地球科学|青年编委翟远征团队文章:人工湿地去除抗生素抗性基因

学术   科学   2024-11-04 00:00   湖北  

   点击蓝字关注我们哦


抗生素多用和滥用给水生态环境健康造成威胁. 水环境中抗生素的残留会导致微生物耐药性产生和进一步扩散,从而成为人类健康的潜在威胁(He et al.,2019;Hu et al.,2020). 作为使微生物产生耐药性的重要驱动因素,抗生素抗性基因(Antibiotics Resistance Genes,简称ARGs)在几乎所有种类的环境介质中都已有检出(Zheng et al.,2022;Li et al.,2024),也已被世界卫生组织列为新兴污染物(Pruden et al.,2006). 被广泛检出的种类有β-内酰胺类、磺胺类、氨基糖苷类、大环内酯类和四环素类等(Wang et al.,2022),其来源分为天然来源和人为来源2种,一些ARGs在环境中天然存在(Perron et al.,2015),而人为来源主要包括水产养殖与畜牧业、污水处理厂、农业土壤、工农业及生活污水排放等(Li et al.,2020). 2016年和2022年我国先后发布的《遏制细菌耐药国家行动计划》(https://www.gov.cn/xinwen/2016-08/25/content_5102348.htm)和第二项国家行动计划(http://www.nhc.gov.cn/yzygj/s7659/202210/2875ad7e2b2e46a2a672240ed9ee750f.shtml),均表达了对耐药性问题的重点关注. ARGs在环境中的传播、控制和去除已愈发受到重视. 其治理难点在于分布广,传播途径多样,监测和溯源困难,政策法规尚不完善且去除技术仍有较大局限. 目前已知能去除水环境中ARGs的手段有传统污水处理厂、人工湿地和高级氧化技术等(García et al.,2020). 传统污水处理厂对常规污染物的去除效果良好,但对ARGs的去除效果欠佳(Zhou et al.,2017;Makowska et al.,2020). 部分基于微生物处理技术的污水处理厂反而在处理环节富集ARGs,导致耐药菌产生(Boopathy,2017). 高级氧化技术等新兴技术则因成本高或适用情景少而难以大范围推广. 人工湿地因去除能力好、成本低以及运行维护简单等优势被认为是很有应用前景的ARGs去除手段. 
人工湿地是模拟天然湿地建造的系统,由植物、水体和基质(砂石等填料)组成. 近年来,人工湿地因在有效消除传统污染物方面的卓越表现,及其为社会经济带来的诸多益处,如提供和扩展绿色空间等(Wendel et al.,2011),在新污染物去除中逐渐受到关注,甚至成为处理部分污水处理厂尾水、养殖废水和农业面源污染物的首选手段(Chen et al.,2015;He et al.,2019). 为满足实际应用的需求,人工湿地对ARGs的去除潜力已得到证实但也有待进一步改善(García et al.,2020;Zhang et al.,2023). 受室外条件的限制,人工湿地去除ARGs的研究多通过室内试验进行. 实验室条件下,人工湿地去除ARGs的效果差强人意(Ávila et al.,2021),有研究总结其对常见ARGs去除率的中位数约为80%(Zhang et al.,2023),部分能达到90%以上(Huang et al.,2019;Yuan et al.,2022). 大多数实际应用的人工湿地对ARGs的去除效果尚且有限(García et al.,2020;Du et al.,2022),有的基本不能去除(Li et al.,2019),原因是实际场地中的影响因素非常复杂,影响机制尚不清楚,因此很难通过人工调控的办法使去除效果达到最优. 
与抗生素等的去除不同,ARGs由微生物携带(Hu et al.,2020),其去除主要是通过去除宿主微生物实现. 人工湿地去除ARGs的内在机制主要是植物吸收、微生物降解和基质吸附等(Shingare et al.,2019). 影响这三类过程的主要因素有植物种类、基质类型、人工湿地类型与运行条件和可移动遗传元件等(Zhang et al.,2023). 作为人工湿地的重要组成部分,植物对各类污染物的去除都有重要影响. 植物不仅可以通过直接吸收或蒸腾作用去除ARGs(Ohore et al.,2021),其根系所营造的微环境也可促进微生物降解(Song et al.,2018). 植物去除ARGs的能力因植物种类而异,且受到种植模式的影响(Chen et al.,2016). 前人研究得出,芦苇是降低ARGs丰度的极优选择(Yi et al.,2017),交叉混种模式较单一种植模式更佳(Abou-Kandil et al.,2021). 目前对于植物对ARGs的吸附和组织传输机制的研究较为薄弱(McCorquodale-Bauer et al.,2023). 基质大多具有多孔性,能作为微生物附着的“骨架”有利于微生物降解作用,同时能达到去除ARGs宿主微生物的效果. 基质吸附对ARGs去除的影响已有大量研究,大多数据表明传统基质中沸石的去除效果较好(Nõlvak et al.,2013;Du et al.,2022;Cui et al.,2023). 牡蛎壳(Liu et al.,2021)、凝灰岩(Abou-Kandil et al.,2021)、氯化亚铁(袁涛等,2022)、生物炭(冯立魁,2020;Ajibade et al.,2023)和矿石(张丹一,2022)等也被作为基质或被添加到基质中进行研究. 作为湿地的主要成本来源,基质的优化改善对于降低成本意义重大,因此未来的研究还会尝试更多的废弃材料或新材料作为基质以进一步提高成本效益. 湿地的水流方向、水力停留时间(HRT)和运行时间等运行条件也是影响ARGs去除的重要因素. 研究表明潜流湿地比表面流湿地具有更好的去除效果(薛慧等,2023),垂向潜流人工湿地的去除效率更高(Huang et al.,2017). HRT越长越有利于吸附和降解(Chen et al.,2016),但也有例外(Zhang et al.,2018),因此HRT对去除效果的影响还有待进一步探究.湿地运行时间越长ARGs去除效率越低,如运行时间超过十年的去除率将小于50%(Zhang et al.,2023),原因是湿地运行时间越长,基质堵塞一般会越严重,导致过滤性能下降,进而影响过滤和吸附效果(Abou-Kandil et al.,2021). 因此,解决基质堵塞问题也是难点. 考虑到ARGs的迅速传播,控制其扩散也是重要策略. 可促进微生物进化的质粒、转座子整合子等被统称为可移动遗传元件,是影响ARGs传播扩散的重要因素(Wang et al.,2021). 因此,对湿地中可移动遗传元件的研究也是十分必要的. 
传统单一湿地去除污染物的效果有限,融合了多种新技术的复合型湿地和各类新型湿地已愈发受到重视,也是未来的发展趋势. 复合型湿地主要是采用湿地结构耦合、创新技术耦合等方式进行复合,通过增强生物降解、基质吸附及植物吸收等过程提高对各类污染物的去除能力. 表面流湿地与潜流湿地结合的复合人工湿地能使ARGs降低1~3个数量级(Chen et al.,2019);上行与下行水流方式结合的垂直潜流人工湿地最高能达到99.1%的去除效果(Huang et al.,2019). 各类新技术的引入也进一步强化了人工湿地对污染物的去除. 例如,生物电化学技术与人工湿地结合,如微生物燃料电池与微生物电解槽耦合人工湿地成为探究的新方向之一,其原理是原位电子通路的形成可以显著增强细菌活性并提高其丰度(Liu et al.,2022;Yu et al.,2022),优化方向有添加海绵铁(Li et al.,2019;Wen et al.,2022)、改良介质(Li et al.,2023)和微生物驯化(刘瑶等,2021)等. 光催化技术与人工湿地结合也是创新方向之一. 光催化反应产生的活性氧可以通过破坏核苷酸使ARGs失活. 已有研究表明光催化能改善人工湿地去除ARGs的效果(Chen et al.,2023;谌萍萍,2023). 改进技术较易实现的潮汐流人工湿地也被证明能显著改善去除效果(程羽霄等,2021). 整体来说,复合人工湿地前景明朗,但还需要更多的研究对工艺参数及技术进行优化,以达到高效节能去除的目的.
综上,人工湿地是未来控制ARGs污染风险的重要手段,未来的研究可集中在这几方面:(1)实际人工湿地的工艺、基质和运行方式等对ARGs去除效果的影响;(2)人工湿地中ARGs的行为与去除机制;(3)人工湿地基质中ARGs的富集和扩散,尤其是扩散引起的生态环境风险;(4)人工湿地与其他技术联合使用改善ARGs去除效果.
笔者近几年以北京的安南人工湿地为案例开展了深入的研究工作,揭示了ARGs在长期运行湿地中的时空分布规律、在基质中的富集情况和去除效果,识别了影响ARGs去除的因素. 研究得出该湿地中主要的ARGs种类为喹诺酮类、β-内酰胺类和四环素类,亚型为tufA(聚酮类)和fusA(夫西地酸类),分布呈现明显的季节分布特征,在水体、基质和植物中也呈现显著的生态位分布差异. 人工湿地对ARGs有良好的去除作用,但针对不同的ARGs类型和亚型的去除存在差异,影响因素有光照、温度等. 成果可为人工湿地的设计和优化提供参考,以更好地防控ARGs扩散引起的生态环境和人体健康风险. 



文章刊登在《地球科学》第49卷第9期

柳林妹, 陈海洋, 朱冠华, 翟远征, 2024. 人工湿地去除抗生素抗性基因. 地球科学, 49(9): 3440-3444. doi: 10.3799/dqkx.2024.082

Liu Linmei, Chen Haiyang, Zhu Guanhua, Zhai Yuanzheng, 2024. Constructed Wetlands for the Removal of Antibiotic Resistance Genes. Earth Science, 49(9): 3440-3444. doi: 10.3799/dqkx.2024.082

更多论文信息,请点击左下方(阅读原文


加入学术交流群

备注“姓名+单位+ES”



扫码添加小编微信,拉你进入《地球科学》编辑部学术交流群,群内不定期开展答疑会、分享学术研究、学术直播等高质量活动。


往期回顾

矿物学·岩石学·矿床学

   →近70年中国变质岩石学-变质地质学的研究进展

造山带橄榄岩岩石学与构造过程:以松树沟橄榄岩为例

片麻岩穹窿与伟晶岩型锂矿的成矿规律探讨

岩浆作用与地球深部过程

从岩浆岩看青藏高原地壳的生长演化

地壳生长及深部物质架构研究与问题:以中亚造山带(北疆地区)为例

→辽东白云-小佟家堡子矿集区控矿构造及成矿有利区预测

→晶粥储存、侵入体累积组装与花岗岩成因

→交代岩石圈地幔与金成矿作用

实验地球科学的前沿与发展战略

实验地球化学的发展历史和研究展望

实验岩石学发展现状与趋势

实验矿床学的发展现状和前景展望

实验流变学的发展现状与趋势

高温高压装置研制和技术创新的发展现状与趋势


构造地质学

纪念马杏垣先生

关于大陆构造研究的一些思考与讨论

秦岭造山带是印支碰撞造山带吗?

关于发展洋板块地质学的思考

大陆俯冲带壳幔相互作用

增生型造山带结构解析与时空制约

洋板块地质与川藏铁路工程地质关键区带

华北克拉通太古宙构造热事件时代及演化

中条山地区涑水杂岩新太古代烟庄正长花岗岩年龄及成因:对华北克拉通地壳演化的制约

→俯冲带结构演变解剖与研究展望


地学与健康

"同一健康"视角下医学地质学的创新发展

优化生态环境保障人民健康


古生物学

地史时期生物对冰室气候形成的作用


沉积和盆地动力学

下扬子地区早古生代晚期前陆盆地沉积特征与盆山过程

陆相断陷盆地陆源碎屑与碳酸盐混合沉积研究进展

渤海海域秦南凹陷东南缘沙一段混积岩优质储层成因及勘探意义


石油地质学

非常规源岩层系油气形成分布与前景展望

→”双碳”目标下我国油气产业发展的思考

→我国陆上未来油气勘探领域探讨与攻关方向


地球物理学

从高分辨率地震层析成像看青藏高原软流圈的物质运动


《地球科学》

青年学者论坛回放

→黄康俊|金属稳定同位素示踪地球增氧事件

→张   文|激光微区锆石Zr同位素分析测试技术及参考物质研发

→Marize Muniz da Silva|巴西São Francisco地块 Mineiro带后碰撞岩浆作用

→Dionatan Ferri Padilha|巴西南部Dom Feliciano带后碰撞玄粗质和超钾质岩浆作用

→王选策|地球系统中的挥发分和物质循环——对非俯冲带岩浆的新观点

→陈   印|中国北方砂岩型铀成矿作用及其与构造演化和油气藏的联系

→荣   辉|基性岩侵入对铀储层成岩-成矿作用的影响:以松辽盆地钱家店铀矿床为例

→兰中伍|南秦岭岩浆作用与浅表环境响应

→余文超|贵州遵义下石炭统九架炉组铝土矿物源:来自地球化学与锆石U-Pb同位素年代学的证据

→岳  汉|从2021年青海玛多地震到松潘-甘孜块体的长期形变模式

→王  墩|2021年Mw7.4青海玛多地震的震级、地震动场及破裂过程

→邓阳凡|华北东南缘综合地球物理特征及其对徐淮弧形构造带的启示

→谢国治|胶东半岛高Ba-Sr牙山侵入体的成因及其与华北克拉通破坏的关系

→白江昊|长江中下游地区A型花岗岩成因:放射性成因Ca-Nd同位素制约

→李振洪|川藏交通廊道重大灾害防控专题

→王   栋|川藏交通廊道冰雪灾害风险评价

→汤高明|青藏高原典型地表地质灾害机理及分类

→崔一飞|川藏交通廊道泥石流级联调控风险防控原理与方法

→刘金高|金伯利岩与碱性玄武岩的成因联系及深部地幔演化

→丁   兴|富氟流体活动及其成岩成矿效应 

柳保军,雷超,郑金云 | 专题十:南海陆缘盆地动力学及其能源效应

施小清,杨晓帆,戴恒 | 专题十一:地下水环境的刻画与模拟

高晓英,罗涛 |专题十二:微区分析在地球科学中的应用

梁琛岳,刘博 | 专题十中亚造山带南缘构造与成矿

Alexander Humphreys ,Johann Hohenegger | 专题十四:热带大型底栖有孔虫

 付伟 ,李登峰,李占轲,等 | 专题十五:战略性矿产资源研究与勘查进展

雷宏武,张晓博 | 论坛专题十六:地热能地球科学

李斌 ,张志遥 | 专题十七 :深层油气论坛

李博 ,吴琼,李严严 | 专题十八:强震区滑坡崩塌灾害防治技术方法研究

程晓敢,石许华,林秀斌 | 专题十九:盆山过程与动力学

黄发明,张东明,李旭 | 专题二十 :机器学习与灾害风险

郑义,虞鹏鹏 | 专题二十一:华南大地构造演化与关键金属成矿

黄发明,李为乐,谭道远 | 专题二十二:地质灾害风险智能评价

陈红汉,罗群,李文正,王海学,唐大卿 | 专题二十三:走滑断裂与油气

侯晓坤,贾智杰 | 专题二十四 :工程地质与防灾减灾

王全荣,杜尧 | 专题二十五:地下水系统参数获取与污染成因

董志文,王欢业,蒋宏忱 | 专题二十六:青藏高原环境-地质-微生物

喜欢就点个在看吧!

地球科学编辑部
《地球科学》(中文版)和Journal of Earth Science(英文版)是由教育部主管,中国地质大学主办的综合性地球科学学术刊物。中文版被EI 等数据库收录,英文版被SCI收录。
 最新文章