污泥预处理对于抗性基因去除效果的研究进展

佘国生，段景川，闫幸幸，王 敏,*

(1.中电建南方建设投资有限公司，广东深圳 518000；2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048)

抗生素能够有效预防和治疗由细菌感染引起的各类疾病[1]，广泛应用于人类、畜禽及植物病虫害防治[2]。据预测，2030年全球抗生素类药物用量将达到2010年的1.67倍，可达1.05×105t[3]。抗生素在使用过程中，会有大量未被生物体完全利用的抗生素及其代谢/降解产物被排放到环境中[4]，使细菌产生选择压力，形成抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)。ARGs可以通过可移动基因片断(mobile genetic elements，MGEs)在相同甚至不同种属微生物间发生水平转移和扩散，即使细菌被杀死，其脱氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid，DNA)也可在环境中长时间存在[5]。由ARGs引发的耐药性已经引起了对“超级细菌”的担忧[6]。污水处理厂被认为是ARGs的重要聚集地[7]，污水中大部分ARGs通过沉淀作用富集到污泥中，导致污泥中ARGs含量是污水中的数倍。因此，污泥中ARGs及抗生素去除的研究尤为重要。

本文综述了近几年生物、物理、化学及组合工艺对污泥中ARGs及抗生素去除工艺的研究进展，并提出关于污泥中ARGs及抗生素去除的建议，为完善污泥中ARGs及抗生素去除提供一定的思路。表1列出了不同预处理方法的作用原理及优缺点。

表1 预处理方法原理及优缺点Tab.1 Principle and Advantages and Disadvantages for Different Pretreatment Methods

1 生物法及相关工艺对污泥中ARGs的去除

1.1 厌氧消化法

污泥厌氧消化以其高效的污泥减量、病原菌去除及甲烷的资源化利用等优点[8]，在污泥处理方面应用较为广泛,其对ARGs的去除可能也具有促进作用。

Pei等[9]采用厌氧消化技术对制药污泥和市政污泥进行处理，分别对5种不同作用机制的四环素ARGs (tetA、tetG、tetQ、tetW、tetX )和一类整合子intI1进行检测。研究发现：厌氧消化对市政污泥中5种四环素ARGs均有去除效果；厌氧消化对制药污泥中ARGs表现出不同的作用效果，其中，tetA、tetG、tetX含量降低，tetQ、tetW含量却增加。Ma等[10]也发现中温厌氧消化可以去除污泥中部分tetC、tetG、tetX，但同时会引起tetW含量的增加。造成该现象的原因可能是，制药废水能够促进核糖蛋白在细菌中的迁移[11]，且tetQ、tetW的耐药机制是核糖体保护蛋白。因此，厌氧消化后制药污泥中tetQ、tetW含量增加。Miller等[12]研究中温厌氧消化和高温厌氧消化过程四环素ARGs的含量及分布，发现高温厌氧消化对ARGs的去除较中温厌氧消化具有一定优势。DIehal等[13]研究了温度对污泥厌氧消化过程中ARGs及一类整合子intI1含量的影响。结果表明，中温和高温条件均对ARGs有明显的去除效果，且去除率随着温度的升高而增大。但在低温条件下，ARGs和intI1的含量无明显变化，且稍有增长趋势。

部分学者研究发现，厌氧消化对污泥中ARGs的去除效果甚微。Ju等[14]研究了厌氧消化过程中323种ARGs的含量变化，结果表明，总ARGs的平均去除率仅34%；Zhang等[15]研究了中温和高温条件下厌氧消化对ARGs的影响，发现中温条件对8种ARGs有明显的削减作用，高温条件可高效去除13种ARGs，但并不能对总ARGs的丰度及多样性产生影响。

综上，厌氧消化在高温条件下对污泥中ARGs的去除效果较优，但总体去除效果一般，并不能满足污泥后续资源化的要求。此外，污泥经其他工艺预处理后进行厌氧消化可能会引起ARGs的反弹或激增。

1.2 堆肥法

市政污泥是重要的可再生利用资源，富含植物生长所需的多种养分和较高的有机质，但当污泥用于农田施肥时，污泥中的ARGs会进入土壤，进而转移至地表植物，威胁人类健康及自然环境的安全。

韦蓓等[16]研究了堆肥过程中温阶段、高温阶段、冷却阶段及腐熟阶段污泥中四环素ARGs的丰度变化。结果发现：堆肥污泥中可检测到3种泵外排类基因(tetA、tetC和tetE)，3种核糖体保护蛋白类基因(tetM、tetO和tetW)和1种酶抑制基因(tetX)。试验结果表明：堆肥过程中，泵外排类基因tetA和tetC丰度在升温段(中温阶段和高温阶段)呈增长趋势，降温段(冷却阶段和腐熟阶段)呈下降趋势；酶抑制基因tetX丰度在冷却阶段降至最低值后逐渐上升；核糖体保护蛋白类基因tetM和tetO丰度变化较为复杂，中温阶段降低后在高温阶段达到最大值。堆肥腐熟后，与原泥相比，tetX丰度增加，tetA丰度几乎不变，tetC、tetM和tetO的丰度降低。卢晓梅[17]对比了超高温堆肥和普通堆肥对市政污泥4大类25种ARGs的削减效果。结果表明，超高温堆肥对ARGs相对丰度的削减效果明显优于普通堆肥，削减率分别为96.2%和61.5%。研究发现，ARGs的丰度变化与堆肥温度有较大的关系。

堆肥过程对污泥中ARGs有削减作用，但削减能力有限。高温条件下堆肥可有效去除堆肥产物中的ARGs，但不能彻底消除。因此，堆肥后产物能否用于农业利用和土地施肥，还需做进一步的环境风险评估。

1.3 生物浸出法

微生物的氧化和酸化作用在一定程度上能改善污泥的脱水性能，可有效去除污泥中的重金属及病原体等。由于该方法有利于提升污泥的脱水性能，且脱水后污泥易于堆肥，在国内已有20多家污水处理厂采用生物浸出法处理污泥[18]。因此，研究生物浸出对污泥中ARGs含量的影响至关重要。

Huang等[19]研究了污泥中最常检出的磺胺类ARGs及四环素ARGs在生物浸出过程中的变化。结果表明，生物浸出能够显著削弱原泥中ARGs的绝对丰度，处理后16S rRNA、磺胺类ARGs和四环素ARGs的绝对丰度分别减少1.37、1.45～1.48、0.29～1.2 log。Zheng等[20]研究了生物浸出对intI1和46种ARGs的去除效果，发现生物浸出可以显著减少总ARGs和intI1的绝对丰度。生物浸出36 h后，除少数ARGs外，其余ARGs均减少1.63～4.96 log，其中，内酰胺ARGs的去除率接近100%，且反应体系中仅有16个ARGs亚型被检出；intI1的相对丰度由0.015 5 log copies/(16S rRNA)减少至0.005 1 log copies/(16S rRNA)。

生物浸出能够有效破坏微生物细胞，减少污泥中的细菌总数，从而去除污泥中携带的ARGs和intI1。然而，生物浸出法存在反应速度较慢、生长过程长等缺点，严重制约了其在实际工程中的应用。在日后的研究中可开发与生物浸出相结合的处理工艺，从而提高污泥中抗生素及ARGs的去除效果。

1.4 微生物电解池

微生物电解池(mobile electronic commerce，MECs)是新兴的生物电化学技术[21]。MECs与厌氧联合处理废水能促进难降解物质的降解，可在阴极上消除有毒物质。

Zhang等[22]研究了不同电压下生物电极强化微生物电解池对浓缩污泥抗生素的去除。试验结果表明：当电压为0.6 V和1.0 V时，对抗生素的去除效率在16.7%～26.6%，明显优于其他电压条件；其中，喹诺酮类和四环素类的去除率较高，喹诺酮类和四环素类抗生素的去除主要依靠包括电化学氧化在内的氧化方式降解[23]。该研究现象表明，抗生素的去除率并非随着电压的升高而增大，该体系中抗生素的主要去除途径并非电化学反应，而是生物降解性能的增强。

目前，MECs对抗生素及ARGs的去除研究并不多。由Zhang等[22]的研究可知，MECs对污泥中抗生素的去除效果一般，若与生物浸出、超声等可以破坏微生物细胞及结构的工艺联合应用，污泥在进入电解池之前细胞结构已被破坏，生物电极产生的酶可直接作用于胞内物质，提高去除效率。

2 物理法及相关工艺对污泥中ARGs的去除

2.1 超声

超声是近年来发展起来的一种污泥预处理方式，通过产生强氧化性的羟基自由基(·OH)，破坏污泥细胞及微生物结构，从而提高污泥脱水性能。

Huang等[19]研究了超声处理对污泥中16S rRNA、2种磺胺类ARGs和9种四环素ARGs丰度变化的影响。结果发现，超声处理对ARGs的去除无明显作用，甚至增加了2种磺胺类ARGs 的相对丰度。原因可能是超声所产生的能量有限，仅能将胞外聚合物从细胞表面剥落，并不能达到破坏微生物细胞的程度。进一步研究超声与生物浸出联合调理对污泥中ARGs的影响，结果表明，超声联合生物浸出能够显著降低16S rRNA、磺胺类ARGs和四环素ARGs的绝对丰度，分别减少1.81、1.56～1.58、0.34～1.23 log。联合工艺的去除效果优于单一的超声和生物浸出处理。联合处理对sul1和sul2相对丰度的削减率分别为24.69%、22.38%，但却增加了除tetE(相对丰度削减率为82.26%)外四环素ARGs的相对丰度，造成这种现象的原因是污泥中16S rRNA绝对丰度的削减远高于四环素ARGs[24]。王梦黎[25]在超声预处理对污泥ARGs的分布研究中发现，超声处理对intI1和16S rRNA相对丰度的影响较小，但在超声-厌氧体系中，总ARGs和16S rRNA的去除率分别为80.95%、52.56%。

可见，单一超声处理对污泥中ARGs的去除无明显效果，但超声与生物浸出、厌氧消化等工艺对ARGs的去除具有协同作用。

2.2 微波

污泥微波预处理可以提高污泥的可溶性COD，从而在厌氧过程中更好地产生甲烷[26]，这在污泥处理中广泛应用。因此，了解ARGs在微波处理过程中的分布至关重要。

Tong等[27]研究了微波(MW)、微波-酸(MW-H)、微波-H2O2-碱(MW-H2O2)处理对四环素ARGs和内酰胺ARGs含量及分布的影响。结果表明，微波联合预处理对污泥中ARGs有削减作用，MW-H过程中ARGs相对丰度的削减率为42.7%，但MW、MW-H2O2过程中ARGs相对丰度却略有增加。微波处理过程中总ARGs浓度随16S rRNA浓度的降低而降低，总ARGs绝对浓度减少2.2%，但tetA增加0.44 log copies/g，ampC 增加0.07 log copies/g。微波辐射可破坏细胞膜，造成DNA的损伤，从而减少ARGs[28]。微波联合处理中，仅MW-H效果较好，可能是因为DNA在碱性环境中的稳定性优于酸性环境[29]。Fang等[28]研究了微波处理制药污泥过程肠球菌中ARGs和MGEs含量的变化。结果表明，微波处理对肠球菌中的ARGs和MGEs无显著的去除效果，处理过程使污泥中肠球菌减少1.17～3.74 log CFU/g，但肠球菌基因发生水平转移，耐药基因型增加。处理过程能够降低总ARGs的绝对丰度，但在微波-厌氧过程发生反弹。此外，研究结果还发现，污泥中总ARGs绝对丰度与产甲烷量之间存在较强的相关性。

单一微波处理污泥对总ARGs的去除无显著影响，且能源消耗、基建费用较大，与酸联合处理可以降低药剂的投加量和能源的消耗，同时对污泥中ARGs有显著的削减作用。

2.3 热水解

热水解能够破坏污泥絮体结构[30]、溶解污泥固相颗粒[31]等，与厌氧消化联用可以提高甲烷产量、减少污泥体积。

裴晋[32]研究了热水解与厌氧消化组合对制药污泥和市政污泥中抗药基因的去除，单独热水解处理可减少污泥中ARGs的绝对浓度，制药污泥和市政污泥的总ARGs分别减少3.22、1.95 log copies/(g TS)。除少量四环素ARGs相对丰度降低外，其余ARGs相对丰度均在热水解过程中升高。热水解过程中，高温高压能够破坏污泥细胞，释放易降解化合物。Pei等[9]在研究中也发现，热水解对制药和市政污泥中四环素ARGs的去除无明显影响，16S rRNA仅减少3 log。制药污泥热水解-厌氧过程还会引起除tetA、tetG外的四环素ARGs 发生反弹现象。李慧莉等[33]对热水解过程中肠球菌的耐药性进行研究，发现热水解后污泥中仍存在大量肠球菌，肠球菌中阿奇霉素ARGs显著高于螺旋霉素ARGs和四环素ARGs。

综上，热水解可减少污泥中的ARGs，但削减效果并不明显。热水解对污泥中ARGs的去除效果与污泥中ARGs种类有较大的关系。实际工程应用中，应针对污泥性质，设计合适的耦合工艺。

3 化学法及相关工艺对污泥中ARGs的去除

3.1 高级氧化法

目前，国内污水处理厂剩余污泥的脱水方式主要为机械脱水，脱水后污泥中仍存在大量的ARGs，脱水泥饼进行填埋或土地利用都将造成ARGs的再传播[34]。因此，开发既能改善污泥脱水性能，又可减少污泥中ARGs的工艺迫在眉睫。近年来，以自由基为主的高级氧化法受到广泛关注。

臭氧(O3)在碱性条件下可以分解生成强氧化性羟基自由基(·OH)和过氧自由基(·O2-)，降解有毒有害物质[37]。Pei等[9]采用O3技术对制药污泥和市政污泥中四环素类ARGs进行处理，其基因浓度分别减少0.04～0.17 log和0.55～1.03 log。制药污泥中ARGs的削减大大低于市政污泥的原因可能是制药污泥上清液有机物质会消耗部分O3，体系中氧化能力被削减。由于O3氧化具有非选择性，O3在与ARGs反应前会先与溶解性有机质发生反应，随后破坏细胞膜，最后氧化ARGs。因此，选择O3去除ARGs时需投入较大的剂量，方可达到较佳的去除效果。

高级氧化法以强氧化性自由基为基础，可快速破解污泥絮体及细胞结构，导致EPS的脱落和胞内物质的流出，分解难降解物质，可提高污泥中ARGs的去除效率。

3.2 酸碱预处理

过高或过低的pH环境都能使污泥絮体解体、微生物细胞破坏，改善污泥脱水性能。研究表明，微生物的裂解对于ARGs的去除有显著效果。

Zheng等[20]研究了污泥酸化对ARGs的去除效果，结果表明，酸化预处理可降低污泥中大部分ARGs和intI1的绝对丰度，但会增加其相对丰度，当pH值为2.42时，VanC-03、tet34、tetM-01的绝对丰度略有增加，其余ARGs减少1.58～3.83 log。Wang等[37]研究了碱预处理反应时间对污泥中ARGs和intI1去除效果的影响，结果表明，碱预处理会增加除tetA和tetW外的ARGs丰度，intI1丰度减少0.17～0.75 log。Wang等[38]采用NaOH对污泥调理24 h，发现除tetB外的ARGs绝对丰度均增加，这可能是与处理过程中胞内DNA的释放有关。吴学深[40]研究了碱解联合热解对污泥中磺胺类ARGs、四环素类ARGs去除效果的影响，结果发现，热碱解对污泥中ARGs有显著去除效果。

酸碱预处理能破坏微生物细胞结构，但破坏能力有限，不能有效去除ARGs，在实际应用中可与厌氧消化等工艺联合使用，提高对ARGs的去除效果。

3.3 絮凝剂

絮凝剂通过中和污泥絮体表面电荷、吸附小颗粒物质等作用，提高污泥的沉降性，促进泥水分离[41]。

Zheng等[20]研究了污泥脱水过程中使用最为广泛的絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)和Fe3+/CaO对污泥中ARGs分布的影响。结果发现：2.30 mg PAM/(g DS)和4.60 mg PAM/(g DS)对污泥中总ARGs无显著影响，完整细胞和受损细胞数量无变化，且对ARGs相关菌的群落组成影响不大；Fe3+/CaO调理可显著减少污泥中总ARGs和intI1绝对丰度，对内酰胺ARGs相对丰度的去除率接近100%，但对氨基糖类ARGs的去除率仅为8.3%～15.4%，污泥中群落结构发生显著变化。Fe3+/CaO可通过损坏微生物细胞，降低污泥中的总细菌生物量，达到去除ARGs的目的。

污水处理厂常使用的PAM、PAC等污泥调理剂仅能达到絮凝作用，对污泥中ARGs的去除无显著效果。但当投加的药剂能够破坏污泥絮体及微生物结构时，可有效去除污泥中ARGs。

4 结论与展望

污水经过处理以后，水体中大约90%的ARGs会转移至污泥中，对脱水后的泥饼进行填埋、土地利用等都将造成ARGs在环境中传播和富集。因此，研究污泥预处理过程对其中ARGs的去除效果十分重要。物理法处理具有高效、快捷等优点，但单一预处理对污泥中ARGs的去除能力有限，无法满足污泥后续资源化处理的要求。生物法在污泥抗生素去除方面应用最为广泛，单独厌氧消化体系的去除效果不明显，当与其他工艺联合应用时可提高去除效率。生物浸出法对污泥中ARGs及IntI1有明显的削减作用，但存在生长过程长、反应速度缓慢等缺点，在实际应用中受到限制。化学法基建费用少，前期投资成本低，其中，高级氧化技术具有反应速度快、去除效率高等优点，且操作简便、价格优惠，可在实际工程中推广使用。

上述预处理方式对污泥中ARGs的去除均存在一定不足，不能直接应用于实际工程。建议今后从以下几方面展开研究。

(1)全面分析污水处理厂污泥ARGs的种类及含量，掌握污泥中ARGs的分布情况，针对不同的污泥性质设计相应的处理工艺。

(2)深入研究预处理过程对ARGs的去除机理，分析不同类型ARGs的去除机制，针对污泥中主要ARGs类型设计合理的去除方案，为后续工艺开发提供建议。

(3)单一预处理去除能力有限，药剂使用量大且成本高昂，可将具有协同作用的工艺进行组合，在提高去除效率的同时降低反应成本。