARGs豐度減少了59.8%，這是因為嗜熱污泥中移動基因元件(包括質(zhì)粒、插入序列和整合子等)比中溫污泥具有更小的流動性，使ARGs在高溫條件下水平轉(zhuǎn)移的可能性降低，另外，細菌的總豐度從中溫污泥的23.27%降至嗜熱污泥的11.92%，表明升溫后ARGs垂直進化的宿主較少，即在高溫條件下，ARGs的水平轉(zhuǎn)移和垂直進化的能力均有所減弱。

膜生物反應器是將膜分離技術與活性污泥法相結合的技術，其對ARGs和抗生素抗性細菌的去除效率顯著高于傳統(tǒng)的活性污泥法[24]。膜生物反應器去除ARGs的主要機理是依靠膜組件的截留和吸附作用。CHENG等[25]研究發(fā)現(xiàn)，ARGs的去除效果與膜污染程度呈正相關，即污染程度越高，去除效果越好。致密的膜污染層和膜本身構成的雙重屏障，阻止了膜生物反應器中ARGs的流出[26]。另外，膜生物反應器的操作條件會影響ARGs的豐度。在好氧狀態(tài)下，由于微生物活性較強，ARGs的水平轉(zhuǎn)移增多，ARGs豐度呈上升趨勢；而在厭氧和缺氧狀態(tài)下，ARGs的豐度均有所下降，這是因為厭氧狀態(tài)下微生物活性較差，ARGs水平轉(zhuǎn)移受到抑制[27]。雖然膜生物反應器可清除一定量的抗生素抗性細菌、ARGs，但主要還是依靠生物膜的黏附作用。生物膜上富集著大量的ARGs，仍需進一步去除[28]。

人工濕地處理生活污水具有運行成本低、便于維護等優(yōu)點，其去除ARGs的機理和活性污泥法相似，主要為物理吸附，人工濕地中的生物填料和植物根際生物膜對ARGs存在一定的吸附截留作用[29]。潛流人工濕地比表面流人工濕地的去除效果更加優(yōu)異，其主要原因是填料的吸附作用。CHEN等[30]發(fā)現(xiàn)水平潛流人工濕地可以吸附大量的抗生素抗性細菌和ARGs，去除率可達50.0%～85.8%，其填料以沸石為基質(zhì)，具有微孔結構，可以提供用于化學吸附和微生物附著的大表面積；HUANG等[31]研究垂直潛流人工濕地對養(yǎng)豬廢水中四環(huán)素ARGs的去除效果，tet絕對豐度去除率可達45.4%～99.9%；而LIU等[32]在對表面流人工濕地的研究中發(fā)現(xiàn)，出水之后土壤表面的tet有所降低，但sul豐度明顯增加。此外，人工濕地的溫度、水力負荷、水流方向等對ARGs的豐度也有一定影響。FANG等[33]觀察到濕地出水中ARGs的絕對和相對豐度在夏季高于冬季，這是由于溫度升高促進了土壤中攜帶ARGs細菌群落的存活，并且較高的水力負荷可能會增強ARGs載體在土壤和水相之間的擴散和交換；在垂直流人工濕地中，tet和intl1的去除率在33.2%～99.1%，而上向流人工濕地出水中檢測到的大多數(shù)tet相對豐度比進水更高，這是因為其出水中的耐藥菌比例更高[34]。優(yōu)化運行條件使處理效果達到最佳，將是今后研究的重點方向?？傮w而言，人工濕地可以達到與傳統(tǒng)活性污泥法相當甚至更好的ARGs去除效果。

生物處理的主要去除機制是生物吸附，ARGs并未受到破壞和分解，在污泥中仍然大量存在，因此需要更高效的技術來去除ARGs。

2 消毒工藝

消毒工藝一般用于去除出水中的病原微生物，其機理是改變微生物細胞膜的通透性，破壞微生物蛋白質(zhì)的結構，使細胞失活。常用的消毒工藝有氯消毒、臭氧消毒、紫外(UV)消毒等。

氯消毒并不能有效去除ARGs，反而會使其在氯消毒過程中大量富集。SHI等[35]在自來水中檢測到sul1、tetA和tetG是豐度最高的ARGs，經(jīng)過氯化處理后，sul1大量減少，而其他ARGs豐度顯著增加。余氯是導致ARGs富集的關鍵因素，它通過影響微生物群落結構[36]，增加群落的多樣性[37]，從而使ARGs的宿主菌增多，導致ARGs的大量富集。JIA等[38]發(fā)現(xiàn)，氯消毒后微生物群落發(fā)生改變，如假單胞菌(Pseudomonas)和食酸菌屬(Acidovorax)等耐氯菌作為ARGs宿主菌對氯化作用不敏感，可在環(huán)境中持久存在，導致了ARGs相對豐度的增加。氯對ARGs的滅活效率并不高。YOON等[39]783研究發(fā)現(xiàn)氯致ARGs損傷要比相應的細胞損傷和膜損傷慢得多，減少ARGs 4個數(shù)量級需要37～72 mg的氯接觸量。此外，質(zhì)粒過度復制[40]也可能是氯消毒下ARGs富集的原因：在氯化作用下細胞的應激反應能促進質(zhì)粒在細菌細胞中的復制，增加存活細菌細胞中質(zhì)粒的拷貝數(shù)，從而導致水中ARGs的相對豐度增加。氯化作用對細菌細胞膜的影響也是ARGs富集的原因之一，但其影響機理目前存在一定的爭議。有學者發(fā)現(xiàn)氯化可以降低細菌膜的通透性并抑制分子運輸，從而導致抗生素耐藥性的產(chǎn)生[41]，而GUO等[42]5776研究發(fā)現(xiàn)，加氯產(chǎn)生的氯胺可以刺激細菌，使其細胞膜通透性增加，誘導細胞表面產(chǎn)生更多的毛狀體，促進ARGs的水平轉(zhuǎn)移。

臭氧作為氧化劑和消毒劑，具有高效、降解能力強且不產(chǎn)生二次污染的特點[43]，它具有的強氧化性可以使DNA、RNA裂解，高效去除ARGs[44]。SOUSA等[45]439發(fā)現(xiàn)intl1和sul1經(jīng)臭氧氧化處理后，其豐度減少了1個數(shù)量級。ALEXANDER等[46]108對污水進行臭氧處理后發(fā)現(xiàn)，萬古霉素耐藥基因vana和亞胺培南耐藥基因blaVIM的絕對豐度在臭氧氧化后分別降低了49.9%和18.7%，而氨芐西林耐藥基因ampC和紅霉素耐藥基因ermB經(jīng)臭氧處理后絕對豐度明顯下降，分別為69.8%和99.3%，這一差異可能與攜帶耐藥基因的核苷酸酶有關，即存活細菌的DNA中鳥嘌呤核酸酶的含量較高，鳥嘌呤—胞嘧啶堿基對相對于腺嘌呤—胸腺嘧啶堿基對含有更多的氫鍵，與富含胸腺嘧啶的DNA相比，在臭氧的作用下更穩(wěn)定[47]。臭氧對ARGs的處理效果受多種操作條件影響，如pH、懸浮物(SS)、腐殖酸濃度、臭氧濃度、接觸時間等。在高pH之下，臭氧不易生成羥基自由基，因此較低的pH條件下，去除效果更好；由于SS可與臭氧產(chǎn)生的各種自由基發(fā)生反應，因此隨著SS濃度的增加，會導致臭氧消毒效率的下降；而在較高濃度的腐殖酸下，臭氧與腐殖酸發(fā)生反應，產(chǎn)生低分子量的含氧副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物通常比其前體物更具生物降解性，對ARGs去除效果更好；因此較高的臭氧濃度和接觸時間可提升臭氧的去除效果[46]111，而濃時積對去除效果的影響很小[48]。

UV消毒的機理是利用適當波長的UV，破壞微生物機體細胞中的DNA或RNA的分子結構，造成細胞死亡而達到滅菌消毒的效果。UV對核酸的作用可導致鍵和鏈的斷裂、股間交聯(lián)和形成光化產(chǎn)物等[49]，從而改變DNA的生物活性，因此可將其應用在ARGs的去除上。SOUSA等[45]439發(fā)現(xiàn)intl1和sul1經(jīng)波長為254 nm的UV處理后，豐度減少了0.5個數(shù)量級。UV消毒處理效果取決于UV劑量。GUO等[42]5771發(fā)現(xiàn)UV照射劑量為8 MJ/cm2時只降低抗生素抗性細菌的數(shù)量，但不改變細胞的通透性，對ARGs的影響不大；而高劑量UV(>10 MJ/cm2)或氯氣(>80 mg·min/L)對ARGs水平轉(zhuǎn)移有明顯抑制作用。MCKINNEY等[50]發(fā)現(xiàn)致ARGs損傷需要更大的UV劑量。ZHENG等[51]也發(fā)現(xiàn)當UV照射劑量為40 MJ/cm2時，四環(huán)素類ARGs的去除率僅為52.0%～73.5%；當照射劑量升高到160 MJ/cm2時，去除率提高為79.7%～92.0%，顯然這種強度應用于污水處理廠是不切實際的。

綜上所述，若要實現(xiàn)對ARGs更多的去除，消毒劑的用量必須遠遠高于常規(guī)水處理的要求，當前的污水處理廠只能去除部分ARGs，而其他的方法，包括更加先進的消毒技術和組合工藝，還需要進一步研究。

3 高級氧化技術

高級氧化技術泛指有大量羥基自由基參與的化學氧化技術，作為一種新型的深度處理工藝，高級氧化技術具有降解徹底、反應速率快、不易產(chǎn)生二次污染、水質(zhì)適用范圍廣等優(yōu)點[52-53]。高級氧化技術去除ARGs方面的研究也取得了一定的進展，本研究介紹的高級氧化技術主要有光催化氧化組合工藝、Fenton氧化法。

光催化所用的光主要為UV，通過將UV輻射與其他氧化劑/催化劑(氯、H2O2、過一硫酸鹽(PMS)和光催化劑)相結合，使其產(chǎn)生具有強氧化能力的羥基，從而氧化去除環(huán)境中的ARGs[54]。ZHANG等[55]190發(fā)現(xiàn)，在最佳條件下，UV/H2O2法可氧化去除ARGs豐度2.63～3.48個數(shù)量級。RODRGUEZ CHUECA等[56]采用H2O2/短波UV(UV-C)、PMS/UV-C、PMS/Fe(Ⅱ)/UV-C等不同性質(zhì)的高級氧化技術來處理污水處理廠中的抗生素和ARGs，發(fā)現(xiàn)PMS/UV-C是去除抗生素效果最好的處理技術，羥基和硫酸根的產(chǎn)生促進了光解去除抗生素，盡管其他的組合被認為能產(chǎn)生更高濃度的自由基，而單獨的UV-C是去除ARGs最有效的技術；然而HU等[57]卻發(fā)現(xiàn)PMS/UV-C對sul1和intl1的去除要比單獨處理更出色。由于細胞組分清除了大量的羥基自由基，氧化劑和UV對胞內(nèi)ARGs(I-ARGs)的損傷率低于胞外ARGs(E-ARGs)，即E-ARGs比I-ARGs更容易被降解[39]783。UV/TiO2也是降解ARGs有效的光催化技術，REN等[58]利用TiO2改性聚偏二氟乙烯(PVDF)膜光催化降解ARGs，對ARGs的總?cè)コ试赨V照射后可達98%，并且能有效地去除intl1、intl2和intl3，這表明TiO2光催化反應能有效地控制ARGs的水平轉(zhuǎn)移。MOREIRA等[59]用臭氧耦合發(fā)光二極管(LED)輻射TiO2薄膜的光催化技術將相關的ARGs(blaTEM、qnrS和sul1)成功地去除到定量限水平。

Fenton氧化法去除ARGs有極佳的效果，這是因為Fe2+催化H2O2產(chǎn)生的羥基自由基可以擴散到細胞質(zhì)中并引發(fā)細胞內(nèi)Fenton反應，致使胞內(nèi)組分流失和細胞表面變形，這種變形可能導致細胞滲透性的喪失，以及細胞腫脹和破裂，最終導致DNA損傷、誘變[60]226。Fenton工藝的效率受H2O2濃度、Fe2+催化劑用量、溶液pH和反應時間的影響[61]。研究表明，在Fe2+/H2O2摩爾比為0.1、H2O2為0.01 mol/L、pH為3.0、反應時間為2 h的條件下效率最高，可去除ARGs豐度約2.58～3.79個數(shù)量級[55]184；SHARMA等[10]705的實驗結果表明，在其他反應條件相同，H2O2為0.005 mol/L時，ARGs的豐度可減少2.42～3.48個數(shù)量級，然而有學者提出，在pH為3的Fenton氧化過程中， ARGs的去除是由氧化系統(tǒng)中產(chǎn)生的自由基引起的還是通過酸化而引起的，仍有待研究[60]221。HOU等[62]發(fā)現(xiàn)UV、臭氧氧化、Fenton氧化以及Fenton/UV等高級氧化技術中，F(xiàn)enton氧化和Fenton/UV是去除制藥廢水中總細菌和ARGs的最有效方法；GIANNAKIS等[63]進行太陽光和太陽光/Fenton法消除抗生素抗性細菌和ARGs的研究，發(fā)現(xiàn)兩者均能有效去除ARGs，相比之下太陽光/Fenton法的去除速率更快。與此同時，F(xiàn)enton氧化會產(chǎn)生大量的Fe2+，造成二次污染，增加后續(xù)處理的成本和難度。

高級氧化所產(chǎn)生的羥基自由基對胞內(nèi)基因的分解很少，這可能是大量的羥基自由基被細胞內(nèi)組分清除所致，因此高級氧化技術去除的ARGs主要集中在胞外，胞內(nèi)的ARGs仍需進一步處理。高級氧化技術作為一種新型的水處理工藝，如能解決成本高、無法大規(guī)模運用等難題，未來將具有廣闊的前景。

4 復合工藝

復合工藝是指多個工藝組合在一起去除ARGs的技術，可以達到優(yōu)勢互補的效果，進一步提高出水水質(zhì)。消毒工藝的結合可以有效去除ARGs：UV/氯化工藝在對ARGs的去除中有很好的效果，對兩種目的基因sul1和intl1的降解速率為UV/氯化>氯化>UV，在UV/氯化反應中，sul1和intl1的去除量分別達到3.50、4.00個數(shù)量級以上[64]。孫麗華等[65]發(fā)現(xiàn)生物粉末活性炭/超濾工藝相較于直接超濾，對ARGs去除有較大提高，其主要原因是活性炭的吸附、微生物的吸附降解和膜的截留作用。運用于給水工程中的混凝工藝，被發(fā)現(xiàn)可去除約1個數(shù)量級的ARGs[66]，張啟偉等[67]利用混凝沉淀/超濾對4種ARGs(tetA、tetG、sul1、sul2)的去除性能進行研究，發(fā)現(xiàn)可去除0.5～3.1 個數(shù)量級。復合工藝的處理過程相對于單獨的工藝更為復雜，但其處理效果比后者更加優(yōu)異。各處理技術的去除效果及特點見表1。

表1 各處理技術去除效果及特點

5 總結與展望

由于環(huán)境氣候、進水水質(zhì)、運行參數(shù)等條件的不同，可能會造成個別研究中實驗結果的差異，但總體上來說，各類水處理技術對ARGs并沒有實現(xiàn)完全去除，由于處理成本的限制，當前的ARGs處理技術仍以生物處理為主，絕大多數(shù)污水處理廠并沒有專門的工藝去除ARGs，每天仍有大量的ARGs通過污水處理廠出水排放到自然水體，影響著生態(tài)穩(wěn)定和人類健康。

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，相反地，ARGs可在污泥中富集，使得污水處理廠真正成為ARGs污染的“發(fā)源地”。消毒工藝如UV消毒雖能夠?qū)崿F(xiàn)ARGs的大量去除，但其需要的劑量遠遠超過常規(guī)水處理所需要的量；高級氧化技術雖然高效、快速，但卻無法大規(guī)模運用，更不可能為了處理ARGs而單獨設置某一道工藝。根據(jù)目前所面臨的問題，今后可從以下幾點進行更深入的研究：

(1) 活性污泥工藝產(chǎn)生的剩余污泥中吸附了大量的ARGs，針對此問題，應采取更為有效的污泥處理技術，防止其進入環(huán)境，造成更大的污染。

(2) 開發(fā)更加高效的低劑量消毒劑或消毒組合工藝，在保證處理成本的同時更有效地去除ARGs。

(3) 提高光催化及Fenton氧化等高級氧化技術的利用率，最大程度減少二次污染。

(4) 在現(xiàn)有程度上優(yōu)化工藝運行參數(shù)，運用組合工藝形成優(yōu)勢互補，在保障污水處理廠基本處理功能的前提下，使得ARGs去除更加高效化。

(5) 亟需先進的技術應用于這一領域，如氧化石墨烯等納米材料對ARGs去除更加高效，若將其應用于膜組件及濾料中，如能克服成本、生態(tài)毒理學等問題，將具有廣闊的前景。

(6) 針對ARGs污染日益嚴重的問題，相關的排放標準及風險還有待進一步研究。