污水处理系统中抗性基因的研究进展

胡啸威，沈梦楠，杨 帆，胡 艺，卜小丹，陈 涛，蔡 航，刘青宇，张 明

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春 130118；2.长春水务集团城市排水有限责任公司，吉林长春 130118）

自20世纪40年代以来，越来越多的抗生素被制造和临床使用。其高消耗、不正确的处理方法，以及人类和动物的排泄导致抗生素及其代谢物进入环境中。在环境中，抗生素不仅可以对生物产生直接的毒性作用，更重要的是它们能够引起耐药菌的产生，同时产生抗性基因（ARGs），对人体健康和抗生素药物的疗效造成威胁。人类生产生活及抗生素废弃物处置等过程所产生的废水，最终均会经管网进入污水处理厂，污水处理厂也因此被视为ARGs 的蓄水池。污水处理厂在ARGs 遗传重组、传播扩散中发挥了重要作用，且常规生物处理不能完全消除ARGs。同时，将剩余污泥用作农业肥料也会增加ARGs 在环境中的负荷。因此，污水处理厂是ARGs 进入环境的重要途径。了解污水处理厂中ARGs 的分布规律和作用机制，能更好地解决ARGs 污染问题。

1 污水处理厂中ARGs的分析方法

目前，分析污水处理厂中ARGs 水平主要有两种方式，一是基于培养的方法，二是基于分子生物学方法。基于培养的方法是了解分离物表型特征及其耐药模式的关键，但是因为可培养部分仅占总数的1%，所以对环境细菌有限制。基于样本中分离总DNA 并使用聚合酶链式反应或定量聚合酶链式反应技术检测编码ARGs 的特定核苷酸序列的分子生物学方法，是目前较为常用的ARGs 分析手段。该方法可用于识别实验室无法生长或繁殖速度很慢的微生物中的特定DNA 目标，核酸提取过程和分离DNA 的质量对于后续PCR 基因检测至关重要。

如今，高通量测序技术是研究微生物群落多样性和基因表达的重要工具，下一代测序技术发展突飞猛进。越来越多的研究利用高通量测序检测污水中的ARGs，与传统的技术相比，高通量测序手段不受特定引物可用性的限制，对未知目标污染物检测具有优势。然而需要注意的是，通过下一代测序进行的宏基因组和转录组分析需要参考细菌基因组的数据库来比较基因序列和基因活性。数据库的数据量使该方法具有一定的局限性。

2 污水处理厂中ARGs的赋存现状

污水处理厂中的生物处理单元由于微生物密度高、种群结构丰富，营养物质含量充足，同时微生物长期暴露在低浓度抗生素选择压力下，使得抗生素抗性基因可通过基因水平转移，污水处理系统中扩散、传播，因此，ARGs 在污水处理厂中广泛存在。Zhao 等[1]使用宏基因组技术，对中国东部农村地区的6个污水处理厂中进水和出水的ARGs 进行分析，结果在进水样本中鉴定出66种ARGs，主要包括杆菌肽、四环素、磺胺和青霉素类ARGs，相对丰度分别为27.8%、8.7%、6.2% 和 3.9%；在出水样本中鉴定出64 种ARGs，主要包括杆菌肽、四环素、磺胺和青霉素类。研究者利用宏基因组技术，对分布于中国17个主要城市的32个污水处理厂中ARGs 分布进行分析[2]，结果表明，在污水处理厂中ARGs 分布呈现明显的时空差异，在同一水厂中丰度也存在季节性变化。Ocean 等[3]利用荧光定量PCR 技术，检测了尼泊尔加德满都谷地的城市河流、医院和城市废水中的ARGs（sul1、tet（B）、blaCTX-M、blaNDM-1、qnrS）和一类整合子（intI1）基因，结果发现，污水处理厂和医院污水中的ARGs 浓度在6.2～12.5 log10copies/L，说明污水处理厂和医院废水在ARGs 传播中扮演重要的角色。Shahbaz 等[4]利用宏基因组测序技术，对韩国12个城镇污水处理厂的进水和出水中ARGs 进行鉴定分析，结果发现，进水中存在165～725种ARGs，出水中存在124～548种ARGs，在所有污水处理厂中，进水中ARGs 的丰度普遍高于出水，然而有5个污水处理厂的出水ARGs 丰度高于进水，表明大部分污水处理厂的处理工艺可以去除一定量的ARGs，然而在处理过程中也可能使富集在污泥中的ARGs 重新进入水体，这一现象值得关注。有研究者整理了2007年至2019年美国、加拿大、芬兰、葡萄牙、意大利、德国、捷克、比利时、中国和沙特阿拉伯等国家的污水处理厂进水和出水中ARGs 的丰度，发现污水处理系统中β-内酰胺类（blaTEM）、大环内酯类（ermA、ermF）、磺胺类（sul1）、四环素类（tetM、tetQ）、喹诺酮类（qnrS）抗性基因和1类整合子普遍存在[5]。上述研究结果表明，污水处理系统是ARGs 的巨大储库，污水处理系统中的ARGs 污染已成为全球性问题。

3 污水处理厂中ARGs去除技术

目前全球有90%以上的市政污水处理厂采用生物处理工艺，常用的生物处理技术有活性污泥法、膜生物反应器和人工湿地等。研究表明，活性污泥工艺对进水中的抗性菌和抗性基因有显著的削减作用。Eric等[6]检测了威斯康星州的2个采用活性污泥工艺的污水厂中的抗性基因含量，发现出水中抗性基因丰度显著低于进水丰度，表明活性污泥工艺能起到削减抗性基因的作用。有研究在对ARGs 的丰度和去除研究的基础上更加关注不同处理工艺对ARGs 的去除效果，以求相关研究结果为污水处理厂的针对性改建提供参考。Lin 等[7]针对不同处理工艺对ARGs 的去除效果研究，结果发现A2/O-MBR 工艺和A2/O-HEFS/CMF都可以有效地降低ARGs 的多样性和浓度，但是A2/O-MBR 工艺对ARGs 的去除效率更高。Sabri 等[8]对荷兰3家不同处理工艺的污水处理厂（常规活性污泥处理、常规活性污泥处理+AC 过滤、好氧颗粒污泥）中ARGs 的去除进行了研究，研究发现，三个污水处理厂中进水ARGs 绝对丰度分别为4.6×105～1.1×108、1.5×105～3.1×107、4.3×105～1.4×107copies/L。其中采用好氧颗粒污泥工艺的污水处理厂中ARGs 降低了2.3个数量级，采用常规活性污泥处理工艺的污水处理厂中ARGs 降低了2个数量级，采用常规活性污泥处理+AC 过滤工艺的污水处理厂ARGs 降低了1.3个数量级。但是，这些减少的抗性菌和抗性基因主要被污泥吸附，并未得到真正地去除，依然可能会随着污泥的再利用而进入土壤环境，威胁人类健康。Xu 等[9]研究了不同温度下（35℃～55℃）厌氧消化污泥系统中ARGs 的变化，结果表明与嗜温污泥（35℃）相比，嗜热污泥（55℃）可更好地去除四环素、大环内酯、青霉素等类抗性基因，这些基因的去除率达到29.7%～32.3%。这是因为污泥温度升高会导致编码抗生素外排泵的基因减少、多重耐药细菌大量地被杀死和污泥系统中微生物群落多样性的丧失。因此，在污泥排入环境之前可以对污泥加热升温来削减污泥中的部分ARGs。

4 结束语

污水处理系统是ARGs 的巨大储库，系统中ARGs 污染问题十分严重，若不引起重视将会危及周围环境及人类健康。污水处理厂中ARGs 的研究方法各有优势，需要结合样品特点和实验目标来合理选择适当的方法。生物处理虽然可降低ARGs 的丰度，但起主要作用的仍然是物理吸附，ARGs 并未从根本上去除，ARGs 能在污泥中富集，使得污水处理厂真正成为ARGs 污染的“发源地”。目前，污水处理工艺能够削减出水中抗性基因，但剩余污泥中抗性基因丰度却十分高，因此，有效处理剩余污泥，控制抗性基因在环境中的扩散需要深度研究。