許 翔
(福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計院有限公司,福建福州 350002)
1929年,青霉素的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著抗生素時代的正式開啟[1]。此后,抗生素作為減少傳染風(fēng)險的有效手段,被廣泛用于人類與動物的治療[2]。但抗生素的長期濫用會導(dǎo)致微生物在環(huán)境壓力作用下逐漸產(chǎn)生耐藥性,從而造成抗生素抗性細(xì)菌(antibiotic resistance bacteria, ARB)以及抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)大量繁殖[2-3]。環(huán)境中ARB/ARGs的存在會降低細(xì)菌對于抗生素的敏感性,導(dǎo)致超級細(xì)菌出現(xiàn)。如20世紀(jì)60年代耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant staphylococcus aureus, MRSA)的出現(xiàn)、2010年印度超級細(xì)菌NDM-1(new delhi metallo-β-lactamase)的流行以及2011年德國“毒黃瓜”事件的暴發(fā),引發(fā)了世界范圍內(nèi)對超級細(xì)菌的恐慌[4-5]。實(shí)際上,由于抗生素抗性的產(chǎn)生,每年大約有70萬人喪生,且隨著耐藥性的持續(xù)增加,預(yù)計2050年,抗生素抗藥性將導(dǎo)致1 000萬人死亡,造成約100萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。當(dāng)前,抗生素抗藥性在環(huán)境中的蔓延已成為全球性的公共安全問題,世界衛(wèi)生組織已將其列入21世紀(jì)威脅人類健康的最重大挑戰(zhàn)之一。
區(qū)別于傳統(tǒng)污染物,ARGs具有明顯的生物學(xué)特征,其在環(huán)境中的傳播依賴于細(xì)菌增殖,如親代與子代之間的垂直基因轉(zhuǎn)移或相同/不同菌株、種屬間整合子、轉(zhuǎn)座子,以及質(zhì)粒等可移動遺傳元件的接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)化,即水平基因轉(zhuǎn)移以及基因突變等[8]。這導(dǎo)致環(huán)境中的ARB/ARGs難以直接控制,從而被認(rèn)定為新污染物[9]。大量研究[5,10-13]顯示,水源水、地下水、污水處理廠、飲用水廠以及龍頭水中均含有不同程度的ARB/ARGs。
水是人類的生命之源,而飲用水管網(wǎng)系統(tǒng)(drinking water distribution system,DWDS)作為飲用水輸送過程中的最后一環(huán),若不對ARB/ARGs加以控制,其最終會通過飲用水進(jìn)入人體腸道,增強(qiáng)腸道中的細(xì)菌耐藥性水平,從而對人體健康構(gòu)成威脅[14]。因此,為更好地去除DWDS內(nèi)的ARB/ARGs,本文將在介紹DWDS中ARB/ARGs來源與賦存的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述影響其賦存的重要因素,深入解析了與ARB/ARGs控制有關(guān)的切實(shí)可行技術(shù),并對今后的研究內(nèi)容與方向進(jìn)行展望。
已有研究[15]表明,ARB/ARGs的賦存往往與抗生素的檢出濃度存在明顯相關(guān)性。為此,研究人員[16]對我國南方某水源地所在水庫中含有的典型抗生素進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果檢出8種抗生素殘留,其質(zhì)量濃度為1.20~130.00 ng/L。Yan等[10]進(jìn)一步對長江流域5類20種抗生素進(jìn)行時空分布測定,結(jié)果顯示,除磺胺嘧啶外,其他抗生素均有檢出,且以甲砜霉素和磺胺吡啶抗生素占比最大,最高質(zhì)量濃度達(dá)到110 ng/L與219 ng/L。可見,水源水中抗生素的存在為ARB/ARGs的出現(xiàn)提供了條件。研究人員[17]進(jìn)一步對美國某社區(qū)飲用水廠水源水中ARB/ARGs進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)有攜帶四環(huán)素ARGstetA與磺胺類ARGssul1的多重抗藥性細(xì)菌。同樣地,在檢測杭州某飲用水源中E.coli分離株對于抗生素敏感性試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn),大多數(shù)分離株都具有四環(huán)素耐藥性,其次是氨芐西林、哌拉西林、甲氧芐啶/磺胺甲惡唑和氯霉素[14]。目前,水源水中普遍存在著ARB/ARGs。
水源水污染直接導(dǎo)致了飲用水廠中ARB/ARGs頻頻檢出。Pruden等[8]采用定量PCR(quantitative PCR, q-PCR)技術(shù)對美國某城市飲用水處理廠中ARGs進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示,水廠進(jìn)水與出水過程中均有四環(huán)素類ARGstetO和tetW檢出。Guo等[18]對長江三角洲附近的7個飲用水處理廠進(jìn)水中磺酰胺ARGssulI、sulII和四環(huán)素類ARGstetC、tetG、tetX、tetA、tetB、tetO、tetM、tetW進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)其豐度大于105copies/mL,且出水中仍有不同水平的ARGs檢出。作為新污染物,目前尚未對ARB/ARGs去除有針對性的舉措,這直接導(dǎo)致了出廠水中ARB/ARGs的存在。
當(dāng)飲用水進(jìn)入分配系統(tǒng)后,通常需要花費(fèi)數(shù)小時甚至數(shù)天才能在管道內(nèi)到達(dá)家庭龍頭處,這期間復(fù)雜的物理與化學(xué)變化將進(jìn)一步導(dǎo)致水質(zhì)變化。研究[19]表明,大部分DWDS水中ARGs含量要高于水廠出水和飲用水源地中的ARGs含量。張練等[20]對DWDS中抗生素濃度的分布情況進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),其濃度呈現(xiàn)出先減弱后增加的趨勢,DWDS末梢中抗生素濃度集中,檢測到了四環(huán)素類抗生素、氯霉素類、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素以及林可霉素。Ateba等[21]對南非某DWDS中異養(yǎng)菌進(jìn)行分離培養(yǎng)測定,也發(fā)現(xiàn)大多數(shù)菌株具有多重抗藥性,其中檢測到包括strA、strB21、dfrB13、aadA11、blaCTX-M5以及tetA3等在內(nèi)的多種ARGs。目前,已通過高通量q-PCR測序技術(shù)對實(shí)際DWDS中ARGs進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)超過100種ARGs,其總含量為105~1010copies/L[22]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),與出廠水相比,自來水中ARGs的富集倍數(shù)為6.4~109.2,尤其是β-內(nèi)酰胺酶ARGs,由平均值1.08×107copies/L上升至5.12×108copies/L[23]。綜上,DWDS是ARGs增殖的重要貯存庫(表1),需要引起人們的重點(diǎn)關(guān)注。
微生物安全是飲用水安全的基本要求,為此有關(guān)部門出臺了國標(biāo)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)、上海地標(biāo)《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/T 1091—2018)、深圳地標(biāo)《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 4403/T 60—2020)等一系列標(biāo)準(zhǔn)以保證水質(zhì)安全,但細(xì)菌的抗生素抗性是近年來出現(xiàn)的新問題,且無論是ARB還是ARGs,均種類繁多,因此,這些標(biāo)準(zhǔn)均未涉及到飲用水ARB和ARGs的限值。DWDS中ARB和ARGs的普遍存在是不爭的事實(shí),且DWDS內(nèi)的獨(dú)特生存環(huán)境一定條件下會影響ARB/ARGs賦存和傳播能力。
通常,當(dāng)有環(huán)境壓力(抗生素、重金屬)存在時,ARB往往比敏感型細(xì)菌更有生長優(yōu)勢,但細(xì)菌通過改變細(xì)胞膜通過性、抗生素滅活、外排泵,以及改變靶位點(diǎn)等方式獲得抗性的同時,不僅影響正常的生理代謝,而且會額外消耗物質(zhì)與能量,導(dǎo)致其在沒有選擇壓力時與敏感菌競爭處于劣勢。而這一現(xiàn)象被稱為細(xì)菌的適應(yīng)度代價[24-25]。一直以來,水體中抗生素濃度往往處于痕量水平(ng/L),但管網(wǎng)內(nèi)卻出現(xiàn)了高水平的ARB/ARGs。研究[26]表明,飲用水所具有的典型環(huán)境特征在此過程中起到了重要作用,其中典型條件之一就是總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)濃度,其可以改變細(xì)菌對抗生素的表型耐受性。在貧營養(yǎng)條件下(TOC<0.05 mg/L),與野生型細(xì)菌相比,ARB的適應(yīng)性代價將降低,即耐藥細(xì)菌變得更具競爭力[24]。Paulander等[27]的研究也有力地證實(shí)這一觀點(diǎn),其發(fā)現(xiàn)較低的TOC濃度不利于RNA聚合酶σ因子(σS)的誘導(dǎo),這將更有利于抗性菌的生長。在此基礎(chǔ)上,Wan等[28]通過中試試驗(yàn)探究了不同TOC濃度下飲用水砂濾系統(tǒng)中ARB/ARGs的賦存與維持,結(jié)果顯示TOC濃度與ARB/ARGs豐度呈顯著負(fù)相關(guān),且低TOC水平更有利于ARG高多樣性以及高豐度的維持。以上結(jié)果均表明,DWDS內(nèi)低濃度TOC是影響ARB/ARGs賦存的重要原因。
為了保證飲用水的微生物學(xué)安全性,自來水在出廠前都要經(jīng)過消毒工藝處理。目前最常用的消毒劑是氯和氯胺。為了保證管網(wǎng)中細(xì)菌生長得到有效抑制,我國的飲用水標(biāo)準(zhǔn)中對DWDS末梢水的消毒劑余量也做了規(guī)定,例如余氯質(zhì)量濃度不應(yīng)低于0.05 mg/L。但實(shí)際上,DWDS中殘留的消毒劑并不能完全抑制細(xì)菌的生長。且由于消毒工藝所用種類、劑量以及接觸的時間不同,對ARB/ARGs賦存的影響也不盡相同。據(jù)報道,當(dāng)水體中游離氯濃度較低時,可以觀察到多重耐藥菌P.aeruginosa的生長,但當(dāng)其質(zhì)量濃度升高達(dá)到0.3 mg/L后,經(jīng)過長期暴露包括ARB在內(nèi)的所有細(xì)菌都將失活[29]。研究人員[30]對比了不同消毒劑對DWDS中ARB的影響,發(fā)現(xiàn)氯胺消毒在去除含有磺酰胺抗性的細(xì)菌時表現(xiàn)優(yōu)異,游離氯則對四環(huán)素和β-內(nèi)酰胺酶類ARB的去除更有優(yōu)勢。當(dāng)紫外線(UV)光照強(qiáng)度達(dá)到200~12 477 mJ/cm2,ARGs的數(shù)量可下降2.48~4個數(shù)量級,UV會促進(jìn)DNA中環(huán)丁烷嘧啶二聚體的形成,從而導(dǎo)致ARB失活[31]。
目前,氯消毒由于效果優(yōu)良、操作簡便、價格低廉,在DWDS內(nèi)得到了最為廣泛的運(yùn)用[32]。研究[33]顯示,高劑量條件下,游離氯將破壞ARB細(xì)胞壁,并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)與DNA反應(yīng)而使ARGs失活。但實(shí)際上,氯在DWDS中會不可避免地發(fā)生衰減,導(dǎo)致DWDS內(nèi)余氯含量通常不能有效控制ARB/ARGs的賦存與生長。且研究人員[5,34]對氯化過程中ARGs豐度的改變原因進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)DWDS內(nèi)余氯驅(qū)動微生物群落結(jié)構(gòu)改變,這使得DWDS內(nèi)細(xì)菌具有更高的抗生素抗性。進(jìn)一步研究[5]發(fā)現(xiàn),DWDS中耐氯菌Pseudomonas和Acidovorax會攜帶持久性ARGs,如多重ARGs(RND轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng))和桿菌肽ARGs(bacA),這是造成ARGs增加的主要原因。此外,氯消毒可以提高致病菌中ARGs的相對豐度,且單個ARG對氯脅迫敏感,同時氯化可以通過增加細(xì)胞通透性促進(jìn)ARG轉(zhuǎn)移[31]。
消毒劑(如氯、氯胺)往往還可與水中有機(jī)物及其前體物反應(yīng)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(disinfection by-products, DBPs)[35]。近些年,研究人員[36]發(fā)現(xiàn)致突變DBPs會誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生抗性,其原理是這些DBPs會使細(xì)菌產(chǎn)生基因突變,當(dāng)突變?yōu)榭剐酝蛔儠r,細(xì)菌即獲得了可遺傳的抗性。如呂露等[37]選取3種典型DBPs對病原微生物P.aeruginosa與E.coli進(jìn)行誘導(dǎo),繼而觀察它們對于5種抗生素的響應(yīng),結(jié)果顯示菌株單一抗性提高1.48~12.01倍,多重抗性提高1.55倍。Li等[38]也觀察到同樣的情況,DBPs的存在使得E.coli對環(huán)丙沙星的抗性提高數(shù)倍。Lü等[36]進(jìn)一步對機(jī)理進(jìn)行闡述,外排泵的過量表達(dá)是P.aeruginosa對單個和多種抗生素的耐藥性增加的主要原因。同時對ARGs進(jìn)行測序和分析,證實(shí)了該效應(yīng)的機(jī)制是突變。此外,同樣的誘導(dǎo)現(xiàn)象也出現(xiàn)在E.coli中,這表明DBPs 對抗性的影響具有普適性。
DWDS中的細(xì)菌既可以游離形式存在,也可以管壁生物膜形式生長。有關(guān)研究[39]顯示,氯化處理過程中磺胺嘧啶、環(huán)丙沙星和磺胺嘧啶/環(huán)丙沙星的促進(jìn),能夠使附著于細(xì)菌尤其是ARB中胞外聚合物含量增加,胞外聚合物具有較高蛋白質(zhì)含量和二級結(jié)構(gòu)β-折疊,會導(dǎo)致更多的細(xì)菌聚集和吸附,從而有利于DWDS生物膜的形成。實(shí)際上,DWDS生物膜廣泛地分布于飲用水系統(tǒng)中,而抗生素抗性作為由抗生素或其他化學(xué)物質(zhì)(如消毒劑)觸發(fā)而產(chǎn)生的適應(yīng)性反應(yīng),相比游離細(xì)菌,其在生物膜中具有更高的抗性水平[40]。生物膜作為DWDS中抗生素抗藥性的儲存庫,主要通過以下幾種方式增強(qiáng)其抗性[15,41-42]:(1)生物膜的形成有利于微生物的附著生長,對強(qiáng)吸附性ARB而言提供了良好的生長環(huán)境,增強(qiáng)其在DWDS內(nèi)的持久性;(2)為抗生素提供屏障,減少外界環(huán)境的干擾;(3)促進(jìn)微生物之間遺傳物質(zhì)的交換。有報道[42]稱,生物膜中S.aureus的結(jié)合轉(zhuǎn)移頻率比游離狀態(tài)高10 000倍。同樣,研究人員[30]對實(shí)際DWDS中的具有四環(huán)素、磺胺甲惡唑、克林霉素、諾氟沙星抗性的ARB進(jìn)行為期一年的測定,其中ARB的分布情況如下:生物膜>出水>進(jìn)水。
當(dāng)生物膜的生長和積累到一定程度時,會影響管壁狀況,造成管道堵塞、金屬管道腐蝕加劇以及水質(zhì)色度與嗅度的改變[22]。此時若水力條件發(fā)生變化,生物膜可能會從管道表面脫落,包括ARB在內(nèi)的細(xì)菌會從生物膜轉(zhuǎn)移到主體水中,從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化[43]。由此可見,生物膜中ARB/ARGs的賦存被認(rèn)為是威脅飲用水安全的重要因素。
近年來,人們對于安全飲水意識的提升使其對水質(zhì)也提出了更高的要求。而一旦ARB/ARGs通過飲水進(jìn)入人體,將會影響有關(guān)抗生素的治療效果,更甚者會產(chǎn)生無藥可用的情況。因此,對管網(wǎng)內(nèi)ARB/ARGs的管控勢在必行,且可以下3個方面進(jìn)行。
增加深度處理工藝,減少出廠水中ARB/ARGs的含量,對控制ARB/ARGs在DWDS內(nèi)的分布至關(guān)重要。高級氧化技術(shù)被認(rèn)為是提高飲用水中ARB/ARGs去除的有效手段[44]。Zhang等[45]發(fā)現(xiàn)UV/Cl處理在1 min內(nèi)完全滅活Pseudomonas.HLS-6,而單獨(dú)UV照射在1 min內(nèi)僅可降低4log,5 min內(nèi)才能夠完全滅活。且經(jīng)UV/Cl處理60 min后,sul1和intI1分別減少了至少3.50log ARGs和4.00log ARGs。此外,有研究人員[46]嘗試用UV-A/TiO2技術(shù)去除醫(yī)療廢水中的典型抗性菌,結(jié)果顯示TiO2劑量的增加會降低細(xì)菌的存活,催化過程將細(xì)菌數(shù)量減少了3log,但對部分抗性菌如MRSA的去除并不明顯。李樹銘等[47]對比了O3、UV和UV/O3消毒對4種ARB(Enterococcus、Brevibacillus、Pseudomonas、E.coli)以及4 種ARGs(tetA、blaTEM、sulI和strB)的去除,結(jié)果顯示ARB均得到了很好的削減,UV/O3會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)且不會導(dǎo)致光復(fù)活問題。而Fenton技術(shù)去除污水廠二級出水中ARGs過程中也可達(dá)到一定的效果,當(dāng)pH值為3、Fe2+/H2O2摩爾比為1∶10的條件下,反應(yīng)2 h,ARGs 可降低2.58log~3.78log[48]。除此之外,Breazeal等[49]發(fā)現(xiàn)有膠體存在時微濾與超濾能夠?qū)RGs進(jìn)行截留。但Pruden等[50]認(rèn)為攜帶ARGs的可移動遺傳因子能夠透過超濾膜的孔隙,而不能對其進(jìn)行有效的控制??梢?目前膜過濾技術(shù)對于ARB/ARGs的去除具有不穩(wěn)定性。
研究[51]表明,約有95%的細(xì)菌附著于生物膜生長。但相比去除成熟生物膜中的ARB/ARGs,控制管網(wǎng)內(nèi)生物膜的生長是更為有效的措施。實(shí)際上,影響生物膜生長的因素很多,包括水中營養(yǎng)物質(zhì)濃度、管道材質(zhì)、流速和群體感應(yīng)等[43,52]。
DWDS中的微生物大多是以有機(jī)物為營養(yǎng)基質(zhì)的異養(yǎng)型細(xì)菌,控制水質(zhì)中TOC,尤其是可同化有機(jī)碳(assimilable organic carbon,AOC)的含量,可減少生物膜在DWDS內(nèi)的生長[53]。Kooij等[54]提出當(dāng)DWDS中沒有消毒劑殘留時,AOC質(zhì)量濃度低于10 μg/L可以使限制異養(yǎng)菌的生長。而Lechevallier等[55]則認(rèn)為當(dāng)存在大于0.5 mg/L的游離氯或1.0 mg/L的氯胺時,AOC質(zhì)量濃度應(yīng)低于50 μg/L或100 μg/L才可抑制細(xì)菌的再生。此外,DWDS的材料也會影響生物膜的生長速率。李爽等[56]在鍍鋅鋼管跟PVC管中模擬DWDS中生物膜的生長過程,6個月后,就生物量而言鍍鋅鋼管比PVC管中高出一個數(shù)量級,這是由于粗糙的表面加快了DWDS內(nèi)的腐蝕使得微生物易于附著,在分泌的胞外聚合物作用下,會黏附更多的細(xì)菌以及營養(yǎng)物質(zhì),逐漸形成生物膜。12個月后,兩種管材內(nèi)的生物量趨于穩(wěn)定,此后管道材質(zhì)對于生物膜的影響減少。因此,定期更新DWDS中的管段可以有效阻止生物膜的發(fā)育。流速也是影響DWDS中生物膜生長的重要因素,更高的流速會促進(jìn)使DWDS內(nèi)微生物分泌更多的胞外聚合物,從而有利于更加密實(shí)的生物膜形成[43]。這也從另一方面證實(shí)沖洗并不是去除DWDS內(nèi)生物膜的有效途徑。群體感應(yīng)是細(xì)菌間的一種交流機(jī)制,細(xì)菌向外界釋放信號分子,當(dāng)濃度達(dá)到特定闕值時,會誘導(dǎo)細(xì)菌中特異性基因的表達(dá)反過來調(diào)節(jié)細(xì)菌間的行為方式[57]。Wu等[52]通過投加不同濃度?;呓z氨酸環(huán)內(nèi)酯類物質(zhì)(acy-l homoserine lactone,AHL),發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)AHL可通過增加飲用水中相關(guān)菌株的生物量進(jìn)而促進(jìn)生物膜的形成。目前,實(shí)驗(yàn)室條件下已成功通過投加天然的群體感應(yīng)抑制劑,阻礙了活性炭表面生物膜的生長。
傳統(tǒng)消毒工藝對DWDS內(nèi)ARB/ARGs去除有一定的局限性。研究[58]顯示,低氯劑量時(40 mg/L),細(xì)菌轉(zhuǎn)移接合效率增大了2~5倍。為此,優(yōu)化消毒方式勢在必行。正如前文所述,DBPs與ARB的產(chǎn)生聯(lián)系緊密,減少DBPs的產(chǎn)生有利于降低ARB的含量。為此,陳超[59]開發(fā)了一種短時游離氯(<15 min)后轉(zhuǎn)氯胺順序氯化消毒工藝,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬以及中試調(diào)試,顯示相比傳統(tǒng)消毒,此消毒工藝能夠減少35.8%~77.0%的三鹵甲烷以及36.6%~54.8%的鹵乙酸產(chǎn)生量。此外,紀(jì)瑤瑤等[60]探究了順序氯化工藝對原水進(jìn)行處理的最優(yōu)反應(yīng)條件,結(jié)果表明在加氨轉(zhuǎn)化時間為30 min時,經(jīng)消毒處理24 h后,3種N-DBPs的前體物產(chǎn)量減少72%~82%。
目前,DWDS內(nèi)ARB/ARGs富集現(xiàn)象已引起人們的廣泛關(guān)注。與常規(guī)工藝相比,先進(jìn)的處理工藝對ARB/ARGs去除雖起到了一定的控制作用,但價格成本昂貴。我國作為抗生素使用大國,在建立醫(yī)療、畜牧等相關(guān)行業(yè)的管控策略從根本上減少源頭輸入的同時,未來應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行相關(guān)研究:
(1)闡明DWDS內(nèi)細(xì)菌尤其是病原微生物中ARGs的富集與傳播機(jī)制;
(2)尋求低成本減少ARB/ARGs的方法,開發(fā)新型技術(shù)在降低成本的同時能夠針對性地去除DWDS內(nèi)的ARGs;
(3)科學(xué)評估飲用水中與ARB/ARGs暴露相關(guān)的人體健康風(fēng)險,可以此為依據(jù)建立對ARB/ARGs管控標(biāo)準(zhǔn)。