城市污水处理厂抗生素抗性基因研究进展.pdf

城市污水处理厂抗生素抗性基因研究进展张冰1,2，赵琳1，陈坦1,2*1.中央民族大学生命与环境科学学院2.中央民族大学北京市食品环境与健康工程技术研究中心摘要抗生素抗性基因（ARGs）是一类对自然环境及人体健康造成极大威胁的新型污染物，城市污水处理厂是 ARGs 的重要源和汇，具有重大潜在生态风险。系统梳理了污水处理过程中不同类型 ARGs 的组成变化特征和转移机制，提出-内酰胺类、大环内酯类、四环素类、磺胺类、氨基糖苷类等类型 ARGs 广泛存在于全球污水处理厂中，但不同类型 ARGs 的丰度随污水处理过程的变化特征各异，且不同处理单元中的高丰度 ARGs 存在差异，水平转移是 ARGs 的主要转移机制。总结了环境条件、进水水质、操作参数等常见因素对 ARGs 丰度和分布的影响。在此基础上提出，识别具有指示作用的 ARGs 及其关键影响因素，定量分析各类因素对 ARGs 丰度、种类及水平转移机制的影响，以及建立 ARGs 风险评价标准体系是城市污水处理厂监测与控制 ARGs 潜在生态风险的未来发展方向。关键词抗生素抗性基因；污水处理厂；赋存特征；转移机制；影响因素中图分类号：X703；X172文章编号：1674-991X（2023）04-1384-11doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220847Research progress of antibiotic resistance genes in wastewater treatment plantsZHANGBing1,2,ZHAOLin1,CHENTan1,2*1.CollegeofLifeandEnvironmentalSciences,MinzuUniversityofChina2.BeijingEngineeringResearchCenterofFoodEnvironmentandHealth,MinzuUniversityofChinaAbstractAntibiotic resistance genes(ARGs)are emerging contaminants which pose a great threat to theenvironmentandhumanhealth.AsanimportantsourceandsinkofARGs,wastewatertreatmentplants(WWTPs)havegreatpotentialecologicalrisks.Therefore,thediversity,compositionaswellastransfermechanismofARGsinthewastewatertreatmentprocessesweresystematicallyintroduced.ARGsofbeta-lactam,macrolide,tetracycline,sulfonamideandaminoglycosidewerewidelydetectedinglobalWWTPs.However,theabundanceofdifferenttypesofARGsalongtreatmentprocessesanddominantARGsdetectedineachprocessweredifferent.Horizontaltransfer was the main transfer mechanism of ARGs.The effects of common factors such as environmentalconditions,influentwastewaterqualityandoperationalparametersontheabundanceanddistributionofARGswerealsosummarized.ItwasproposedthatthefocusoffutureresearchwasidentifyingtherepresentativeARGsandthemostinfluencingfactors,quantifyingtheeffectsofvariousfactorsontheabundance,compositionsandhorizontaltransfermechanismsofARGs,andestablishingastandardsystemforevaluatingtherisksofARGsformonitoringandcontrollingthepotentialecologicalrisksofARGsinWWTPs.Key wordsantibioticresistancegenes;wastewatertreatmentplants(WWTPs);occurrencecharacteristics;transfermechanisms;influencingfactor抗生素是微生物的次级代谢产物，具有抑菌、灭菌的作用，自 1928 年发现青霉素以来，抗生素已广泛应用于医疗行业与生产生活中1。但抗生素的滥用、乱用导致微生物的耐药性持续提升，加剧环境中抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素抗性细菌（ARBs）的广泛传播，严重威胁着人类健康与生态安全。由于 ARGs 是 ARBs 存在耐药性的根本原因，即使ARBs 死亡，携带 ARGs 的裸露 DNA 仍会长期存在于环境中，因此 ARGs 在环境中的持久性残留、传播和扩散危害极大2。收稿日期：2022-08-25基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（2022QNPY56，2022QNYL27）作者简介：张冰（1990），女，讲师，研究方向为污水处理系统微生物群落及抗生素抗性，*责任作者：陈坦（1986），男，副教授，研究方向为固体废物处理与处置工程，Vol.13，No.4环境工程技术学报第13卷，第4期Jul.，2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月张冰，赵琳，陈坦.城市污水处理厂抗生素抗性基因研究进展 J.环境工程技术学报，2023，13（4）：1384-1394.ZHANGB,ZHAOL,CHENT.ResearchprogressofantibioticresistancegenesinwastewatertreatmentplantsJ.JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology，2023，13（4）：1384-1394.城市污水处理厂已被证明是抗生素和 ARGs 的重要“源”与“汇”。据估计，大约 30%60%的处方抗 生 素3以 及 畜 牧 养 殖 和 医 疗 废 水 中 的 大 量ARGs4在污水处理厂汇集，而活性污泥系统中较高的微生物浓度与多样性以及亚抑制浓度抗生素的选择压将进一步促进 ARGs 和 ARBs 的生成与传播。据报道，污水处理厂出水对下游水体 ARGs 具有较高贡献5，污水处理厂中 ARGs 的种类与丰度显著高于冻土与沉积物样品6以及淡水7、土壤8等环境介质。在某些地区，市政污水中的 ARGs 种类和丰度显著高于医院废水9。现有的城市污水处理工艺主要针对 COD、氨氮等常规污染物，对 ARGs 的去除能力有限10，因此，如何有效去除 ARGs 受到了全球学者的广泛关注。1基于文献计量的研究现状简述为了解城市污水处理厂中 ARGs 的相关研究进展与热点，分别以“Antibioticresistancegene*/ARG*”+“Wastewater treatment plant*/WWTP*”为 主 题 在WebofScience（WoS）以及以“抗性基因”+“污水”为主题在中国知网（CNKI）检索了 2006 年以来发表的相关论文。从 2006 年 Pruden 等11提出 ARGs 为新兴污染物开始，污水处理厂与 ARGs 有关研究呈逐年上升的趋势，2013 年进入快速上升阶段，与抗生素的研究趋势相近12。20062009 年 CNKI 仅报道了 1 篇有关污水中 ARGs 的论文，从 2010 年开始发文量才有所提升图 1（a）。虽然 CNKI 发文量整体偏少，但利用 VOSviewer 将 WoS 核心合集检索结果可视化后发现，以中国为发文国家的 SCI 论文数量领先于其他国家和地区图 1（b），表明我国在有关污水处理厂 ARGs 的研究中具有重要的国际地位。进一步梳理和归纳后可以发现，现有研究主要关注以下 4 个方面：1）ARGs 在污水处理过程以及后续环境介质中的归趋；2）抗生素、重金属等污染物对ARGs 的选择压力与相互作用；3）ARGs 的传播扩散途径；4）影响 ARGs 丰度、多样性和水平基因转移的主要环境因素。本研究也主要围绕这 4 个方面展开综述。图 1 20062021 年国内外有关污水处理厂 ARGs 的发文统计Fig.1StatisticalchartsofpublicationsonARGsinWWTPsathomeandabroadfrom2006to2021 2城市污水处理厂中 ARGs 的组成及丰度变化特征 2.1主要 ARGs 类型8 大类 ARGs 包括-内酰胺类、大环内酯类、四环素类、磺胺类、氨基糖苷类、氟喹诺酮-喹诺酮-氟苯尼考-氯霉素-安非霉素（FCA）类、多药类、万古霉素类，在污水处理厂中均能检出。其中磺胺类、四环素类、大环内酯类较为常见13，在美国、加拿大、中国等国的污水处理厂中被广泛检出14，表明这些 ARGs可能存在于全球的污水处理系统中。在亚型方面，Wang 等15统计了全球有关污水处理厂 ARGs 的文献后发现，-内酰胺类 bla、磺胺类 sul、四环素类tet 和大环内酯类 erm 的报道较为广泛，可能与其高丰度有关。城市污水管道中的污水和管道壁的生物膜上丰度最高的 ARGs 是磺胺类抗性基因 sul1 和sul2，占 16SrRNA 基因拷贝数的约 1/1016，其他丰度较高的亚型还包括四环素类抗性基因 tetA 和tetG，万古霉素类抗性基因 vanA 和 vanX，-内酰胺类的 bla、amp，大环内酯类的 erm 以及 FCA 的 emr、qnr17（表 1）。有学者对中国 11 个污水处理厂中的296 个 ARGs 进行检测后发现，7 种 ARGs（包括氨基糖苷类抗性基因 aadA、aadA1 和 aadA2，内酰胺类抗性基因 blaVEM 和 blaOXA-10，大环内酯类抗性基因 ereA，多药类抗性基因 qacEdelta1）持久存在，第4期张冰等：城市污水处理厂抗生素抗性基因研究进展1385表 1 不同地区污水处理厂中不同种类 ARGs 在进水、出水、污泥中的丰度变化Table1VariationsofabundanceofdifferentkindsofARGsininfluent,effluentandsludgeinvariousWWTPs抗性基因种类所在地区抗性基因亚型名称进水中丰度/(拷贝/L)出水中丰度/(拷贝/L)污泥中丰度/(拷贝/g)去除效果(lgC)1）处理工艺-内酰胺类中国北京20bl2d_oxa10、bl3_imp等51种1.2510104.731071.4710102.42MBR工艺美国加利福尼亚州21blaM-12.231082.821061.9活性污泥法+氯消毒中国河北22blaPSE-11062.461041072.64A2/O工艺+氯消毒美国马萨诸塞州21blaTEM-uni1.411094.731080.47活性污泥法+氯消毒瑞典哥德堡20mecA5.011045.011031活性污泥法+生物滤池大环内酯类中国北京20ermF、Inua等46种1.1710101.891070.7510102.79MBR工艺中国华北23erm2种(7.012)107(1.20.9)1010活性污泥法+氯消