同济大学ESPR：乡镇污水处理厂中抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）的赋存、去除及生态风险

文摘 2024-12-24 20:58 浙江

长江上游乡镇污水处理厂中抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）的赋存、去除及生态风险研究

研究背景

抗生素广泛应用于人类和动物医学，其过量使用导致环境污染和ARGs的广泛存在，威胁水生生态系统和人类健康。污水处理厂是环境中抗生素和ARGs的重要排放源，但乡镇污水处理厂相关研究有限。长江流域抗生素和ARGs污染状况已受关注，但长江上游乡镇污水处理厂的情况尚未见报道。

实验材料与方法

1. 化学试剂：选取39种抗生素，分属氟喹诺酮类（FQs）、四环素类（TCs）、大环内酯类（MLs）、磺胺类（SAs）、青霉素类（PLs）五类，以及四种稳定同位素标记内标，均购自J&K Chemical Ltd.。实验使用HPLC级溶剂和Milli-Q水净化系统制备的超纯水。

2. 研究区域与样品采集：2020年10月于中国四川东南部长江附近40个乡镇污水处理厂采集进出水污水样本，多数厂采用缺氧 - 好氧（A/O）生物处理工艺，部分采用兼性膜生物反应器（FMBR）工艺，处理能力100 - 600 m³/d，最终出水经紫外消毒。采样后48h内送实验室分析。

3. 抗生素定量分析：水样经0.45μm玻璃纤维膜过滤，加EDTA - Na₂溶液调pH至3.0，加内标后用Oasis HLB柱浓缩，依次用甲醇和氨甲醇溶液洗脱，旋蒸和氮吹浓缩至1mL，用HPLC - MS/MS（LC-Agilent Technologies 1290 Infinity，MS-AB SCIEX QTRAP 4500，美国）测定，内标法定量，相关系数（R²）0.904 - 0.998，回收率41.9% - 102.4%，相对标准偏差（RSDs）0.5% - 9.0%，检出限（LOD）0.002 - 2.24μg/L，定量限（LOQ）0.005 - 7.45μg/L。

4. DNA提取与ARGs定量：1L水样经0.22μm低蛋白结合膜过滤，膜上细菌细胞用裂解缓冲液和E.Z.N.A.® Water DNA试剂盒提取DNA，测浓度、纯度和质量后 - 80°C保存。用SYBR Green实时荧光定量PCR（qPCR）测定sul1、sul2、qnrB、qnrS、ermB、tetM、tetQ和blaTEM这8种ARGs的丰度，以16S rRNA基因拷贝数标准化计算相对丰度，标准曲线R²值0.992 - 0.999。

5. 生态风险评估：用风险商（RQ）评估抗生素生态风险，RQ = 预测无效应浓度（PNEC）/实测环境浓度（MEC），PNEC值源自前人研究，定义RQ≤0.01为无风险，0.01 < RQ≤0.1为低风险，0.1 < RQ≤1为中等风险，RQ > 1为高风险，计算各样本所有抗生素的总RQ值（RQsum）。

6. 统计分析：用R软件（3.5.1版）进行统计分析，用Spearman等级相关系数确定抗生素浓度与ARGs丰度的关系。

研究结果与讨论

1. 抗生素的赋存与分布

- 进水中检测到25种抗生素（9种SAs、6种MLs、6种FQs和4种TCs），检测频率2.5% - 100.0%；出水中检测到22种抗生素（8种SAs、6种MLs、6种FQs和2种TCs），检测频率7.5% - 100.0%，青霉素类未检出。进水和出水中分别有6种和8种抗生素检测频率超50%，OFX、磺胺异恶唑（SOX）等在进水中检测频率较高，OFX、SOX、罗红霉素（ROX）等在出水中检测频率较高。

- 进水中总抗生素（ΣABs）浓度96.40 - 1220.34 ng/L（中位数/平均值：285.33/370.67 ng/L），出水中22.19 - 575.07 ng/L（中位数/平均值：191.92/242.06 ng/L），各类抗生素浓度顺序为MLs > FQs > TCs > SAs，MLs和FQs是主要类别，LIN是主要污染物之一。不同地区主要抗生素不同，与经济、生产方式和生活习惯等有关。本研究中出水ΣABs浓度高于重庆地区饮用水源，表明出水可能是地表水抗生素的重要来源。

乡镇污水处理厂进水（A）和出水（B）中抗生素浓度（数据对数转换）的聚类热图，分为三个聚类，分别代表水样中的高、中和低优先级

2. ARGs的赋存与丰度

- 所有8种目标ARGs在进出水中均检出，进水中绝对丰度3.83×10^6 - 1.91×10^7 copies/mL（平均9.88×10^6 copies/mL），出水中3.34×10^5 - 1.51×10^6 copies/mL（平均7.10×10^5 copies/mL）。sul2丰度最高，其次是sul1、tetM和tetQ，sul1和sul2占总ARGs丰度99%以上，磺胺类抗性基因在水生环境中占优势，与相应抗生素稳定性有关，四环素类基因丰度差异可能与抗生素使用模式和宿主细菌种类有关。

3. 抗生素和ARGs的去除效率

- 乡镇污水处理厂对FQs、MLs、SAs、TCs和ΣABs的去除效率分别为13.80%、29.55%、49.21%、66.94%和34.70%，部分抗生素去除效率低与物理化学性质和处理工艺有关，如某些抗生素存在负去除率，可能是污泥吸附化合物释放所致。抗生素去除效率低可能加速ARGs发展，威胁环境和健康。

- 对总ARGs平均去除效率为90.40%，多数ARGs去除效率超70%，但磺胺类抗性基因去除效率为59.24%。处理工艺可降低ARGs丰度，但常规活性污泥工艺中sul1和sul2基因丰度可能增加，ARGs丰度和去除还受pH、营养物质、重金属、水力停留时间等因素影响。

乡镇污水处理厂各种抗生素（A）和 ARGs （B）的去除效率（带红点的圆圈表示平均值）

4. 抗生素和ARGs的相关性

- 部分ARGs（qnrS、ermB、sul1、sul2）与对应抗生素有显著相关性，但其他ARGs与相应抗生素相关性弱，表明ARGs存在可能不由对应抗生素直接导致，其他因素如生物降解等可能影响其传播。现场证据表明ARGs的命运和传播与环境中抗生素残留有关，但相关性复杂，部分ARGs与非对应抗生素相关性更强，强调了同步去除抗生素和ARGs的必要性。

5. 出水抗生素的生态风险

- 以RQ评估生态风险，总RQ值表明11个出水样本（27.50%）为高风险，17个（42.50%）为中等风险，6个（15.00%）为低风险，6个（15.00%）为无风险。OXY在出水中检测频率低但RQ值高，是RQsum的主要贡献者之一，NOR和LIN也是主要贡献者。不同地区和环境介质中抗生素风险水平不同，抗生素和ARGs去除仍是管理水生环境生态风险的挑战，需开发先进处理技术和管理措施。

研究结论

本研究检测了乡镇污水处理厂进出水中抗生素和ARGs的赋存、分布、去除效率及出水生态风险。目标抗生素在进水中检出率64.10%，出水中56.41%，8种目标ARGs在进出水中均检出。进出水中抗生素浓度顺序为MLs > FQs > TCs > SAs，ARGs丰度顺序为磺胺类抗性 > 四环素类抗性 > 大环内酯类抗性 > 喹诺酮类抗性 > β - 内酰胺类抗性。部分ARGs与对应抗生素显著相关，抗生素平均去除效率34.70%，ARGs为93.27%。约27.50%和42.50%的出水分别有高和中等生态风险，主要贡献者为OXY、NOR和LIN。本研究填补了知识空白，有助于制定管控政策。

Cheng, S., Zhang, R., Liu, Q., He, S., Sun, J., & Xing, L. (2024). Occurrence, removal, and ecological risk of antibiotics and antibiotic resistance genes in township wastewater treatment plants in the upper reaches of the Yangtze River, China. Environmental Science and Pollution Research, 10.1007/s11356-024-35832-z.

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