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            制藥廢水處理系統中抗生素抗性基因的研究進展

            慧聰水工業網 2022-05-16 09:18 來源:工業水處理作者:洪穎忻 等

            中國是抗生素生產與使用大國,近年來抗生素排入環境引發的問題逐漸得到重視。長時間低劑量的抗生素環境暴露會加速和誘導抗生素抗性基因(ARG)的產生。

            而ARG是抗性菌(ARB)產生耐藥性的根本原因,即使ARB死亡,在脫氧核苷酸酶的保護下,攜帶ARG的裸露DNA仍會長期存在,進而威脅生態環境和人類健康安全。

            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生抑制,降低生物處理效率,同時對微生物的種群結構和功能造成負面影響。

            微生物在抗生素選擇壓力下也會篩選出自身攜帶ARG、通過基因突變產生ARG或通過垂直/水平轉移獲得ARG的ARB。

            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的水平轉移。因此,抗生素制藥廢水處理系統是ARG貯存、擴增、傳播及削減的重要場所。

            筆者系統總結了抗生素制藥廢水處理系統中ARG的形成機制、分布情況、去除機制及效果,從ARG削減角度出發,展望抗生素制藥廢水處理工藝的優化方向,以期提高ARG去除效果從而減少其環境危害。

            1 研究情況

            基于中國知網和Web of Science數據庫,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,再通過人工核查方式篩選出46篇研究性論文。

            其中,年度論文數量在1~8篇,整體呈上升趨勢。我國在該領域的論文發表數量最多(40篇),主要是由于我國抗生素產量居世界首位,制藥廢水抗生素環境排放問題較為突出,促使科研人員加大研究力度。

            近60%的論文是關于實際制藥廢水處理系統中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。

            研究內容主要集中在:

            (1)制藥廢水處理系統中ARG的分布規律及增殖擴散機制;(2)制藥廢水處理系統中各單元對ARG的去除效果及運行參數的優化;(3)制藥廢水處理系統中影響ARG豐度和去除效率的因素。

            2 制藥廢水處理系統中ARG的增殖與擴散

            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境中往往誘導產生大量ARG。經生物處理后的廢水和廢渣排入環境,最終危害生態環境和人類健康。制藥廢水排放后引起的環境危害如圖1所示。

            制藥廢水處理系統中抗生素抗性基因的研究進展

            鑒于此,制藥廢水處理系統中ARG及其轉化歸趨的相關研究日益增多。ARG可以通過垂直和水平轉移2種途徑擴散。水平基因轉移是ARG的主要擴散方式,主要機制包括:接合,轉導,轉化,如圖2所示。

            制藥廢水生物處理系統中高密度的細菌提供了大量可移動遺傳元件(如質粒、轉座子和整合子),位于其上的ARG很容易隨其在同源或不同來源的細菌之間水平轉移擴散。探究抗生素制藥廢水處理系統中ARG分布特征及其影響因素十分重要。

            制藥廢水處理系統中抗生素抗性基因的研究進展

            3 抗生素制藥廢水處理系統中ARG分布特征及其影響因素

            3.1 廢水處理單元

            制藥廢水處理系統中,大部分ARG的絕對豐度(單位體積水相或單位質量泥相中的ARG拷貝數)經過生物處理單元后上升,經過物化處理單元后下降,不同處理工藝對ARG的影響存在差異。

            姚鵬城等考察了以抗生素為主導行業的某化工園區廢水處理廠各處理單元,發現廢水中ARG絕對豐度在混凝沉淀后下降0.16~0.43個數量級,在A/A/O工藝曝氣池中上升0.16~2.34個數量級,在二沉池出水中下降0.20~1.37個數量級,在Fenton處理出水中下降0.25~1.74個數量級。

            此外,曝氣池污泥中ARG絕對豐度比剩余污泥低約1個數量級,顯示通過二沉池泥水分離將含ARG的ARB轉移至污泥相是水相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相比,制藥廢水處理系統在殘留抗生素的選擇壓力下,會誘導出更多的ARG。

            抗生素廢水處理系統出水中的ARG豐度比市政污水和非抗生素廢水處理系統的高幾倍,有的甚至高l~4個數量級。制藥廢水中ARG亞型的相對豐度(即同一樣品中ARG拷貝數占總細菌16S rRNA拷貝數的比例)與相應殘留抗生素濃度之間存在一定正相關性。

            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亞種ARG的誘導擴增作用強于對其他亞型ARG的作用?;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。當廢水中某種抗生素濃度越高,相應類型的ARG豐度將高于其他類型的ARG豐度。

            3.3 微生物濃度

            制藥廢水處理系統中抗生素的選擇壓力并不是導致ARG在體系中傳播的唯一因素,ARG豐度與微生物濃度具有相關性,ARG豐度的變化也可能是微生物增殖或去除的結果。

            有研究表明,制藥廢水系統中部分ARG豐度與16S rRNA(作為總細菌的替代物)豐度或總抗生素濃度呈顯著正相關,并進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。

            瞿文超根據6個制藥廢水處理系統中16S rRNA與ARG的正相關性分析,同樣得出影響ARG豐度的關鍵因素是微生物濃度的結論,并提出可通過降低出水中微生物濃度對出水ARG進行控制。

            此外, Lingwei MENG等的研究顯示不同ARG均分別與不同物種呈顯著正相關,表明制藥廢水處理系統中ARG的豐度及種類與微生物種群結構有關。

            3.4 環境條件

            雖然很難在環境條件與ARG豐度之間建立準確的關系,但有研究顯示DO、pH和TOC等環境條件可能會影響制藥廢水廠中ARG的豐度和分布規律。

            Mei TANG等研究發現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等研究兩段好氧工藝處理制藥廢水各單元中ARG與環境條件的關系發現,sul1和sul2與TOC顯著相關,tetB、sul1、sul2、gyrA、16S rRNA拷貝數與pH呈正相關,tetW與TN、DO呈正相關。因此,研究ARG與各種環境條件之間的關系,進而通過環境條件調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某些ARB和ARG的增殖和擴散,有時也會發生某些ARG削減的現象。

            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用于制藥廢水的處理。

            制藥廢水處理系統中抗生素抗性基因的研究進展

            表1中,活性污泥工藝單元均出現促進ARG增殖的現象,可能是由于污泥在水中的懸浮量增長,導致出水中隨未沉降污泥流出的ARG絕對豐度較高。

            覃彩霞等采用調節池—A/A/O—二沉池組合工藝處理螺旋霉素廢水,總異養菌和腸球菌的數量分別降低1.6~2.1和3.7個數量級,但無法削減耐藥菌的比例,且ARG豐度呈現明顯的季節性變化特征。

            Lingwei MENG等用2個EGSB反應器(E1、E2)分別處理β-內酰胺類制藥廢水和普通廢水。在E1廢水中頭孢氨芐的誘導作用下,E1出水中各目標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。

            羅曉等發現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-內酰胺類ARG,且在一級曝氣池中的絕對豐度最高。

            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等對2個制藥廢水處理廠進行研究,其中A廠采用SBR和生物接觸氧化法,B廠采用傳統活性污泥法,發現B廠對ARG增殖的促進作用更為明顯。

            此外,ARG在上述2個制藥廢水廠的處理過程中都會增殖擴散,主要原因在于生物處理系統內的微生物總量相比進水顯著增加,即傳統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工藝以出水水質好、容積負荷高、占地面積小、抗沖擊能力強和完全截留污泥絮體等特點,在制藥廢水處理領域具有良好的應用潛力。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。

            Jilu WANG等研究發現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,直接截留部分攜帶ARG的可移動遺傳元件,從而增強對ARG的去除效果。

            覃彩霞等采用MBR處理螺旋霉素制藥廢水,發現水力停留時間(HRT)增加后廢水中異養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,進一步探索MBR工藝處理制藥廢水的最優運行參數是一個重要研究方向。

            此外,強化水解工藝可有效降低制藥廢水的抗菌活性,具有良好的預處理效果。研究發現在特定條件下,增強水解作用可以有效去除土霉素,提升抗菌效力。

            4.2 物理化學處理工藝

            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物、氨氮等污染物,單一生物處理工藝很難處理達標,通常需要物理化學工藝進行預處理和/或深度處理。

            M. M. MCCONNELL等研究發現,二沉池將處理后的廢水與污泥分離后,污泥中的16S rRNA和ARG豐度遠高于水相,大部分ARG隨著ARB通過固液分離轉移到污泥中,導致出水中的ARG減少。

            Wenchao ZHAI等發現脫水污泥中排出的ARG負荷是最終廢水的1~435倍,最終排放廢水中ARG絕對豐度僅占進水的0.03%~78.1%,而大多數ARG〔(2.65±0.43)×105~(4.27±0.03)×1010 mL-1〕轉移到脫水污泥中。

            這與Jilu WANG等的研究結論相似,轉移到脫水污泥中的ARG總量比原進水高出7~308倍,比最終出水的ARG高16~638倍。

            這種轉移不能從根本上解決ARG增殖和擴散的問題,將脫水污泥填埋后可能導致土壤微生物產生抗生素抗性,在環境中進一步污染擴散。因此,應重點研究制藥廢水污泥處理過程中削減ARG的方法。

            任佳發現臭氧、熱水解作為厭氧消化的預處理工藝時,與直接厭氧消化相比,對制藥污泥ARG的控制效果均較好,且熱水解的效果優于臭氧預處理。

            高級氧化技術(AOP)可破壞細菌DNA的雙螺旋結構,從而有效減少出水中的ARG豐度。

            Jie HOU等將UASB、A/O工藝分別與4種AOP工藝進行組合用于處理制藥廢水。結果表明,經過UASB和A/O處理單元,廢水中所有ARG的豐度均顯著增加;經過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個數量級);Fenton和Fenton/UV是去除ARG的最佳AOPs,可使16S rRNA和ARG減少1.1~6.0個數量級,并能完全去除ermB和tetQ。

            何瑞蘭研究發現O3、UV和Cl均能有效去除抗生素生產廢水中的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時間。高級氧化技術去除制藥廢水中ARG和ARB有待進一步深入研究,以評估其效果與成本的可持續性。

            5 結論與展望

            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中將其有效去除是減少制藥廢水排放導致的抗生素污染的關鍵。

            研究發現,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絕對豐度經過生物處理單元后上升,經過物理化學處理單元后下降。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。

            在達到常規出水指標的前提下,制藥廢水處理系統仍面臨著更好地去除ARG、將不同工藝組合以達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的去除效果及機理,探索MBR工藝去除ARG的最優運行參數。

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

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