人工湿地去除污水中抗生素及其抗性基因研究进展_柳林妹 (1).pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220121基金项目:北京市自然科学基金“再生水灌溉土壤抗生素耐药菌群落融合与传播机制研究”(8222059);北京市高精尖学科“陆地表层学”资助第一作者:柳林妹(1997)，女，硕士研究生，主要研究方向为抗生素及其抗性基因环境行为。*通信作者:滕彦国(1974)，男，教授，主要研究方向为环境水文地球化学。teng1974 163comDOI:10.13205/jhjgc202212035柳林妹，滕彦国，杨光，等 人工湿地去除污水中抗生素及其抗性基因研究进展 J 环境工程，2022，40(12):270280人工湿地去除污水中抗生素及其抗性基因研究进展柳林妹1滕彦国1，2*杨光3陈海洋2(1北京师范大学 水科学研究院，北京 100875;2地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875;3哈尔滨供水集团有限公司，哈尔滨 150070)摘要:针对污水中抗生素及抗生素抗性基因的存在及潜在危害，总结了人工湿地去除污水中抗生素及其抗性基因研究的最新进展。已有研究表明:人工湿地对污水中抗生素的去除率为 60%100%，对抗生素抗性基因的去除率为 10%100%，季节、进水水质、水力停留时间、温度、pH、微生物、植物、基质等是影响人工湿地去除抗生素及其抗性基因的主要因素，微生物降解、光降解、吸附、植物吸收和植物降解是主要去除机制。人工湿地虽然可以去除抗生素及其抗性基因，但抗生素在基质的富集以及出水抗生素抗性基因丰度的增加会带来潜在风险，值得关注。新型人工湿地处理技术对抗生素及其抗性基因和传统污染物的协同去除机制，以及人工湿地各要素的去除机理和贡献、耦合生物电化学作用的人工湿地技术是未来的重要发展方向。关键词:人工湿地;抗生素;抗生素抗性基因;去除;进展ESEACH POGESS ON EMOVAL OF ANTIBIOTICS AND ANTIBIOTIC ESISTANCEGENES FOM WASTEWATE BY CONSTUCTED WETLANDSLIU Linmei1，TENG Yanguo1，2*，YANG Guang3，CHEN Haiyang2(1College of Water Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;2Engineering esearch Center of Groundwater Pollution Control and emediation，Ministry of Education，Beijing 100875，China;3Harbin Water Supply Group Co，Ltd，Harbin 150070，China)Abstract:Antibiotic contamination and the resulting resistance genes have attracted worldwide attention because of theextensive overuse and abuse of antibiotics，which seriously affects the environment as well as human health This papersummarizes the latest progress in the removal of antibiotics and resistance genes from wastewater by constructed wetlands Manystudies showed that the removal rate of antibiotics in sewage by constructed wetland is generally 60%to 100%，and theremoval rate of antibiotic resistance genes is generally 10%to 100%The main influence factors of the removal of antibioticsand resistance genes in constructed wetland include seasonal variation，influent quality，hydraulic retention time，temperature，pH，microorganism，plant and substrate The constructed wetlands incorporate biodegradation，adsorption，plant uptake，hydrolysis，and photodecomposition for antibiotics and antibiotic resistance genes Although constructed wetland can removeantibiotics and resistance genes，the enrichment of antibiotics in the substrate and the increase of the abundance of effluentresistance genes will bring potential risks，which should be paid attention to Further study should focus on the synergisticremoval mechanism of antibiotics，resistance genes and traditional pollutants by constructed wetland，the removal mechanismand contribution of every part of constructed wetlands，as well as the newly constructed wetland treatment technologies coupledwith bioelectrochemical systems第 12 期柳林妹，等:人工湿地去除污水中抗生素及其抗性基因研究进展Keywords:constructed wetlands;antibiotic;antibiotic resistance genes;removal;progress0引言抗生素耐药性是全球面临的重要健康挑战1。抗生素在医疗、畜牧、养殖业中被持续过度使用甚至滥用，加速了抗生素抗性基因(antibiotic resistancegenes，AGs)和多种抗性细菌的产生和扩散2。抗生素和抗性基因被世界卫生组织界定为对人类生存和健康最具威胁的污染物之一3。不同类型的抗生素污染源通常会导致不同程度的水生细菌群落暴露4，受工业污染的地表水、处理和未经处理的市政污水、医院废水、海水、河水等均含有一定浓度的抗生素(图 1)，是水环境中抗生素的重要来源，并导致抗生素抗性基因的产生及传播。现行污水处理工艺仅针对常规水质指标如 SS、COD、氨氮等设计，无法有效去除抗生素及其抗性基因5。已有研究表明:不同国家的污水处理厂出水图 1不同水环境中抗生素的浓度4 Figure 1Antibiotic concentrations in selected aquatic environment4 中已检测出 53 种抗生素6，部分污水处理厂出水中检出了多种抗生素抗性基因(表 1)，甚至在一些污水处理厂出水中抗生素抗性基因丰度不降反升7，加剧了抗生素抗性基因的传播和扩散，对水生态安全和人体健康造成潜在威胁。因此，防止抗生素及其抗性基因污染恶化，有效去除水体中残留的抗生素及其抗性基因受到高度关注1。表 1污水处理厂水样中检出的抗性基因8 Table 1Detected AGs in waste water treatment plant8 抗性基因检测方法水样类型地点抗生素类型文献sul1，sul2，tetW，tetX，ermA，ermB，blaTEM，ampC，cat，cmrqPC(11)制药及医院废水中国，华北 TET(3)，SF(4)，BL(5)，AG(5)，AF(2)，MD(2)9sul1，tetC，aph(6)-ld，dnaK，aph(3)-IIb，ant(3)-Ib，ant(2)-I，ruvB，copB，actP，acc(6)-Ib，sul2，blaTEM，blaOXA，arsBMetagenomics(82)城市污水处理厂中国，杭州 10sul1，tetM，blaOXA-58，blaTEM，blaOXA-48，blaCTX-M-32，mcr-1，blaCTX-M-15，blaKPC-3qPC(9)城市污水处理厂废水欧洲 10 个国家TET(3)，SF(5)，AG(1)，PM(1)，BL(8)，AG(1)，FQ(2)，MD(2)，Others(1)，11sul1，ermB，sul2，qnrS，tetM，blaCTX-MqPC(8)丹麦 12qacE1，sul1，aadA，strB，blaOXA，ermF，sul2，tetW，qacHqPC(384)废水欧洲 7 个国家 13msrE，msrD，mphE，tetW，tetO，ermB，mefA，tetQ，tetM，blaOXA，tet39，sul1/3，aadA，tetX，mefB，tetCMetagenomics(408)城市污水处理厂出水美国 14ermB，tetA，tetW，tetX，mecAPC(5)污水处理厂进水和出水美国TET(3)，MD(2)15msrE，sul1/3，tetQ，tetW，aadA，mphE，blaOXA，tetM，tetO，msrD，tetA，sul2，strB，tet32，tetCMetagenomics(408)城市污水处理厂非洲 10 个国家TET(13)，SF(4)，GP(1)，AG(8)，AF(1)，BL(1)，MC(2)，MD(6)14sul1，aadA，aadA13，aadA15，ant(6)-Ia，aph(3)-Ib，sul2，tetW，tetS，tetO，tetB(P)，mefA，ermB，catQ，ant(6)-IdMetagenomics(235)污水处理厂进水喀麦隆 16ermB，tetM，tetL，vanC，aph(3)-IIIa，aac(6)-Ie-aph(2)-Ia，erfA，erfB，emeA，lsaPC(68)医院废水南非 17msrE，mphE，blaOXA，tet39，ermB，strB，aadA，strA，tetW，sul1/3，msrD，tetX，ant(3)-Ih-aac(6)-IId，blaGES，aac(3)-I_aac(3)-IaMetagenomics(199)城市污水处理厂澳大利亚TET(3)，BL(2)，AG(5)，MC(1)，SF(2)，MD(2)14人工湿地处理系统是以地面为基础建造的，利用自然生态系统中的生物、物理和化学协同作用，通过吸附、过滤、离子交换、植物吸收及微生物分解来实现对污水的高效净化18，19。人工湿地处理系统具有以下特点20:为生物提供栖息地进而促进生物多样性21，可有效去除营养元素、有机污染物、无机污染物及病原微生物22，建设和运行成本低、能耗低、污染物排放低23、维护管理简单24，人工湿地处理系172环境工程第 40 卷统耦合其他水处理技术可有效提升水处理效果25，人工湿地处理系统中的植物可制成生产生物质材料用于基质从而强化处理效果26，27。与一般污水处理厂相比，人工湿地处理系统能有效去除抗生素及