制藥廢水處理系統(tǒng)中抗生素抗性基因的研究進(jìn)展

洪穎忻，吳 浪，張立秋，方 茜，榮宏偉，魏春海

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院市政工程系，廣東廣州 510006；2.珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)教育部重點實驗室，廣東廣州 510006）

中國是抗生素生產(chǎn)與使用大國，近年來抗生素排入環(huán)境引發(fā)的問題逐漸得到重視〔1〕。長時間低劑量的抗生素環(huán)境暴露會加速和誘導(dǎo)抗生素抗性基因（ARG）的產(chǎn)生。而ARG是抗性菌（ARB）產(chǎn)生耐藥性的根本原因，即使ARB死亡，在脫氧核苷酸酶的保護(hù)下，攜帶ARG的裸露DNA仍會長期存在，進(jìn)而威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康安全〔2-3〕。

在抗生素制藥廢水生物處理過程中，高濃度的殘留抗生素會對微生物產(chǎn)生抑制，降低生物處理效率〔4〕，同時對微生物的種群結(jié)構(gòu)和功能造成負(fù)面影響〔5〕。微生物在抗生素選擇壓力下也會篩選出自身攜帶ARG、通過基因突變產(chǎn)生ARG或通過垂直∕水平轉(zhuǎn)移獲得ARG的ARB〔6-7〕。有報道指出，抗生素制藥廢水中的抗生素和重金屬等有利于ARB篩選，并加速ARG的水平轉(zhuǎn)移〔8-9〕。因此，抗生素制藥廢水處理系統(tǒng)是ARG貯存、擴(kuò)增、傳播及削減的重要場所〔10〕。筆者系統(tǒng)總結(jié)了抗生素制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG的形成機(jī)制、分布情況、去除機(jī)制及效果，從ARG削減角度出發(fā)，展望抗生素制藥廢水處理工藝的優(yōu)化方向，以期提高ARG去除效果從而減少其環(huán)境危害。

1 研究情況

基于中國知網(wǎng)和Web of Science數(shù)據(jù)庫，分別以“抗性基因”+“制藥∕抗生素廢水”和“antibiotic resistance gene”+“pharmaceutical∕antibiotic wastewater”為主題，檢索2010年至今的全部文獻(xiàn)，再通過人工核查方式篩選出46篇研究性論文。其中，年度論文數(shù)量在1～8篇，整體呈上升趨勢。我國在該領(lǐng)域的論文發(fā)表數(shù)量最多（40篇），主要是由于我國抗生素產(chǎn)量居世界首位，制藥廢水抗生素環(huán)境排放問題較為突出，促使科研人員加大研究力度。

近60%的論文是關(guān)于實際制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG的研究，廢水中普遍含有多種抗生素；其余為實驗室研究，多采用含單一抗生素的模擬配水。研究內(nèi)容主要集中在：（1）制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG的分布規(guī)律及增殖擴(kuò)散機(jī)制；（2）制藥廢水處理系統(tǒng)中各單元對ARG的去除效果及運行參數(shù)的優(yōu)化；（3）制藥廢水處理系統(tǒng)中影響ARG豐度和去除效率的因素。

2 制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG的增殖與擴(kuò)散

制藥廢水處理廠多采用生物處理為主體工藝，微生物長時間暴露在高濃度殘留抗生素環(huán)境中往往誘導(dǎo)產(chǎn)生大量ARG。經(jīng)生物處理后的廢水和廢渣排入環(huán)境，最終危害生態(tài)環(huán)境和人類健康。制藥廢水排放后引起的環(huán)境危害如圖1所示。

圖1 制藥廢水處理后污染物排放的環(huán)境危害Fig.1 Environmental hazards of pollutants discharged after pharmaceutical wastewater treatment

鑒于此，制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG及其轉(zhuǎn)化歸趨的相關(guān)研究日益增多。ARG可以通過垂直和水平轉(zhuǎn)移2種途徑擴(kuò)散。水平基因轉(zhuǎn)移是ARG的主要擴(kuò)散方式，主要機(jī)制包括：接合，轉(zhuǎn)導(dǎo)〔11-12〕，轉(zhuǎn)化，如圖2所示。制藥廢水生物處理系統(tǒng)中高密度的細(xì)菌提供了大量可移動遺傳元件（如質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和整合子），位于其上的ARG很容易隨其在同源或不同來源的細(xì)菌之間水平轉(zhuǎn)移擴(kuò)散〔13〕。探究抗生素制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG分布特征及其影響因素十分重要。

圖2 ARG的水平轉(zhuǎn)移機(jī)制Fig.2 Horizontal transfer mechanism of ARG

3 抗生素制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG分布特征及其影響因素

3.1 廢水處理單元

制藥廢水處理系統(tǒng)中，大部分ARG的絕對豐度（單位體積水相或單位質(zhì)量泥相中的ARG拷貝數(shù)）經(jīng)過生物處理單元后上升〔14〕，經(jīng)過物化處理單元后下降〔15〕，不同處理工藝對ARG的影響存在差異。姚鵬城等〔15〕考察了以抗生素為主導(dǎo)行業(yè)的某化工園區(qū)廢水處理廠各處理單元，發(fā)現(xiàn)廢水中ARG絕對豐度在混凝沉淀后下降0.16～0.43個數(shù)量級，在A∕A∕O工藝曝氣池中上升0.16～2.34個數(shù)量級，在二沉池出水中下降0.20～1.37個數(shù)量級，在Fenton處理出水中下降0.25～1.74個數(shù)量級。此外，曝氣池污泥中ARG絕對豐度比剩余污泥低約1個數(shù)量級，顯示通過二沉池泥水分離將含ARG的ARB轉(zhuǎn)移至污泥相是水相ARG削減的重要途徑。

3.2 抗生素種類與濃度

與普通污水處理系統(tǒng)相比，制藥廢水處理系統(tǒng)在殘留抗生素的選擇壓力下，會誘導(dǎo)出更多的ARG〔16〕?？股貜U水處理系統(tǒng)出水中的ARG豐度比市政污水和非抗生素廢水處理系統(tǒng)的高幾倍，有的甚至高l～4個數(shù)量級〔17〕。制藥廢水中ARG亞型的相對豐度（即同一樣品中ARG拷貝數(shù)占總細(xì)菌16S rRNA拷貝數(shù)的比例）與相應(yīng)殘留抗生素濃度之間存在一定正相關(guān)性〔18-19〕。此外，抗生素種類也會影響抗性基因的亞型和豐度。單一抗生素制藥廢水中抗生素對相應(yīng)亞種ARG的誘導(dǎo)擴(kuò)增作用強(qiáng)于對其他亞型ARG的作用〔20〕?；旌闲涂股刂扑帍U水中ARG的亞型和豐度均多于單一型抗生素制藥廢水〔21〕。當(dāng)廢水中某種抗生素濃度越高，相應(yīng)類型的ARG豐度將高于其他類型的ARG豐度〔15，22〕。

3.3 微生物濃度

制藥廢水處理系統(tǒng)中抗生素的選擇壓力并不是導(dǎo)致ARG在體系中傳播的唯一因素〔23〕，ARG豐度與微生物濃度具有相關(guān)性，ARG豐度的變化也可能是微生物增殖或去除的結(jié)果。有研究表明，制藥廢水系統(tǒng)中部分ARG豐度與16SrRNA（作為總細(xì)菌的替代物）豐度或總抗生素濃度呈顯著正相關(guān)〔24〕，并進(jìn)一步分析得出與抗生素濃度相比，微生物濃度是影響ARG豐度更為重要的因素〔25〕。瞿文超〔26〕根據(jù)6個制藥廢水處理系統(tǒng)中16SrRNA與ARG的正相關(guān)性分析，同樣得出影響ARG豐度的關(guān)鍵因素是微生物濃度的結(jié)論，并提出可通過降低出水中微生物濃度對出水ARG進(jìn)行控制。此外，Lingwei MENG等〔27〕的研究顯示不同ARG均分別與不同物種呈顯著正相關(guān)，表明制藥廢水處理系統(tǒng)中ARG的豐度及種類與微生物種群結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3.4 環(huán)境條件

雖然很難在環(huán)境條件與ARG豐度之間建立準(zhǔn)確的關(guān)系，但有研究顯示DO、p H和TOC等環(huán)境條件可能會影響制藥廢水廠中ARG的豐度和分布規(guī)律。Mei TANG等〔28〕研究發(fā)現(xiàn)好氧污泥中檢測到的ARG總相對豐度和移動遺傳元件相對豐度均比厭氧污泥的高。Linxuan LI等〔29〕研究兩段好氧工藝處理制藥廢水各單元中ARG與環(huán)境條件的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，sul1和sul2與TOC顯 著 相 關(guān)，tetB、sul1、sul2、gyrA、16S rRNA拷貝數(shù)與pH呈正相關(guān)，tetW與TN、DO呈正相關(guān)。因此，研究ARG與各種環(huán)境條件之間的關(guān)系，進(jìn)而通過環(huán)境條件調(diào)控來提高制藥廢水中ARG的去除效果是今后重要的研究方向之一。

4 處理工藝對ARG的去除效果

4.1 生物處理工藝

制藥廢水含有高濃度有機(jī)污染物，一般以生物處理作為主體工藝。在生物處理過程中，抗生素與微生物共存往往會促進(jìn)某些ARB和ARG的增殖和擴(kuò)散，有時也會發(fā)生某些ARG削減的現(xiàn)象。表1列出了曝氣生物濾池（BAF）、序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、上流式厭氧污泥床（UASB）、膨脹顆粒污泥床（EGSB）、A∕O和A∕A∕O等典型生物處理工藝中ARG的變化情況。此外，上述工藝的不同組合也常應(yīng)用于制藥廢水的處理。

表1中，活性污泥工藝單元均出現(xiàn)促進(jìn)ARG增殖的現(xiàn)象，可能是由于污泥在水中的懸浮量增長，導(dǎo)致出水中隨未沉降污泥流出的ARG絕對豐度較高。覃彩霞等〔36〕采用調(diào)節(jié)池—A∕A∕O—二沉池組合工藝處理螺旋霉素廢水，總異養(yǎng)菌和腸球菌的數(shù)量分別降低1.6～2.1和3.7個數(shù)量級，但無法削減耐藥菌的比例，且ARG豐度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征。Lingwei MENG等〔22〕用2個EGSB反應(yīng)器（E1、E2）分別處理β-內(nèi)酰胺類制藥廢水和普通廢水。在E1廢水中頭孢氨芐的誘導(dǎo)作用下，E1出水中各目標(biāo)ARG的總濃度均高于E2，且E1中移動元件的平均豐度均高于E2。羅曉等〔32〕發(fā)現(xiàn)采用曝氣活性污泥法處理頭孢類抗生素廢水的2個處理廠的各處理單元均檢測出β-內(nèi)酰胺類ARG，且在一級曝氣池中的絕對豐度最高。

表1 不同生物處理工藝對制藥廢水中ARG的影響Table 1 Effect of different biological treatment processes on ARGin pharmaceutical wastewater

生物膜法中的微生物附著在載體表面生長，廢水處理過程殘留在出水中的微生物較活性污泥法的少，因此出水中ARB和ARG豐度相對較低。Wenchao ZHAI等〔20〕對2個制藥廢水處理廠進(jìn)行研究，其中A廠采用SBR和生物接觸氧化法，B廠采用傳統(tǒng)活性污泥法，發(fā)現(xiàn)B廠對ARG增殖的促進(jìn)作用更為明顯。此外，ARG在上述2個制藥廢水廠的處理過程中都會增殖擴(kuò)散，主要原因在于生物處理系統(tǒng)內(nèi)的微生物總量相比進(jìn)水顯著增加，即傳統(tǒng)生物處理過程是制藥廢水中ARG增殖的重要途徑。

活性污泥與微∕超濾膜分離耦合而成的MBR工藝以出水水質(zhì)好、容積負(fù)荷高、占地面積小、抗沖擊能力強(qiáng)和完全截留污泥絮體等特點，在制藥廢水處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力〔37〕。MBR中的膜可以高效截留廢水中的膠體、顆粒物、懸浮物及微生物代謝物等，其中含有大量抗生素抗性基因和抗性菌〔38〕。Jilu WANG等〔34〕研究發(fā)現(xiàn)5座大型制藥廢水處理廠的MBR工藝對各類ARG的去除率高達(dá)99.8%。原因在于膜組件可完全截留污泥絮體，使出水中的微生物豐度較傳統(tǒng)工藝顯著降低，從而降低隨ARB流出的ARG豐度。膜污染會增加膜組件的截留精度，直接截留部分?jǐn)y帶ARG的可移動遺傳元件，從而增強(qiáng)對ARG的去除效果。覃彩霞等〔35〕采用MBR處理螺旋霉素制藥廢水，發(fā)現(xiàn)水力停留時間（HRT）增加后廢水中異養(yǎng)菌與腸球菌的去除率提高，ARG削減效果同步提升。表明延長HRT有助于MBR工藝去除螺旋霉素廢水中的ARB和ARG，進(jìn)一步探索MBR工藝處理制藥廢水的最優(yōu)運行參數(shù)是一個重要研究方向。

此外，強(qiáng)化水解工藝可有效降低制藥廢水的抗菌活性〔39〕，具有良好的預(yù)處理效果。研究發(fā)現(xiàn)在特定條件下，增強(qiáng)水解作用可以有效去除土霉素，提升抗菌效力〔40〕。

4.2 物理化學(xué)處理工藝

制藥廢水中一般含有高濃度殘留抗生素、部分難生物降解有機(jī)物、氨氮等污染物，單一生物處理工藝很難處理達(dá)標(biāo)，通常需要物理化學(xué)工藝進(jìn)行預(yù)處理和∕或深度處理。

M.M.MCCONNELL等〔41〕研究發(fā)現(xiàn)，二沉池將處理后的廢水與污泥分離后，污泥中的16SrRNA和ARG豐度遠(yuǎn)高于水相，大部分ARG隨著ARB通過固液分離轉(zhuǎn)移到污泥中，導(dǎo)致出水中的ARG減少。Wenchao ZHAI等〔20〕發(fā)現(xiàn)脫水污泥中排出的ARG負(fù)荷是最終廢水的1～435倍，最終排放廢水中ARG絕對豐度僅占進(jìn)水的0.03%～78.1%，而大多數(shù)ARG〔（2.65±0.43）×105～（4.27±0.03）×1010mL-1〕轉(zhuǎn)移到脫水污泥中。這與Jilu WANG等〔34〕的研究結(jié)論相似，轉(zhuǎn)移到脫水污泥中的ARG總量比原進(jìn)水高出7～308倍，比最終出水的ARG高16～638倍。這種轉(zhuǎn)移不能從根本上解決ARG增殖和擴(kuò)散的問題，將脫水污泥填埋后可能導(dǎo)致土壤微生物產(chǎn)生抗生素抗性，在環(huán)境中進(jìn)一步污染擴(kuò)散。因此，應(yīng)重點研究制藥廢水污泥處理過程中削減ARG的方法。任佳〔42〕發(fā)現(xiàn)臭氧、熱水解作為厭氧消化的預(yù)處理工藝時，與直接厭氧消化相比，對制藥污泥ARG的控制效果均較好，且熱水解的效果優(yōu)于臭氧預(yù)處理。

高級氧化技術(shù)（AOP）可破壞細(xì)菌DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而有效減少出水中的ARG豐度〔43〕。Jie HOU等〔14〕將UASB、A∕O工藝分別與4種AOP工藝進(jìn)行組合用于處理制藥廢水。結(jié)果表明，經(jīng)過UASB和A∕O處理單元，廢水中所有ARG的豐度均顯著增加；經(jīng)過4種AOP工藝處理后，ARG豐度均下降。其中，UV和O3具有消除16S rRNA和ARG的潛力（降低0.8～1.6個數(shù)量級）；Fenton和Fenton∕UV是去除ARG的最佳AOPs，可使16SrRNA和ARG減少1.1～6.0個數(shù)量級，并能完全去除ermB和tetQ。何瑞蘭〔44〕研究發(fā)現(xiàn)O3、UV和Cl均能有效去除抗生素生產(chǎn)廢水中的ARB和ARG，去除ARB比去除純菌需要更大的消毒劑量和更長的反應(yīng)時間。高級氧化技術(shù)去除制藥廢水中ARG和ARB有待進(jìn)一步深入研究，以評估其效果與成本的可持續(xù)性。

5 結(jié)論與展望

抗生素制藥廢水是重要的抗生素、ARB和ARG排放源，在制藥廢水處理系統(tǒng)中將其有效去除是減少制藥廢水排放導(dǎo)致的抗生素污染的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，制藥廢水中殘留抗生素的濃度與種類會影響ARG的豐度和種類，ARG絕對豐度經(jīng)過生物處理單元后上升，經(jīng)過物理化學(xué)處理單元后下降。廢水中ARG的增加或去除可能是微生物增殖或去除的結(jié)果。此外，不同處理工藝對制藥廢水中ARG的去除效果也不同，其中MBR工藝對制藥廢水中ARG的去除率可達(dá)99%以上，消毒及高級氧化工藝是徹底去除廢水中ARG的有效方法。

在達(dá)到常規(guī)出水指標(biāo)的前提下，制藥廢水處理系統(tǒng)仍面臨著更好地去除ARG、將不同工藝組合以達(dá)到更好去除效果等問題，建議今后在以下方面開展重點研究。

（1）深入研究MBR工藝（好氧和厭氧）處理制藥廢水中ARG的去除效果及機(jī)理，探索MBR工藝去除ARG的最優(yōu)運行參數(shù)。

（2）深入研究消毒和高級氧化工藝對水相中ARG的削減效果及最優(yōu)工藝參數(shù)，探索剩余污泥處理過程中削減ARG的有效方法。