张瑾，李霞，方志鹏，武发竹
合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009
摘要：近年来，抗生素的大量使用甚至滥用导致水环境中抗生素残留水平逐步升高，多种抗生素抗性细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）不断出现，污染饮用水水源，威胁饮用水水质安全。城市自来水厂现有处理工艺无法完全去除水中抗生素抗性细菌和抗生素抗性基因，经由部分处理工艺和输配水系统输送后，甚至可以增加其数量，引发了人们的极大关注。文章通过讨论饮用水中ARB的存在，探究经不同水处理工艺ARB和ARGs的数量变化，为城市饮用水系统中ARB和ARGs的存在、传播和清除机制打下基础。
关键词：抗生素抗性细菌；饮用水；过滤；石英砂
新型环境污染物ARB在不同环境介质中传播扩散，最终进入人体危害人体健康，现有的水处理工艺还无法对其进行有效去除。本文简述了ARB和ARGs在环境中的的分布与传播及现有的研究方法，分析比较了不同水处理工艺对ARGs的影响。
1.抗性细菌及抗性基因在环境中的分布与传播
目前ARB和ARGs在地表水、污水以及饮用水中的检出已相当普遍。污水处理厂与地表水现都已成为了环境中ARGs的重要基因库，地下水也正在成为潜在基因库。
人类活动的不断增加造成地表水中ARGs的污染日趋增加。原水中的ARGs经污水处理厂的处理后虽然能去除一部分，但是仍有大量的ARGs随出水排入地表水中。地表水里ARB和ARGs的大量存在使得ARB和ARGs通过饮用水处理设备进入自来水分布系统[1]。就近的河流作为饮用水水源经过一系列的水处理过程之后供给居民用户使用，进入人体。地下水中的抗生素污染主要是由于土壤的渗透扩散、垃圾填埋场的渗滤及受污染的地表水回灌等途径。环境中ARGs的传播大致如下[2, 3]：雨水将动物养殖场携带的大量抗性细菌冲刷进河流、湖泊或土壤，同时因地表径流渗入地下水中。这些抗性细菌内的抗性基因通过畜禽养殖业提供的肉类食品进入人体或通过水平转移进入环境土著微生物中，再转移到植物体内，通过植物性食品进入人体[4, 5]。人体的排泄物携带着抗性基因进入污水处理系统，在废水处理工艺后又再度进入到土壤及地表地下水环境中，污水处理系统中污泥也会经处理之后再度进入土壤[6]。形成一个循环往复的迁移转化过程，危害人体健康。
3.抗生素抗性细菌及抗性基因的研究分析方法
现有的研究方法主要有传统平板培养法、普通PCR技术、实时荧光定量PCR技术及高通量荧光定量PCR技术，目前对于通过细菌培养的传统的平板培养法是否可以判断pH、氧和营养成分还不是十分清楚。这一方法的抗性评价难免存在误差。PCR反应体系则简单得多，现在该直接检测而无需分离的方法已广泛应用于抗生素耐药性研究。该方法可将靶基因灵敏、快速、准确地扩增数百万倍。由于普通的PCR技术无法完成准确的定量，故在此技术基础上发展的实时荧光定量PCR技术及高通量荧光定量PCR技术结合了荧光能量传递技术，荧光定量PCR技术及高通量荧光定量PCR技术不仅结果更灵敏、准确，还能客观地表征环境中的抗性基因。因此，在研究抗生素抗性基因时应根据实验目的选择合适的方法。
4.水处理工艺对ARGs影响研究分析
饮用水中的ARGs经给水处理工艺虽能灭活一部分，但出水中仍存在有大部分ARGs，最终进入人体。饮用水厂的处理工艺目前主要分为两种，其中混凝、沉淀、砂滤和消毒过程是一种常规处理工艺技术，进水中部分大分子有机物、悬浮物和胶体经混凝形成大分子聚合物，得以沉淀分离。然后水样中污染物经砂滤和消毒过程进一步去除，供给给居民使用。另外一种是包含集臭氧氧化、杀菌消毒、生物活性炭吸附和加氯消毒过程的深度处理工艺技术，该工艺在对饮用水进行深度净化后供给给居民使用。
臭氧处理以消除水中的有机物、病毒和细菌为主，预臭氧处理可以通过含氧官能团与水中钙盐及金属盐水解产物的聚合促进过滤沉淀，改善水质，利于后续水处理工艺的进行[7]。不同的ARGs经混凝、砂滤/沉淀和后臭氧处理原水中ARGs去除的关键部分、去除效果及原理虽然不一致，但种类和数量上都有明显的减少[8]。混凝可以促进水样中游离的抗性细菌与悬浮物、有机物、胶体物质结合，形成大分子聚合物[9, 10]，砂滤或沉淀可以降低水样中的ARB含量并去除ARGs的片段[11]。后臭氧工艺则可以简化水样，排除部分污染物的干扰，与预臭氧工艺相比而言去除效果更为显著，部分ARGs含量经后臭氧接触处理大幅降低[12, 13]。
生物活性炭吸附被视为一种高效稳定的水处理工艺，具有物理吸附、生物氧化、化学吸附和化学氧化等性质，可以有利去除水样中污染物，但可能由于水处理厂细菌群落的不同，部分ARGs的浓度在出水检测中有所上升[14]。
ARGs经膜过滤的处理研究较少，去除效果有待继续研究。其中超滤膜技术对抗性基因的去除效果在近年来的研究发现中并不显著[15, 16]，可能是由于存在ARGs的可移动遗传因子透过超滤膜的孔隙，抗性基因便随饮用水分配系统进行水平转移，影响去除效果[17]。
氯消毒通常设置在饮用水处理厂出水前，作为最后的消毒灭菌处理，水样中所含的活性微生物得到进一步去除，使ARGs含量得以大幅度的下降[18, 19]，是一种有效去除抗性基因的处理单元。氯对抗性菌株具有选择富集作用，可以改变群落结构并浓缩ARGs[20, 21]。
5.研究展望
（1）研究不同种类抗生素抗性基因在不同环境介质中的存在，进而研究我国抗生素抗性基因的污染区域、污染种类和污染水平。
（2）探究不同水处理工艺对ARB及ARGs的去除，比较不同水处理工艺之间的影响差异及影响机制。
（3）进行动态微型反应器的实验分析，拍摄动态图片视频，以更好地形成静态与动态的结合分析，明晰ARB及ARGs的变化过程，完善机理研究。
参考文献
[1]Thomas S., Wolfgang K., Bernd J. and Ursula O. Detection of antibiotic-resistant bacteria and their resistance genes in wastewater, surface water, and drinking water biofilms[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2003, (3): 325-335.
[2]罗义和周启星. 抗生素抗性基因(ARGs)——一种新型环境污染物[J]. 环境科学学报, 2008, 28(8): 1499-1505.
[3]Wellington E. M., Boxall A. B., Cross P., Feil E. J., Gaze W. H., Hawkey P. M., et al. The role of the natural environment in the emergence of antibiotic resistance in gram-negative bacteria[J]. Lancet Infectious Diseases, 2013, 13(2): 155-165.
[4]Piotrowska M. and Popowska M. The prevalence of antibiotic resistance genes among aeromonas species in aquatic environments[J]. Annals of Microbiology, 2014, 64(3): 921-934.
[5]Cho J. I., Joo I. S., Choi J. H., Jung K. H., Choi E. J., Min K. H., et al. Prevalence and antimicrobial resistance of enterococcus spp. isolated from meat and fishery production in Korea[J]. Food Science&Biotechnology, 2013, 22(1): 161-165.
[6]Rizzo A. L., Manaia B., C., Merlin C., Schwartz D. T., Dagot E. C., Ploy F. M. C., et al. Urban wastewater treatment plants as hotspots for antibiotic resistant bacteria and genes spread into the environment: a review[J]. Science of the Total Environment, 2013, 447(9): 345-360.
[7]赵亮, 李星和杨艳玲. 臭氧预氧化技术在给水处理中的研究进展[J]. 供水技术, 2009, 4(2): 6-10.
[8]Lee J., Jeon J. H., Shin J., Jang H. M., Kim S., Song M. S., et al. Quantitative and qualitative changes in antibiotic resistance genes after passing through treatment processes in municipal wastewater treatment plants[J]. Science of the Total Environment, 2017, 605-606(15): 906-914.
[9]Li N., P. S. G., Lu Y. Z., Zeng R. J. and Yu H. Q. Removal of antibiotic resistance genes from wastewater treatment plant effluent by coagulation[J]. Water Res, 2017, 111(1): 204-212.
[10]刘成, 高乃云, 严敏, 杨瑜芳, LIUCheng, GAONaiyun, et al. 两种混凝剂对原水中细菌去除机理异同的研究[J]. 同济大学学报:自然科学版, 2007, 35(3): 361-365.
[11]Bai X., Ma X., Xu F., Li J., Zhang H. and Xiao X. The drinking water treatment process as a potential source of affecting the bacterial antibiotic resistance[J]. Science of the Total Environment, 2015, 533(1): 24-31.
[12]张红专, 高乃云, 王海亮, 朱斌, 栗永利和汪晶. 给水预臭氧化与预氯化对比试验研究[J]. 给水排水, 2005, 31(4): 34-37.
[13]Zhao X., Su H., Xu W., Hu X. and Cao Y. Removal of antibiotic resistance genes and inactivation of antibiotic-resistant bacteria by oxidative treatments[J]. Science of the Total Environment, 2021, 778(1): 146348.
[14]Wan K., Guo L., Ye C., Zhu J. and Yu X. Accumulation of antibiotic resistance genes in full-scale drinking water biological activated carbon (bac) filters during backwash cycles[J]. Water Research, 2020, 190(5): 116744.
[15]Ren, Shaojie, Boo, Chanhee, Guo, Ning, et al. Photocatalytic reactive ultrafiltration membrane for removal of antibiotic resistant bacteria and antibiotic resistance genes from wastewater effluent[J]. Environmental Science & Technology Es & T, 2018, 52(15): 8666-8673.
[16]Sun L., Shi P., He N., Zhang Q. and Duan X. Antibiotic resistance genes removal and membrane fouling in secondary effluents by combined processes of PAC/BPAC–UF[J]. Journal of Water and Health, 2019, 17(6): 910-920.
[17]Pruden A. Balancing water sustainability and public health goals in the face of growing concerns about antibiotic resistance[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(1): 5-14.
[18]Mckinney C. W. and Pruden A. Ultraviolet disinfection of antibiotic resistant bacteria and their antibiotic resistance genes in water and wastewater[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46(24): 13393.
[19]Oh J., Salcedo D. E., Medriano C. A., Kim S., Technologypolicy P., University K., et al. Comparison of different disinfection processes in the effective removal of antibiotic-resistant bacteria and genes[J]. Journal of Environmental Sciences, 2014, 26(6): 1238-1242.
[20]Peng S., Jia S., Zhang X. X., Tong Z., Cheng S. and Li A. Metagenomic insights into chlorination effects on microbial antibiotic resistance in drinking water[J]. Water Research, 2013, 47(1): 111-120.
[21]Dan L., Zeng S., Miao H. and Gu A. Z. Water disinfection byproducts induce antibiotic resistance-role of environmental pollutants in resistance phenomena[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(6): 3193.