控制醫(yī)院污水中抗生素耐藥細菌傳播的消毒技術研究進展

陳 思

溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，溫州 325000

自19 世紀被發(fā)現(xiàn)并得到廣泛應用以來，抗生素在人類細菌性感染疾病的治療方面發(fā)揮了巨大的作用也隨著其在世界范圍內需求的不斷增加而被大量使用，其殘留物在自然環(huán)境中不斷蓄積，造成的污染問題不容忽視。近年來在城市污水及制藥廠的生產(chǎn)廢水中均能檢測到抗生素殘留[1-3]。常規(guī)污水處理方法主要用于去除固體、溶解性有機物等，抗生素未經(jīng)針對性去除工藝處理就被排入自然水體，其危害不僅僅表現(xiàn)在對人體及其他有機生物產(chǎn)生毒害上，更在于其產(chǎn)生的抗生素耐藥菌（ARB) 和抗藥基因（ARGs）的傳播，導致用于疾病治療的抗生素的療效受到抑制，威脅到了人類的健康和安全。因此，ARB和ARGs 被視作新型環(huán)境污染物[4]，引起了社會的廣泛關注。

醫(yī)院是抗生素的使用主要場所，大多數(shù)抗生素在人體內代謝不良，主要通過尿液排出[5]。與城鎮(zhèn)生活污水相比，醫(yī)院廢水中的ARB 濃度更高[6]，且醫(yī)院污水中往往含有更高濃度的細菌和藥物，這為ARB的傳播提供了有利條件。故有效去除ARB 和其他可移動的遺傳元素并最大限度阻止抗生素耐藥性的傳播，意義重大。本文綜述了醫(yī)院廢水消毒技術，分析了各技術對醫(yī)院廢水中耐藥菌及其基因的去除效果，以期為研究醫(yī)療廢水消毒技術提供新思路。

1 醫(yī)院廢水中抗生素及耐藥菌的傳播

醫(yī)療廢水成分復雜，包括多種藥物和高濃度的病原體、病毒和真菌，醫(yī)院污水安全處理意義重大。污水中含有多種化學物質，致使醫(yī)院污水處理設施的污染物負荷包括生物殘留物[6-8]。醫(yī)院中抗生素應用得較多，且這些抗生素耐藥菌（ARB）很容易通過空氣于住院患者之間傳播，進而造成感染[9]，再通過病人的尿液等排泄物進入醫(yī)院的污水系統(tǒng)中，故在污水中易檢測到各種抗生素和抗耐藥性細菌。污水中最常見的耐藥細菌是VRE、大腸桿菌、革蘭氏陰性銅綠假單胞菌[10]，在醫(yī)院廢水中可以發(fā)現(xiàn)較高濃度的這些抗微生物藥物耐藥性細菌，并且對廣譜抗生素青霉素具有耐藥性的產(chǎn)碳青霉酶也已被發(fā)現(xiàn)在醫(yī)院內傳播[11]。運用消毒技術來阻斷抗生素耐藥細菌傳播已成為關鍵手段。但是Dodd[12]研究發(fā)現(xiàn)，消毒過程會使ARB 失去活性，但細胞碎片中未受損的DNA 殘基可以通過自然轉化或轉導使環(huán)境中的其他細菌群產(chǎn)生抗生素耐藥性。甚至，死亡細菌可以擁有完整的質粒，能夠在合適的宿主體內自主復制[13]。因此，要有效控制醫(yī)院廢水中抗生素耐藥細菌的傳播，消毒技術就不僅要消滅該類微生物，還要使其遺傳物質變性而失去傳播能力。

2 醫(yī)院污水消毒技術

臭氧消毒、紫外線照射和次氯消毒都是常用的醫(yī)院廢水消毒技術[14]。每種消毒技術都有其獨特的優(yōu)缺點。針對傳統(tǒng)消毒工藝的不足，新興工藝包括光催化氧化技術、芬頓（Fenton）氧化技術、電化學氧化技術及超臨界水氧化技術等高級氧化技術都得到了迅速發(fā)展和應用。

2.1 傳統(tǒng)消毒技術

2.1.1 氯消毒

氯消毒是目前醫(yī)院污水消毒中應用最廣的技術，包括液氯消毒、二氧化氯消毒及次氯酸鈉消毒。

Gautam 等[15]對醫(yī)院污水氯消毒效果進行了評價。20 mg/L 的Ca（ClO）2在30 min 內的消毒率可達98.5%，同時通過監(jiān)測3 個不同醫(yī)院廢水處理廠中的抗生素抗性基因（ARGs），這些醫(yī)院均以氯氧化為終端消毒手段，結果顯示，qnrS、blaSHV-1 和blaDHA-1 基因的ARGs 去除率為（0.85～2.71）log，抑制效果顯著。然而，Yao 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，消毒處理后廢水中的5 種β-內酰胺類ARGs（blaOXA-1、blaOXA-10、blaDHA-1、blaSHV-1、blaem-1）和2 種喹諾酮類ARGs(qnrA 和qnrD)的濃度反而會升高。這一現(xiàn)象可能是由于氯用量不足，誘導形成更多菌毛進行共軛轉移造成的結果[17-19]。

2.1.2 臭氧消毒

臭氧具有優(yōu)異的消毒性能，其在水中能夠形成具有更高氧化電位的羥基自由基，羥基自由基的氧化電位僅次于氟[20]。與氯消毒相比，臭氧消毒反應快、消殺徹底，且對ARGs 的去除效果較好。Chiang等[21]研究了中性條件下臭氧對醫(yī)院污水的消毒效果，發(fā)現(xiàn)添加3.5 mg/L 的O3可以完全去除銅綠假單胞菌。類似添加劑量的臭氧也能夠使總大腸菌群的數(shù)量減少4 log 以上。但臭氧的制備和運行成本較高[22]，且臭氧過量容易產(chǎn)生異味和副產(chǎn)品，進而影響人體健康[23]。

2.1.3 紫外線消毒

紫外線（UV）是指波長在200～400 nm 之間的電磁波，在消毒過程中無需投加化學藥劑，故其不會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，無二次污染的風險。紫外消毒的原理為波長為用200～300 nm 的射線破壞細菌、病毒和單細胞微生物的氧核糖核酸（DNA）和雙鏈結構核糖核酸（RNA），抑制蛋白質合成，可以達到殺滅細菌及病原微生物的目的[24]。但紫外消毒效果容易受廢水濁度等因素影響，且存在照射滲透深度不足和消毒后微生物復現(xiàn)的現(xiàn)象，故紫外線消毒被認為不適合單獨應用廢水消毒，更推薦將紫外消毒與化學消毒工藝結合，抑制微生物復活，既克服了單獨使用紫外消毒的缺陷，也給消毒工作帶來了雙重保障[25]。

2.2 高級氧化技術（AOPs）

高級氧化技術（AOP）的去除效率更高，這主要是由于其形成了更強的氧化劑，通常是羥基自由基。羥基自由基通常由O3、H2O2等氧化劑或水的直接光解形成，而紫外線照射等為光解提供了更大的能量。高級氧化技術主要包括光催化氧化技術、芬頓（Fenton）氧化技術、電化學氧化技術等。處理醫(yī)院廢水時可以使用強氧化能力強、氧化速率快的AOPs，且它們沒有污染轉移，也不會產(chǎn)生大量有毒污泥[26-27]。本節(jié)介紹了幾種AOPs 技術(芬頓（Fenton）氧化技術、光催化氧化技術、電化學氧化技術)應用于去除各種抗微生物耐藥性細菌和抗微生物耐藥性基因的成效。

2.2.1 芬頓（Fenton）氧化技術

傳統(tǒng)Fenton 氧化反應的條件比較嚴苛，需在酸性條件下進行，F(xiàn)e2+與雙氧水反應可以生成具有很高氧化電位的羥基自由基。Fenton 氧化反應的效率受溫度、pH 及Fe2+與雙氧水濃度配比的影響。由于Fenton 氧化反應的影響因素較多，實施難度大，處理成本高，同時雙氧水自身的特性，導致該反應還存在一定的安全風險[28]。為克服傳統(tǒng)Fenton 氧化技術的缺陷，研究人員引入超聲波、電、光及一些過度金屬等現(xiàn)代化技術來強化Fenton 氧化的效果。

Munoz 等[29]報道了Fenton 去除醫(yī)院污水中總大腸菌群的效率。在溫度高于70 °C 時，該工藝處理后的廢水毒性為原廢水的五分之一。UVC 光照射下的Fenton 工藝可將醫(yī)院廢水中的總大腸菌群和大腸桿菌完全清除[30]。此外，Serna-Galvis 等[31]也評估了UVC 光照射下Fenton 工藝對醫(yī)院廢水中耐碳青霉烯類肺炎凱布菌的去除效果，發(fā)現(xiàn)在UVA 光的照射下，使用5 mg/L 的Fe2+和50 mg/L 的H2O2可使細菌濃度在300 min 內降低3.3 logs，而添加9 μm 檸檬酸可以增強UVC 光照射下Fenton 工藝的反應過程，在300 min 內可完全去除肺炎凱布菌。他們還提出使用14 709 μm 的Na2S2O8替代H2O2，以提高消毒效率。

2.2.2 光催化氧化技術

光催化氧化的常用氧化劑有雙氧水（H2O2）和臭氧（O3）等，常用催化劑有二價鐵（Fe2+）、三價鐵（Fe3+）、TiO2、WO3等[32]。應用最多的是催化光臭氧化工藝（UV/TiO2/O3），該過程包括從固體催化劑上吸附的氧和臭氧（O2（ads）和O3（ads））提供的羥基自由基[33]。此外，紫外線的照射不僅有助于微生物滲透到細胞中，還可以通過氧化劑的光活化作用促進羥基自由基產(chǎn)生，Machado 等[34]利用配備低壓殺菌汞燈的斜坡式反應器，研究了催化光臭氧化工藝去除醫(yī)院污水中耐熱大腸菌群的方法。他們得出結論，在光照射斜坡中使用2.96 mg/cm2的TiO2，并在反應器內部空氣中產(chǎn)生5.8 mg/h 的O3，可以使廢水在處理60 min 后完成徹底的消毒。Kis 等[35]也在相同的操作條件下使用該催化光臭氧化工藝（UV/TiO2/O3）工藝對醫(yī)院廢水進行了消毒。結果表明，催化光臭氧化工藝（UV/TiO2/O3）作以為一種有效的消毒方法，可以達到完全去除大腸桿菌和耐熱大腸菌群的目的。

2.2.3 電化學氧化技術

電化學氧化技術在電場、磁場及高溫高壓等條件下，利用雙氧水及臭氧等強氧化劑，通過反應產(chǎn)生OH、O2-等高氧化電位自由基，將廢水中難降解的大分子污染物降解為小分子物質[36]。電化學氧化技術主要依靠電極反應和自由基進行氧化。Zhou 等[37]使用Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2陽極和碳纖維陰極去除糞大腸桿菌（9.101 CFU/mL）。施加80 Am-2電流密度，12 min 內可以達到完全消毒的效果，這可能是由于反應中NaCl 的初始質量濃度大于200 mg/L，電化學產(chǎn)生了較多游離氯，可以提高消毒率。Rieder 等[38]研究了一種基于脈沖電場（PEF）的新型消毒方法。PEF 技術直接應用于生物細胞膜，膜上的雙層磷脂在PEF 作用中被破壞，細胞發(fā)生裂解。研究表明，在PE 的F 作用下，銅綠假單胞菌可以被完全清除。另外，通過測定醫(yī)療廢水中降解遺傳物質的核酸酶活性，未發(fā)現(xiàn)促進ARB 傳播的遺傳轉移的情況。

3 結論與展望

當前，對醫(yī)院污水進行消毒處理，應用較多的還是傳統(tǒng)消毒技術，但它們在控制抗生素耐藥細菌傳播方面存在一定的局限性，可以采用結合多種消毒技術的模式來克服單一消毒技術的不足，但對其技術聯(lián)合應用的研究有待補足。

高級氧化技術（AOPs）可促進產(chǎn)生大量高活性物質，其具有氧化性強、效率高和消殺徹底等優(yōu)勢。應重視對基于高級氧化技術的消毒技術的研究，克服反應器材料、電極材料、過渡金屬等因素的制約，降低使用成本，優(yōu)化操作條件，最大限度地減少消毒時產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物，確保該技術的有效性和經(jīng)濟性。

目前，高級氧化技術的應用大多還停留在中試規(guī)模，日后還需對擴大該技術的使用規(guī)模展開深入研究。