城市供水水源中抗生素抗性基因污染及其在饮用水厂的去除研究进展*

侯 伟 孙 莉 杨 晓 胡 芳 孙韶华 赵清华 贾瑞宝#

(1.山东省城市供排水水质监测中心，山东 济南 250101；2.德州宏德煤炭质量检测有限公司，山东 德州 253000)

抗生素是20世纪医学领域最重要的发现之一，被广泛应用于医疗、养殖等行业，为人类社会发展做出重要贡献。但抗生素进入人体或动物体内后并不会被全部吸收，而有很大一部分会随排泄物排出体外，随地表径流、土壤渗透等作用进入江河水、湖库水和地下水等环境水体中，成为城市供水水源中抗生素抗性基因(ARGs)的重要来源[1-3]。2006年，PRUDEN等[4]正式提出将ARGs列为一类新兴污染物，开始受到人们的关注与重视。ARGs具有“可复制”“可传播”“不易消亡”等特点，在环境中可持久性残留、迁移和传播，因此ARGs往往比抗生素本身对人类健康的危害更大[5]。微生物基因组中的可移动遗传元件(如质粒、转座子、整合子)可通过转化、转导、接合等方式对ARGs进行传播扩散[6]。

城市饮用水水质安全关系到居民健康，之前有关水质安全的研究主要涉及的污染物是营养盐[7]、重金属[8]、持久性有机污染物(POPs)[9]、消毒副产物及其前体物[10]等。近些年，由于在不同供水水源中不断检测出多种ARGs，全球各地开始对供水水源中ARGs的存在及含量高度关注，并对饮用水厂处理工艺提出了更高的要求[11-12]。因此，掌握城市供水水源中ARGs的种类、含量等特征，探索饮用水厂适宜的ARGs去除工艺，成为了保障居民饮用水安全方面新的研究热点。本研究针对城市供水水源ARGs污染及去除这一重大问题进行了综述，并对今后的研究重点及方向提出建议和展望，有助于揭示ARGs在城市供水系统中的分布规律。

1 城市供水水源中ARGs污染的研究进展

近年，在江河水、湖库水和地下水等供水水源中检测出了ARGs[13]。江河水、湖库水和地下水作为城市的主要供水水源，其中的ARGs污染及其引发的环境和健康风险应引起学者和管理者们的重视。以下总结了江河水、湖库水和地下水等供水水源中ARGs的主要种类、检出频率、检出丰度等信息。

1.1 江河水

在我国的城市供水水源中，江河水中抗生素质量浓度超过了7 560 ng/L，平均也达到了303 ng/L[14]。由于大量抗生素的存在而诱发了ARGs污染。目前，我国的重要江河水中都检出了多种ARGs。杨继平等[15]对天津海河中的磺胺类ARGs进行检测发现，sul1最大丰度达到8.5×105拷贝数/mL，sul2达到1.4×107拷贝数/mL。JIANG等[16]在黄浦江中检出了2种磺胺类ARGs、8种四环素类ARGs和1种β-内酰胺类ARGs，丰度为36.60～1.62×105拷贝数/mL。ZHENG等[17]在浙江张溪河检测并分析发现，ARGs丰度受温度影响比较明显，一年中夏季丰度最高，达到2.81×106拷贝数/mL。STOLL等[18]在德国莱茵河中检出了20多种ARGs，其中磺胺类ARGs检出频率最高，达到77%～100%。PRUDEN等[19]在美国科罗拉多州的多条河流中检出了四环素类ARGs和磺胺类ARGs，并发现从上游至下游sul1的丰度呈逐渐增加的趋势。以上研究表明，在城市供水水源中，江河水已成为了ARGs的一个主要储库，检出种类多、检出频率高、检出丰度大，但存在很大的时空差异。

1.2 湖库水

湖泊和水库在我国很多地区是非常重要的供水水源，但是湖泊和水库由于往往兼具观光、灌溉等多种功能而容易受到人类活动的影响，因此很容易积累和传播ARGs。YANG等[20]对长江中下游地区的洞庭湖、阳澄湖等15个代表性湖泊进行了ARGs污染调查，发现所有湖泊均受到了不同程度的ARGs污染，以磺胺类ARGs和四环素类ARGs的分布最为广泛，其中tetG的分布最广，每个16S rRNA发现了4.74×10-3拷贝数。ZHANG等[21]对我国京津冀地区符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类水标准的供水水库进行调查发现，潘家口水库和官厅水库均检出高丰度的ARGs，其中sul1、tetM和ermB的检出频率均为100%，丰度在106～108拷贝数/mL数量级。GRAHAM等[22]在古巴某水库中检出了3种β-内酰胺类ARGs、2种红霉素类ARGs和5种四环素类ARGs。XI等[23]调查显示，美国的24座大型城市供水水库中均发现含有ARGs，这些水库的供应人数至少有4 000多万。由此可见，世界各地的湖库水也已不同程度地受到了ARGs的污染，即使常规的理化指标和生物指标达到一定标准，仍然存在很大ARGs检出风险，其对水生生态系统及人体健康的潜在危害不容忽视。

1.3 地下水

ARGs可随地表径流、土壤渗透作用等方式进入地下水，使得地下水中也频繁检出ARGs[24]。KOIKE等[25]连续3年对美国多个养猪场周围的地下水进行检测，发现tetM、tetQ、tetW等7种四环素类ARGs丰度为1.00×105～2.71×106拷贝数/mL，说明养殖场中抗生素的大量使用，已导致周围地下水受到ARGs污染。KNAPP等[26]研究发现，地下水由于大部分处于低温、黑暗条件，不利于ARGs的降解，因此地下水很可能是ARGs的另一重要储库。但是，目前有关地下水中ARGs的研究还相对较少，为全面评价ARGs对供水水源的污染现状，地下水中的ARGs研究也不可忽视。

2 饮用水厂对ARGs的去除

供水水源中的ARGs经饮用水厂处理后并不能完全去除，不同的饮用水处理工艺对ARGs的去除效果差异很大，其中微生物基因组中的可移动遗传元件对ARGs的传播和扩散起到很大作用，有些ARGs甚至在经过饮用水处理工艺处理后出现不降反升的现象，因此需加强饮用水厂中饮用水处理工艺对ARGs去除效果的研究，以最大限度地控制ARGs对人类健康的影响。

2.1 常规处理工艺

混凝、沉淀、砂滤等是饮用水的常规处理工艺，其中混凝、沉淀是ARGs去除的关键阶段[27]。投加混凝剂使原水中悬浮物、有机物等与游离的抗性细菌(ARB)结合形成大分子聚合物，经沉淀处理后，携带ARGs的ARB得到消减，从而使饮用水中的ARGs丰度大幅降低。相关数据显示，饮用水厂混凝工艺对ARGs的平均去除率可达42.5%～84.2%[28]629。张启伟等[29]以聚合氯化铝和聚合硫酸铁作为混凝剂，在投加量分别为0.85、0.50 mmol/L时，对水中各类ARGs的去除量都明显提高。LI等[30]向水中投加氯化铁或聚合氯化铁进行混凝，发现对各种ARGs的去除效果优于人工湿地、曝气生物滤池和紫外消毒。有研究发现，饮用水厂中原水经过混凝处理后，ermB丰度明显下降，但经砂滤处理后，部分ARGs丰度却有所升高，这可能是由于滤料表面附着的生物膜因老化脱落进入水中所致[31]。以上结果表明，饮用水厂的混凝、沉淀、砂滤等常规处理工艺基本上可对ARGs进行有效去除，但也存在一些不确定因素。目前，对于饮用水厂中混凝、沉淀、砂滤等常规处理工艺对ARGs或ARB的去除机制研究较少，未来应加强这一领域的研究。

2.2 消毒处理工艺

消毒处理工艺主要可通过灭活ARB来去除饮用水中的ARGs。目前，饮用水厂多采用臭氧消毒、加氯消毒。臭氧接触单元主要可以消除水中的有机物、病毒和细菌，但只对部分ARGs有一定的去除效果，难以明显降低或彻底去除ARGs。RIVERA UTRILLA等[32]发现水中磺甲硝咪唑与臭氧接触并进入活性炭柱后，磺甲硝咪唑含量会明显下降，从而可降低诱导产生ARGs的可能性。XU等[33]报道称，钱塘江某饮用水厂的臭氧消毒处理工艺仅能使四环素类ARGs稍有降低(去除率约为20.57%)，而其他种类的ARGs反而会增加。加氯消毒是饮用水厂最普遍采用的消毒方式，由于余氯对膜外蛋白基因和脱氧核糖核酸(DNA)转移相关的基因表达会产生抑制作用而可有效降低ARGs可移动遗传元件，从而可降低ARGs的丰度[34]。但SHI等[35]发现，加氯消毒后empC、ermA、ermB等7种ARGs含量升高。以上结果表明，消毒处理工艺对ARGs去除也存在不确定性。

2.3 深度处理工艺

活性炭由于其发达的空隙结构而具有良好的吸附作用，因此活性炭吸附是一种稳定高效去除一些污染物的水处理工艺，可以作为去除ARGs的深度处理工艺，但单独处理对ARGs的去除效果并不理想。研究表明，磺胺类ARGs(如sul1、sul2)、四环素类ARGs(如tetA、tetG)、万古霉素类ARGs、β-内酰胺类ARGs、氯霉素类ARGs和大环内酯类ARGs经活性炭吸附后丰度甚至会升高，出现这种情况的原因可能是因为吸附在活性炭表面生物膜上的微生物转移或诱导了ARGs[28]627。除活性炭吸附外，目前研究较多的饮用水深度处理工艺主要还有膜过滤、高级氧化等。汪清等[36]研究了纳滤膜和反渗透膜对水中四环素类ARGs的去除效果，发现纳滤膜和反渗透膜对四环素及四环素类ARGs的去除效果均较为理想。BÖCKELMANN等[37]认为，超滤膜对某些种类的ARGs也有一定的去除效果，发现经超滤膜处理后磺胺类ARGs和四环素类ARGs丰度有所减少，但对其他ARGs没有去除效果甚至还有增加的可能。

饮用水厂对ARGs的去除效果的不确定性主要与各饮用水厂的来水水质、工艺流程等情况相关，由此可见ARGs的去除是一个复杂的过程。因此，要不断对饮用水处理工艺进行改进，以最大程度地去除水中的抗生素及ARGs，达到遏制其传播和扩散的目的，从而降低其对水体的污染以及对人体的危害。

3 建议与展望

(1) 目前已有大量学者开展水环境中ARGs来源、分布、传播规律以及其环境风险的研究，但在饮用水供水系统中的ARGs传播和扩散机制尚缺乏足够研究，在抗生素及ARGs的环境行为和风险评估方面的研究也较为欠缺，针对ARGs的生态环境安全评价和风险预警机制也尚未形成系统的体系。因此，有必要进一步深入研究ARGs在城市供水水源中的分布特征、环境归趋、消减规律等，尤其是各种环境因素和其他污染物对其转移和扩散的影响、作用机制，以找到有效遏制其转移和扩散的方法。

(2) 饮用水厂是去除饮用水中ARGs的关键，决定着ARGs是否会通过饮用水途径进入人体，因此有必要加快研究和改进水处理工艺对ARGs的去除，解决其中的不确定性，利用组合工艺的优势探寻更加高效实用的ARGs控制和处理工艺。更进一步，建议加强环境因素(如温度、光照等)和不同组合工艺在不同工况条件下对ARGs转移和扩散的影响及机制研究，以遏制ARGs在饮用水中的传播，保障饮用水安全。