污水中抗生素抗性基因去除技术研究进展*

刘雨昊 郭 宁 刘梦梦 谭凤训 武道吉

(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101)

抗生素耐药性近年来受到公众的广泛关注，这一环境问题的出现被认为与抗生素的使用和滥用有关[1]。抗生素是一类具有抑菌或杀菌作用的化合物，在二战时期被应用于医疗行业。近年来,各种新型抗生素相继问世，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]。抗生素经人体或动植物排泄和生活废水一起进入污水处理厂，在长期抗生素毒性选择压力下，污水处理系统内产生大量抗生素抗性细菌和抗性基因(ARGs)[3]，使得污水处理厂成为ARGs最大的传播来源[4],ARGs随出水及剩余污泥进入自然界，对生态环境造成极大的破坏。

ARGs近年来被定义为一种新型的环境污染物[5]，它可以在生物体内不断复制，使其具有耐药性，这种耐药性包括：(1)通过相关酶的作用，使抗生素降解失活；(2)通过外排泵将抗生素排出体外；(3)通过对抗生素靶位点的修饰，使抗生素在细胞内无法产生作用。随污水排出后，ARGs进入各种环境基质中，包括沉积物、湖泊、河流、土壤甚至空气[6-7]，GUO等[8]调查了10种磺胺类和四环素类ARGs在长三角地区的传播情况，发现在7个水源地中均检测到所有目标ARGs，由于ARGs的水平转移特性，其可向一些未受抗生素直接污染的环境迁移，且丰度会不断增加[9]，从荷兰采集的河流沉积物样本显示，ARGs丰度在1940—2008年呈增加趋势[10]705。携带大量ARGs的剩余污泥作为肥料进入土壤，无疑会增加土壤中的ARGs污染风险[11]，若携带了相关ARGs的农作物进入人体内，其引发的耐药感染会带来更加严重的健康问题。联合国报告指出，全球每年至少70万人死于耐药性疾病，如果这种情况无法得到遏制，至2050年，全球每年因耐药感染致死的人数可达1 000 万[12]。抗菌药物耐药性被公认为21世纪全世界人类健康的最大威胁之一[13]。

对于这种新型的环境污染物，有必要对其进行消减和控制，当前对于ARGs的研究日益增多，去除方式各异，本研究从生物处理、消毒工艺、高级氧化、复合工艺等方面，对国内外最新的ARGs处理技术进行全面的汇总和介绍。

1 生物处理

生物处理技术对水中的ARGs有一定的削减作用，可分为好氧处理和厌氧处理两种方式，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。

活性污泥法是生物处理技术的核心，其对ARGs的去除主要是依靠微生物高效吸附来实现。GAO等[14]发现，经活性污泥法处理后，ARGs丰度减少了2～3个数量级，其中tetW和tetO丰度明显降低；BÖRJESSON等[15]研究发现，四环素ARGs经活性污泥处理后tetA丰度减少0.4～1.5个数量级，tetB减少0.5～1.6个数量级；SU等[16]发现好氧处理也有利于垃圾渗滤液中ARGs的降解。活性污泥系统的处理工艺不同，去除效果也不同。 CHRISTGEN等[17]发现厌氧/好氧组合工艺比单独好氧、厌氧工艺对ARGs的去除效率高，但谢辉等[18]以厌氧/缺氧/好氧工艺为研究对象，对进出水的ARGs进行定量分析，发现污水处理最终出水的ARGs出现了富集的情况，基因的水平转移和微生物群落的变化导致了结果的差异[19]。活性污泥系统的不同工艺会直接影响ARGs水平转移及微生物群落，水平转移可通过接合、转导和转化作用使ARGs在细菌之间进行扩增；微生物群落的改变决定了ARGs宿主菌的变化，进而影响ARGs丰度。

虽然活性污泥法可以吸附去除部分ARGs，但其在污水处理后的剩余污泥仍然大量存在[20]，厌氧污泥消化可以去除部分ARGs[21]，并且高温条件可以提高厌氧污泥消化对ARGs的去除率。GHOSH等[22]研究表明，与中温污泥消化相比，嗜热污泥消化在消减ARGs方面更为有效；TIAN等[23]也证实，温度升高后，消化污泥的ARGs丰度减少了59.8%，这是因为嗜热污泥中移动基因元件(包括质粒、插入序列和整合子等)比中温污泥具有更小的流动性，使ARGs在高温条件下水平转移的可能性降低，另外，细菌的总丰度从中温污泥的23.27%降至嗜热污泥的11.92%，表明升温后ARGs垂直进化的宿主较少，即在高温条件下，ARGs的水平转移和垂直进化的能力均有所减弱。

膜生物反应器是将膜分离技术与活性污泥法相结合的技术，其对ARGs和抗生素抗性细菌的去除效率显著高于传统的活性污泥法[24]。膜生物反应器去除ARGs的主要机理是依靠膜组件的截留和吸附作用。CHENG等[25]研究发现，ARGs的去除效果与膜污染程度呈正相关，即污染程度越高，去除效果越好。致密的膜污染层和膜本身构成的双重屏障，阻止了膜生物反应器中ARGs的流出[26]。另外，膜生物反应器的操作条件会影响ARGs的丰度。在好氧状态下，由于微生物活性较强，ARGs的水平转移增多，ARGs丰度呈上升趋势；而在厌氧和缺氧状态下，ARGs的丰度均有所下降，这是因为厌氧状态下微生物活性较差，ARGs水平转移受到抑制[27]。虽然膜生物反应器可清除一定量的抗生素抗性细菌、ARGs，但主要还是依靠生物膜的黏附作用。生物膜上富集着大量的ARGs，仍需进一步去除[28]。

人工湿地处理生活污水具有运行成本低、便于维护等优点，其去除ARGs的机理和活性污泥法相似，主要为物理吸附，人工湿地中的生物填料和植物根际生物膜对ARGs存在一定的吸附截留作用[29]。潜流人工湿地比表面流人工湿地的去除效果更加优异，其主要原因是填料的吸附作用。CHEN等[30]发现水平潜流人工湿地可以吸附大量的抗生素抗性细菌和ARGs，去除率可达50.0%～85.8%，其填料以沸石为基质，具有微孔结构，可以提供用于化学吸附和微生物附着的大表面积；HUANG等[31]研究垂直潜流人工湿地对养猪废水中四环素ARGs的去除效果，tet绝对丰度去除率可达45.4%～99.9%；而LIU等[32]在对表面流人工湿地的研究中发现，出水之后土壤表面的tet有所降低，但sul丰度明显增加。此外，人工湿地的温度、水力负荷、水流方向等对ARGs的丰度也有一定影响。FANG等[33]观察到湿地出水中ARGs的绝对和相对丰度在夏季高于冬季，这是由于温度升高促进了土壤中携带ARGs细菌群落的存活，并且较高的水力负荷可能会增强ARGs载体在土壤和水相之间的扩散和交换；在垂直流人工湿地中，tet和intl1的去除率在33.2%～99.1%，而上向流人工湿地出水中检测到的大多数tet相对丰度比进水更高，这是因为其出水中的耐药菌比例更高[34]。优化运行条件使处理效果达到最佳，将是今后研究的重点方向。总体而言，人工湿地可以达到与传统活性污泥法相当甚至更好的ARGs去除效果。

生物处理的主要去除机制是生物吸附，ARGs并未受到破坏和分解，在污泥中仍然大量存在，因此需要更高效的技术来去除ARGs。

2 消毒工艺

消毒工艺一般用于去除出水中的病原微生物，其机理是改变微生物细胞膜的通透性，破坏微生物蛋白质的结构，使细胞失活。常用的消毒工艺有氯消毒、臭氧消毒、紫外(UV)消毒等。

氯消毒并不能有效去除ARGs，反而会使其在氯消毒过程中大量富集。SHI等[35]在自来水中检测到sul1、tetA和tetG是丰度最高的ARGs，经过氯化处理后，sul1大量减少，而其他ARGs丰度显著增加。余氯是导致ARGs富集的关键因素，它通过影响微生物群落结构[36]，增加群落的多样性[37]，从而使ARGs的宿主菌增多，导致ARGs的大量富集。JIA等[38]发现，氯消毒后微生物群落发生改变，如假单胞菌(Pseudomonas)和食酸菌属(Acidovorax)等耐氯菌作为ARGs宿主菌对氯化作用不敏感，可在环境中持久存在，导致了ARGs相对丰度的增加。氯对ARGs的灭活效率并不高。YOON等[39]783研究发现氯致ARGs损伤要比相应的细胞损伤和膜损伤慢得多，减少ARGs 4个数量级需要37～72 mg的氯接触量。此外，质粒过度复制[40]也可能是氯消毒下ARGs富集的原因：在氯化作用下细胞的应激反应能促进质粒在细菌细胞中的复制，增加存活细菌细胞中质粒的拷贝数，从而导致水中ARGs的相对丰度增加。氯化作用对细菌细胞膜的影响也是ARGs富集的原因之一，但其影响机理目前存在一定的争议。有学者发现氯化可以降低细菌膜的通透性并抑制分子运输，从而导致抗生素耐药性的产生[41]，而GUO等[42]5776研究发现，加氯产生的氯胺可以刺激细菌，使其细胞膜通透性增加，诱导细胞表面产生更多的毛状体，促进ARGs的水平转移。

臭氧作为氧化剂和消毒剂，具有高效、降解能力强且不产生二次污染的特点[43]，它具有的强氧化性可以使DNA、RNA裂解，高效去除ARGs[44]。SOUSA等[45]439发现intl1和sul1经臭氧氧化处理后，其丰度减少了1个数量级。ALEXANDER等[46]108对污水进行臭氧处理后发现，万古霉素耐药基因vana和亚胺培南耐药基因blaVIM的绝对丰度在臭氧氧化后分别降低了49.9%和18.7%，而氨苄西林耐药基因ampC和红霉素耐药基因ermB经臭氧处理后绝对丰度明显下降，分别为69.8%和99.3%，这一差异可能与携带耐药基因的核苷酸酶有关，即存活细菌的DNA中鸟嘌呤核酸酶的含量较高，鸟嘌呤—胞嘧啶碱基对相对于腺嘌呤—胸腺嘧啶碱基对含有更多的氢键，与富含胸腺嘧啶的DNA相比，在臭氧的作用下更稳定[47]。臭氧对ARGs的处理效果受多种操作条件影响，如pH、悬浮物(SS)、腐殖酸浓度、臭氧浓度、接触时间等。在高pH之下，臭氧不易生成羟基自由基，因此较低的pH条件下，去除效果更好；由于SS可与臭氧产生的各种自由基发生反应，因此随着SS浓度的增加，会导致臭氧消毒效率的下降；而在较高浓度的腐殖酸下，臭氧与腐殖酸发生反应，产生低分子量的含氧副产物，这些副产物通常比其前体物更具生物降解性，对ARGs去除效果更好；因此较高的臭氧浓度和接触时间可提升臭氧的去除效果[46]111，而浓时积对去除效果的影响很小[48]。

UV消毒的机理是利用适当波长的UV，破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构，造成细胞死亡而达到灭菌消毒的效果。UV对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等[49]，从而改变DNA的生物活性，因此可将其应用在ARGs的去除上。SOUSA等[45]439发现intl1和sul1经波长为254 nm的UV处理后，丰度减少了0.5个数量级。UV消毒处理效果取决于UV剂量。GUO等[42]5771发现UV照射剂量为8 MJ/cm2时只降低抗生素抗性细菌的数量，但不改变细胞的通透性，对ARGs的影响不大；而高剂量UV(>10 MJ/cm2)或氯气(>80 mg·min/L)对ARGs水平转移有明显抑制作用。MCKINNEY等[50]发现致ARGs损伤需要更大的UV剂量。ZHENG等[51]也发现当UV照射剂量为40 MJ/cm2时，四环素类ARGs的去除率仅为52.0%～73.5%；当照射剂量升高到160 MJ/cm2时，去除率提高为79.7%～92.0%，显然这种强度应用于污水处理厂是不切实际的。

综上所述，若要实现对ARGs更多的去除，消毒剂的用量必须远远高于常规水处理的要求，当前的污水处理厂只能去除部分ARGs，而其他的方法，包括更加先进的消毒技术和组合工艺，还需要进一步研究。

3 高级氧化技术

高级氧化技术泛指有大量羟基自由基参与的化学氧化技术，作为一种新型的深度处理工艺，高级氧化技术具有降解彻底、反应速率快、不易产生二次污染、水质适用范围广等优点[52-53]。高级氧化技术去除ARGs方面的研究也取得了一定的进展，本研究介绍的高级氧化技术主要有光催化氧化组合工艺、Fenton氧化法。

光催化所用的光主要为UV，通过将UV辐射与其他氧化剂/催化剂(氯、H2O2、过一硫酸盐(PMS)和光催化剂)相结合，使其产生具有强氧化能力的羟基，从而氧化去除环境中的ARGs[54]。ZHANG等[55]190发现，在最佳条件下，UV/H2O2法可氧化去除ARGs丰度2.63～3.48个数量级。RODRGUEZ CHUECA等[56]采用H2O2/短波UV(UV-C)、PMS/UV-C、PMS/Fe(Ⅱ)/UV-C等不同性质的高级氧化技术来处理污水处理厂中的抗生素和ARGs，发现PMS/UV-C是去除抗生素效果最好的处理技术，羟基和硫酸根的产生促进了光解去除抗生素，尽管其他的组合被认为能产生更高浓度的自由基，而单独的UV-C是去除ARGs最有效的技术；然而HU等[57]却发现PMS/UV-C对sul1和intl1的去除要比单独处理更出色。由于细胞组分清除了大量的羟基自由基，氧化剂和UV对胞内ARGs(I-ARGs)的损伤率低于胞外ARGs(E-ARGs)，即E-ARGs比I-ARGs更容易被降解[39]783。UV/TiO2也是降解ARGs有效的光催化技术，REN等[58]利用TiO2改性聚偏二氟乙烯(PVDF)膜光催化降解ARGs，对ARGs的总去除率在UV照射后可达98%，并且能有效地去除intl1、intl2和intl3，这表明TiO2光催化反应能有效地控制ARGs的水平转移。MOREIRA等[59]用臭氧耦合发光二极管(LED)辐射TiO2薄膜的光催化技术将相关的ARGs(blaTEM、qnrS和sul1)成功地去除到定量限水平。

Fenton氧化法去除ARGs有极佳的效果，这是因为Fe2+催化H2O2产生的羟基自由基可以扩散到细胞质中并引发细胞内Fenton反应，致使胞内组分流失和细胞表面变形，这种变形可能导致细胞渗透性的丧失，以及细胞肿胀和破裂，最终导致DNA损伤、诱变[60]226。Fenton工艺的效率受H2O2浓度、Fe2+催化剂用量、溶液pH和反应时间的影响[61]。研究表明，在Fe2+/H2O2摩尔比为0.1、H2O2为0.01 mol/L、pH为3.0、反应时间为2 h的条件下效率最高，可去除ARGs丰度约2.58～3.79个数量级[55]184；SHARMA等[10]705的实验结果表明，在其他反应条件相同，H2O2为0.005 mol/L时，ARGs的丰度可减少2.42～3.48个数量级，然而有学者提出，在pH为3的Fenton氧化过程中， ARGs的去除是由氧化系统中产生的自由基引起的还是通过酸化而引起的，仍有待研究[60]221。HOU等[62]发现UV、臭氧氧化、Fenton氧化以及Fenton/UV等高级氧化技术中，Fenton氧化和Fenton/UV是去除制药废水中总细菌和ARGs的最有效方法；GIANNAKIS等[63]进行太阳光和太阳光/Fenton法消除抗生素抗性细菌和ARGs的研究，发现两者均能有效去除ARGs，相比之下太阳光/Fenton法的去除速率更快。与此同时，Fenton氧化会产生大量的Fe2+，造成二次污染，增加后续处理的成本和难度。

高级氧化所产生的羟基自由基对胞内基因的分解很少，这可能是大量的羟基自由基被细胞内组分清除所致，因此高级氧化技术去除的ARGs主要集中在胞外，胞内的ARGs仍需进一步处理。高级氧化技术作为一种新型的水处理工艺，如能解决成本高、无法大规模运用等难题，未来将具有广阔的前景。

4 复合工艺

复合工艺是指多个工艺组合在一起去除ARGs的技术，可以达到优势互补的效果，进一步提高出水水质。消毒工艺的结合可以有效去除ARGs：UV/氯化工艺在对ARGs的去除中有很好的效果，对两种目的基因sul1和intl1的降解速率为UV/氯化>氯化>UV，在UV/氯化反应中，sul1和intl1的去除量分别达到3.50、4.00个数量级以上[64]。孙丽华等[65]发现生物粉末活性炭/超滤工艺相较于直接超滤，对ARGs去除有较大提高，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。运用于给水工程中的混凝工艺，被发现可去除约1个数量级的ARGs[66]，张启伟等[67]利用混凝沉淀/超滤对4种ARGs(tetA、tetG、sul1、sul2)的去除性能进行研究，发现可去除0.5～3.1 个数量级。复合工艺的处理过程相对于单独的工艺更为复杂，但其处理效果比后者更加优异。各处理技术的去除效果及特点见表1。

表1 各处理技术去除效果及特点

5 总结与展望

由于环境气候、进水水质、运行参数等条件的不同，可能会造成个别研究中实验结果的差异，但总体上来说，各类水处理技术对ARGs并没有实现完全去除，由于处理成本的限制，当前的ARGs处理技术仍以生物处理为主，绝大多数污水处理厂并没有专门的工艺去除ARGs，每天仍有大量的ARGs通过污水处理厂出水排放到自然水体，影响着生态稳定和人类健康。

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，相反地，ARGs可在污泥中富集，使得污水处理厂真正成为ARGs污染的“发源地”。消毒工艺如UV消毒虽能够实现ARGs的大量去除，但其需要的剂量远远超过常规水处理所需要的量；高级氧化技术虽然高效、快速，但却无法大规模运用，更不可能为了处理ARGs而单独设置某一道工艺。根据目前所面临的问题，今后可从以下几点进行更深入的研究：

(1) 活性污泥工艺产生的剩余污泥中吸附了大量的ARGs，针对此问题，应采取更为有效的污泥处理技术，防止其进入环境，造成更大的污染。

(2) 开发更加高效的低剂量消毒剂或消毒组合工艺，在保证处理成本的同时更有效地去除ARGs。

(3) 提高光催化及Fenton氧化等高级氧化技术的利用率，最大程度减少二次污染。

(4) 在现有程度上优化工艺运行参数，运用组合工艺形成优势互补，在保障污水处理厂基本处理功能的前提下，使得ARGs去除更加高效化。

(5) 亟需先进的技术应用于这一领域，如氧化石墨烯等纳米材料对ARGs去除更加高效，若将其应用于膜组件及滤料中，如能克服成本、生态毒理学等问题，将具有广阔的前景。

(6) 针对ARGs污染日益严重的问题，相关的排放标准及风险还有待进一步研究。