城市供水水源中抗生素抗性基因污染及其在飲用水廠的去除研究進展*

侯 偉 孫 莉 楊 曉 胡 芳 孫韶華 趙清華 賈瑞寶#

(1.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心，山東 濟南 250101；2.德州宏德煤炭質(zhì)量檢測有限公司，山東 德州 253000)

抗生素是20世紀醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、養(yǎng)殖等行業(yè)，為人類社會發(fā)展做出重要貢獻。但抗生素進入人體或動物體內(nèi)后并不會被全部吸收，而有很大一部分會隨排泄物排出體外，隨地表徑流、土壤滲透等作用進入江河水、湖庫水和地下水等環(huán)境水體中，成為城市供水水源中抗生素抗性基因(ARGs)的重要來源[1-3]。2006年，PRUDEN等[4]正式提出將ARGs列為一類新興污染物，開始受到人們的關(guān)注與重視。ARGs具有“可復(fù)制”“可傳播”“不易消亡”等特點，在環(huán)境中可持久性殘留、遷移和傳播，因此ARGs往往比抗生素本身對人類健康的危害更大[5]。微生物基因組中的可移動遺傳元件(如質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子、整合子)可通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合等方式對ARGs進行傳播擴散[6]。

城市飲用水水質(zhì)安全關(guān)系到居民健康，之前有關(guān)水質(zhì)安全的研究主要涉及的污染物是營養(yǎng)鹽[7]、重金屬[8]、持久性有機污染物(POPs)[9]、消毒副產(chǎn)物及其前體物[10]等。近些年，由于在不同供水水源中不斷檢測出多種ARGs，全球各地開始對供水水源中ARGs的存在及含量高度關(guān)注，并對飲用水廠處理工藝提出了更高的要求[11-12]。因此，掌握城市供水水源中ARGs的種類、含量等特征，探索飲用水廠適宜的ARGs去除工藝，成為了保障居民飲用水安全方面新的研究熱點。本研究針對城市供水水源ARGs污染及去除這一重大問題進行了綜述，并對今后的研究重點及方向提出建議和展望，有助于揭示ARGs在城市供水系統(tǒng)中的分布規(guī)律。

1 城市供水水源中ARGs污染的研究進展

近年，在江河水、湖庫水和地下水等供水水源中檢測出了ARGs[13]。江河水、湖庫水和地下水作為城市的主要供水水源，其中的ARGs污染及其引發(fā)的環(huán)境和健康風險應(yīng)引起學(xué)者和管理者們的重視。以下總結(jié)了江河水、湖庫水和地下水等供水水源中ARGs的主要種類、檢出頻率、檢出豐度等信息。

1.1 江河水

在我國的城市供水水源中，江河水中抗生素質(zhì)量濃度超過了7 560 ng/L，平均也達到了303 ng/L[14]。由于大量抗生素的存在而誘發(fā)了ARGs污染。目前，我國的重要江河水中都檢出了多種ARGs。楊繼平等[15]對天津海河中的磺胺類ARGs進行檢測發(fā)現(xiàn)，sul1最大豐度達到8.5×105拷貝數(shù)/mL，sul2達到1.4×107拷貝數(shù)/mL。JIANG等[16]在黃浦江中檢出了2種磺胺類ARGs、8種四環(huán)素類ARGs和1種β-內(nèi)酰胺類ARGs，豐度為36.60～1.62×105拷貝數(shù)/mL。ZHENG等[17]在浙江張溪河檢測并分析發(fā)現(xiàn)，ARGs豐度受溫度影響比較明顯，一年中夏季豐度最高，達到2.81×106拷貝數(shù)/mL。STOLL等[18]在德國萊茵河中檢出了20多種ARGs，其中磺胺類ARGs檢出頻率最高，達到77%～100%。PRUDEN等[19]在美國科羅拉多州的多條河流中檢出了四環(huán)素類ARGs和磺胺類ARGs，并發(fā)現(xiàn)從上游至下游sul1的豐度呈逐漸增加的趨勢。以上研究表明，在城市供水水源中，江河水已成為了ARGs的一個主要儲庫，檢出種類多、檢出頻率高、檢出豐度大，但存在很大的時空差異。

1.2 湖庫水

湖泊和水庫在我國很多地區(qū)是非常重要的供水水源，但是湖泊和水庫由于往往兼具觀光、灌溉等多種功能而容易受到人類活動的影響，因此很容易積累和傳播ARGs。YANG等[20]對長江中下游地區(qū)的洞庭湖、陽澄湖等15個代表性湖泊進行了ARGs污染調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所有湖泊均受到了不同程度的ARGs污染，以磺胺類ARGs和四環(huán)素類ARGs的分布最為廣泛，其中tetG的分布最廣，每個16S rRNA發(fā)現(xiàn)了4.74×10-3拷貝數(shù)。ZHANG等[21]對我國京津冀地區(qū)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水標準的供水水庫進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，潘家口水庫和官廳水庫均檢出高豐度的ARGs，其中sul1、tetM和ermB的檢出頻率均為100%，豐度在106～108拷貝數(shù)/mL數(shù)量級。GRAHAM等[22]在古巴某水庫中檢出了3種β-內(nèi)酰胺類ARGs、2種紅霉素類ARGs和5種四環(huán)素類ARGs。XI等[23]調(diào)查顯示，美國的24座大型城市供水水庫中均發(fā)現(xiàn)含有ARGs，這些水庫的供應(yīng)人數(shù)至少有4 000多萬。由此可見，世界各地的湖庫水也已不同程度地受到了ARGs的污染，即使常規(guī)的理化指標和生物指標達到一定標準，仍然存在很大ARGs檢出風險，其對水生生態(tài)系統(tǒng)及人體健康的潛在危害不容忽視。

1.3 地下水

ARGs可隨地表徑流、土壤滲透作用等方式進入地下水，使得地下水中也頻繁檢出ARGs[24]。KOIKE等[25]連續(xù)3年對美國多個養(yǎng)豬場周圍的地下水進行檢測，發(fā)現(xiàn)tetM、tetQ、tetW等7種四環(huán)素類ARGs豐度為1.00×105～2.71×106拷貝數(shù)/mL，說明養(yǎng)殖場中抗生素的大量使用，已導(dǎo)致周圍地下水受到ARGs污染。KNAPP等[26]研究發(fā)現(xiàn)，地下水由于大部分處于低溫、黑暗條件，不利于ARGs的降解，因此地下水很可能是ARGs的另一重要儲庫。但是，目前有關(guān)地下水中ARGs的研究還相對較少，為全面評價ARGs對供水水源的污染現(xiàn)狀，地下水中的ARGs研究也不可忽視。

2 飲用水廠對ARGs的去除

供水水源中的ARGs經(jīng)飲用水廠處理后并不能完全去除，不同的飲用水處理工藝對ARGs的去除效果差異很大，其中微生物基因組中的可移動遺傳元件對ARGs的傳播和擴散起到很大作用，有些ARGs甚至在經(jīng)過飲用水處理工藝處理后出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象，因此需加強飲用水廠中飲用水處理工藝對ARGs去除效果的研究，以最大限度地控制ARGs對人類健康的影響。

2.1 常規(guī)處理工藝

混凝、沉淀、砂濾等是飲用水的常規(guī)處理工藝，其中混凝、沉淀是ARGs去除的關(guān)鍵階段[27]。投加混凝劑使原水中懸浮物、有機物等與游離的抗性細菌(ARB)結(jié)合形成大分子聚合物，經(jīng)沉淀處理后，攜帶ARGs的ARB得到消減，從而使飲用水中的ARGs豐度大幅降低。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，飲用水廠混凝工藝對ARGs的平均去除率可達42.5%～84.2%[28]629。張啟偉等[29]以聚合氯化鋁和聚合硫酸鐵作為混凝劑，在投加量分別為0.85、0.50 mmol/L時，對水中各類ARGs的去除量都明顯提高。LI等[30]向水中投加氯化鐵或聚合氯化鐵進行混凝，發(fā)現(xiàn)對各種ARGs的去除效果優(yōu)于人工濕地、曝氣生物濾池和紫外消毒。有研究發(fā)現(xiàn)，飲用水廠中原水經(jīng)過混凝處理后，ermB豐度明顯下降，但經(jīng)砂濾處理后，部分ARGs豐度卻有所升高，這可能是由于濾料表面附著的生物膜因老化脫落進入水中所致[31]。以上結(jié)果表明，飲用水廠的混凝、沉淀、砂濾等常規(guī)處理工藝基本上可對ARGs進行有效去除，但也存在一些不確定因素。目前，對于飲用水廠中混凝、沉淀、砂濾等常規(guī)處理工藝對ARGs或ARB的去除機制研究較少，未來應(yīng)加強這一領(lǐng)域的研究。

2.2 消毒處理工藝

消毒處理工藝主要可通過滅活A(yù)RB來去除飲用水中的ARGs。目前，飲用水廠多采用臭氧消毒、加氯消毒。臭氧接觸單元主要可以消除水中的有機物、病毒和細菌，但只對部分ARGs有一定的去除效果，難以明顯降低或徹底去除ARGs。RIVERA UTRILLA等[32]發(fā)現(xiàn)水中磺甲硝咪唑與臭氧接觸并進入活性炭柱后，磺甲硝咪唑含量會明顯下降，從而可降低誘導(dǎo)產(chǎn)生ARGs的可能性。XU等[33]報道稱，錢塘江某飲用水廠的臭氧消毒處理工藝僅能使四環(huán)素類ARGs稍有降低(去除率約為20.57%)，而其他種類的ARGs反而會增加。加氯消毒是飲用水廠最普遍采用的消毒方式，由于余氯對膜外蛋白基因和脫氧核糖核酸(DNA)轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因表達會產(chǎn)生抑制作用而可有效降低ARGs可移動遺傳元件，從而可降低ARGs的豐度[34]。但SHI等[35]發(fā)現(xiàn)，加氯消毒后empC、ermA、ermB等7種ARGs含量升高。以上結(jié)果表明，消毒處理工藝對ARGs去除也存在不確定性。

2.3 深度處理工藝

活性炭由于其發(fā)達的空隙結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附作用，因此活性炭吸附是一種穩(wěn)定高效去除一些污染物的水處理工藝，可以作為去除ARGs的深度處理工藝，但單獨處理對ARGs的去除效果并不理想。研究表明，磺胺類ARGs(如sul1、sul2)、四環(huán)素類ARGs(如tetA、tetG)、萬古霉素類ARGs、β-內(nèi)酰胺類ARGs、氯霉素類ARGs和大環(huán)內(nèi)酯類ARGs經(jīng)活性炭吸附后豐度甚至會升高，出現(xiàn)這種情況的原因可能是因為吸附在活性炭表面生物膜上的微生物轉(zhuǎn)移或誘導(dǎo)了ARGs[28]627。除活性炭吸附外，目前研究較多的飲用水深度處理工藝主要還有膜過濾、高級氧化等。汪清等[36]研究了納濾膜和反滲透膜對水中四環(huán)素類ARGs的去除效果，發(fā)現(xiàn)納濾膜和反滲透膜對四環(huán)素及四環(huán)素類ARGs的去除效果均較為理想。B?CKELMANN等[37]認為，超濾膜對某些種類的ARGs也有一定的去除效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超濾膜處理后磺胺類ARGs和四環(huán)素類ARGs豐度有所減少，但對其他ARGs沒有去除效果甚至還有增加的可能。

飲用水廠對ARGs的去除效果的不確定性主要與各飲用水廠的來水水質(zhì)、工藝流程等情況相關(guān)，由此可見ARGs的去除是一個復(fù)雜的過程。因此，要不斷對飲用水處理工藝進行改進，以最大程度地去除水中的抗生素及ARGs，達到遏制其傳播和擴散的目的，從而降低其對水體的污染以及對人體的危害。

3 建議與展望

(1) 目前已有大量學(xué)者開展水環(huán)境中ARGs來源、分布、傳播規(guī)律以及其環(huán)境風險的研究，但在飲用水供水系統(tǒng)中的ARGs傳播和擴散機制尚缺乏足夠研究，在抗生素及ARGs的環(huán)境行為和風險評估方面的研究也較為欠缺，針對ARGs的生態(tài)環(huán)境安全評價和風險預(yù)警機制也尚未形成系統(tǒng)的體系。因此，有必要進一步深入研究ARGs在城市供水水源中的分布特征、環(huán)境歸趨、消減規(guī)律等，尤其是各種環(huán)境因素和其他污染物對其轉(zhuǎn)移和擴散的影響、作用機制，以找到有效遏制其轉(zhuǎn)移和擴散的方法。

(2) 飲用水廠是去除飲用水中ARGs的關(guān)鍵，決定著ARGs是否會通過飲用水途徑進入人體，因此有必要加快研究和改進水處理工藝對ARGs的去除，解決其中的不確定性，利用組合工藝的優(yōu)勢探尋更加高效實用的ARGs控制和處理工藝。更進一步，建議加強環(huán)境因素(如溫度、光照等)和不同組合工藝在不同工況條件下對ARGs轉(zhuǎn)移和擴散的影響及機制研究，以遏制ARGs在飲用水中的傳播，保障飲用水安全。