城市污泥處理過程中抗性污染研究現(xiàn)狀與展望

唐安平

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048）

隨著我國城市污水處理廠連年增加，城市污泥的年產(chǎn)量也在增加，城市污泥的處理問題也日益增加。城市污泥中含有大量的耐藥菌和抗性基因，在處理城市污泥過程中大量的耐藥菌與抗性基因儲存在污泥中，所以污水處理廠是耐藥菌和抗性基因儲存的主要場所[1]。其中抗性基因擴(kuò)增的一個(gè)重要原因是其進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移[2]。而且在污泥厭氧消化過程中，菌群的種類和數(shù)量以及一些可轉(zhuǎn)移遺傳元件有導(dǎo)致抗性污染傳播的潛在危險(xiǎn)[1]。近年來，人們對城市污泥中的毒力基因有少許研究，有研究表明抗性基因與毒力基因會共同出現(xiàn)在人類腸道中，進(jìn)而排入污水處理廠。大多數(shù)研究表明污泥處理過程中有可能導(dǎo)致某些細(xì)菌不但具有耐藥性，還同時(shí)具有致病性[3]。并且，在污泥處理過程中毒力基因的含量會發(fā)生變化[4]。然而，在污水處理廠毒力基因是如何變化的，至今尚不清楚[5]。目前人們對污泥厭氧消化過程中的抗性基因、毒力基因的削減傳播機(jī)制還未明確，有待深入研究。

1 城市污泥處理過程中抗性基因研究現(xiàn)狀

大量研究表明，城市污泥厭氧消化過程中有很多抗性基因與病原菌，但是其抗性基因的種類以及在厭氧消化過程中抗性基因是否能被削減尚不清楚[6]。 Liu等[7]研究發(fā)現(xiàn)污水廠二沉外排污泥中3類四環(huán)素抗性基因含量最高，四環(huán)素抗性基因總量約是進(jìn)水中四環(huán)素抗性基因總量的61倍，說明經(jīng)過污水廠處理后，抗性基因增長明顯。Baquero等[8]研究發(fā)現(xiàn)污泥厭氧消化過程可以削減四環(huán)素抗性基因和I類整合子。Roberts等[9]研究表明在污泥厭氧消化過程中，在產(chǎn)酸階段大部分抗性基因（如 tetA,tetG，tetX,sul1,sul2,sul3,ermF,blaTEM)含量減少，然而在產(chǎn)甲烷階段大多數(shù)抗性基因含量會反彈。

厭氧消化過程中抗性基因含量波動(dòng)的原因很多，有研究者認(rèn)為可能跟菌群結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如：Billington等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致抗性基因在產(chǎn)甲烷階段增加的一個(gè)原因是在產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段菌群結(jié)構(gòu)有很大不同，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)抗性基因的變化與可移動(dòng)遺傳元件有關(guān)；Sáenz等[10]研究發(fā)現(xiàn)一類整合子會加速抗性基因在菌群之間的水平轉(zhuǎn)移速度。此外，抗性基因的濃度變化還有可能跟厭氧消化的一些工藝參數(shù)比如溫度，污泥停留時(shí)間有關(guān)；Ghosh等[11]在研究溫度對厭氧消化效果的影響中發(fā)現(xiàn)在高溫厭氧消化中，抗性基因會被削減，但在最后產(chǎn)甲烷階段反彈，反彈的原因可能是高溫使得抗性基因的宿主細(xì)胞裂解，使得抗性基因被釋放，所以含量增大；Ju等[1]研究了九種典型的抗性基因?qū)前奉愃帲t霉素及四環(huán)素在污泥厭氧消化過程中的含量變化。結(jié)果表明，在常溫厭氧消化過程中，污泥停留時(shí)間在10～20d時(shí)，磺胺類和紅霉素的去除量最大。而四環(huán)素和紅霉素抗性基因的數(shù)量增大。而在高溫厭氧消化過程中紅霉素及四環(huán)素的去除效果較好。Diehl等[12]研究了溫度對厭氧消化過程中抗性基因的去除率影響，在高溫和中溫厭氧消化過程中，35種抗性基因分別去除了8種，13種；Wang等[13]研究了污水處理廠出水中抗生素濃度與相關(guān)抗性基因之間的相互關(guān)系，認(rèn)為是高濃度的殘留抗生素可以導(dǎo)致相關(guān)抗性基因的增殖和擴(kuò)散。

2 城市污泥中病原菌的種類及其攜帶抗性基因的研究現(xiàn)狀

城市污泥厭氧消化過程中，微生物菌群種類繁雜，數(shù)量較多，比較常見的菌屬有變形菌門，酸桿菌門，放線菌門，綠彎菌門[14]。在污泥厭氧消化過程中，會有很多不同菌門出現(xiàn)，Wu等[15]研究發(fā)現(xiàn)，主要是變形菌門和放線菌門影響著污泥中耐藥菌和抗性基因的數(shù)量。McNamara等[16]研究表明污泥厭氧消化去除抗性基因相比于去除病原菌要少的多，原因可能是抗性基因在厭氧消化過程中種類變多，還有一種可能就是病原菌對厭氧消化運(yùn)行條件和選擇壓力適應(yīng)性增強(qiáng)。大腸桿菌和腸球菌是城市污水廠中常見的腸道病原菌，其耐藥性在污水、污泥處理過程中會產(chǎn)生變化。在污水處理過程中會出現(xiàn)具有耐藥性的大腸桿菌[17]。Rizzo等[18]研究表明腸桿菌科對抗菌劑產(chǎn)生耐藥性主要是跟溫度和四環(huán)素抗性基因的濃度有關(guān)系。腸球菌是革蘭氏陽性菌，是普遍存在于動(dòng)物和人類體內(nèi)的兼性厭氧菌[19]。污水處理過程中可以導(dǎo)致腸球菌對阿莫西林、環(huán)丙沙星和四環(huán)素的耐藥率增加[20]。

此外，Roh等[6]研究表明，厭氧消化處理污泥可以去除70%～90%的病原菌，但是少量的病原菌數(shù)量（如古細(xì)菌，唾液鏈球菌等）會增長，這表明在厭氧消化過程中，某些病原菌可以轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。Jovetic等[21]研究了菌群豐度與抗性基因濃度的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)菌群豐度越大，抗性基因的濃度越大，且某些菌群與抗性基因的相關(guān)關(guān)系比較大。Sun等[22]用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性分析方法研究了城市污泥中抗性基因與抗性基因之間的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一部分抗性基因，它們之間呈正相關(guān)。

3 城市污泥中毒力基因的研究現(xiàn)狀

病原菌的致病性強(qiáng)弱程度以毒力[23]表示，通過檢測毒力基因可以明確病原菌的致病性[24]。致病性大腸桿菌的毒力因子主要有粘附素、毒素、外膜蛋白及鐵轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，在大腸桿菌侵襲宿主組織并引起其發(fā)病的過程中，這些毒力因子相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用。腸球菌毒力因子眾多,并且毒力基因之間能夠相互調(diào)節(jié),并聚集于基因組的一定區(qū)域內(nèi),即毒力島內(nèi)。腸球菌毒力因子主要有表面蛋白、聚集物質(zhì)、溶血素、膠原蛋白黏附素和蛋白明膠酶,以及其他的毒力因子如糞腸球菌心內(nèi)膜炎抗原、信息素、腸球菌生物膜、細(xì)胞壁莢膜多糖和細(xì)胞外超氧化物等。腸球菌的毒力因子眾多,且毒力因子常與腸球菌的抗性基因之間還存在某些聯(lián)系。各基因之間的關(guān)系以及各致病物質(zhì)在腸球菌致病過程中的作用機(jī)制等,目前仍不清楚,尚待進(jìn)一步研究。污水處理廠出水中43種孤菌屬,出現(xiàn)了5種副溶血孤菌和霍亂孤菌等毒力基因，這表明常規(guī)污水處理工藝可能會導(dǎo)致抗性基因與毒力基因的傳播?？剐曰蚺c毒力基因并不是相互獨(dú)立的，它們之間有很多內(nèi)在聯(lián)系。兩者之間的傳播方式是通過攜帶抗性與毒力的質(zhì)粒傳播。另有研究表明，毒力基因與抗性基因的關(guān)系是遺傳因子里帶有抗性基因和毒力基因，兩者相互影響。幾乎所有的孤立基因都攜帶毒力基因，并且很多毒力基因跟腸道病原菌有密切關(guān)系，抗性基因往往伴隨著毒力基因一起出現(xiàn)。近幾年，有很多研究者研究了內(nèi)酰胺與喹諾酮抗性基因和毒力基因之間的關(guān)系，內(nèi)酰胺酶與大腸桿菌毒力基因有明顯的相關(guān)關(guān)系。很難量化抗性基因與毒力基因之間的共同出現(xiàn)的頻率。

4 預(yù)處理強(qiáng)化污泥厭氧消化研究進(jìn)展

由于目前污泥厭氧消化的產(chǎn)甲烷效果普遍不理想，所以部分研究者增加一些預(yù)處理方法來處理污泥提高產(chǎn)甲烷量，目前常見的有熱水解，超聲波，微波消解，高溫好氧消化。熱水解預(yù)處理可以有效改善污泥的水解限速的問題，促進(jìn)污泥中有機(jī)物的釋放，以提高厭氧消化性能和效率，增大產(chǎn)甲烷率。在150℃以下糖類水解比蛋白質(zhì)水解更多；在190℃左右的時(shí)候，產(chǎn)甲烷量與COD和原污泥的生物降解能力有關(guān)系。熱水解預(yù)處理對污泥厭氧消化的影響，研究發(fā)現(xiàn)熱水解加速了污泥的水解，污泥中難以降解的固體有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易生化降解的有機(jī)物小分子。增快水解速率，縮短污泥停留時(shí)間，以此來增強(qiáng)厭氧消化效果。然而，另一方面，隨著熱水解的溫度升高，會有難以生化降解的中間產(chǎn)物生成，在一定程度上抑制厭氧消化效果。微波預(yù)處理能有效破碎污泥，釋放污泥EPS和微生物胞內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖等溶解性有機(jī)物。由于厭氧消化過程中大分子水解速率緩慢，限制了厭氧消化水解速率，而微波預(yù)處理可以促進(jìn)污泥溶解性有機(jī)物的釋放，有助于強(qiáng)化污泥厭氧消化性能。

綜上所述，通過中溫厭氧消化工藝并不能取得耐藥菌和抗性基因滿意的效果，而現(xiàn)有研究對預(yù)處理強(qiáng)化厭氧消化過程ARGs和VGs的研究較少，且對ARGs和VGs的削減/增加機(jī)制多有不明之處。針對這一研究現(xiàn)狀，需要在污泥處理工藝上做出突破，以期在處理過程中強(qiáng)化厭氧消化的同時(shí)，還能夠削減耐藥菌與抗性基因。并且，對于抗性基因的水平轉(zhuǎn)移基質(zhì)有待深入研究，以期從根本上控制抗性污染。

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