污泥預(yù)處理對于抗性基因去除效果的研究進展

佘國生，段景川，閆幸幸，王 敏,*

(1.中電建南方建設(shè)投資有限公司，廣東深圳 518000；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安 710048)

抗生素能夠有效預(yù)防和治療由細菌感染引起的各類疾病[1]，廣泛應(yīng)用于人類、畜禽及植物病蟲害防治[2]。據(jù)預(yù)測，2030年全球抗生素類藥物用量將達到2010年的1.67倍，可達1.05×105t[3]。抗生素在使用過程中，會有大量未被生物體完全利用的抗生素及其代謝/降解產(chǎn)物被排放到環(huán)境中[4]，使細菌產(chǎn)生選擇壓力，形成抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)。ARGs可以通過可移動基因片斷(mobile genetic elements，MGEs)在相同甚至不同種屬微生物間發(fā)生水平轉(zhuǎn)移和擴散，即使細菌被殺死，其脫氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid，DNA)也可在環(huán)境中長時間存在[5]。由ARGs引發(fā)的耐藥性已經(jīng)引起了對“超級細菌”的擔(dān)憂[6]。污水處理廠被認為是ARGs的重要聚集地[7]，污水中大部分ARGs通過沉淀作用富集到污泥中，導(dǎo)致污泥中ARGs含量是污水中的數(shù)倍。因此，污泥中ARGs及抗生素去除的研究尤為重要。

本文綜述了近幾年生物、物理、化學(xué)及組合工藝對污泥中ARGs及抗生素去除工藝的研究進展，并提出關(guān)于污泥中ARGs及抗生素去除的建議，為完善污泥中ARGs及抗生素去除提供一定的思路。表1列出了不同預(yù)處理方法的作用原理及優(yōu)缺點。

表1 預(yù)處理方法原理及優(yōu)缺點Tab.1 Principle and Advantages and Disadvantages for Different Pretreatment Methods

1 生物法及相關(guān)工藝對污泥中ARGs的去除

1.1 厭氧消化法

污泥厭氧消化以其高效的污泥減量、病原菌去除及甲烷的資源化利用等優(yōu)點[8]，在污泥處理方面應(yīng)用較為廣泛,其對ARGs的去除可能也具有促進作用。

Pei等[9]采用厭氧消化技術(shù)對制藥污泥和市政污泥進行處理，分別對5種不同作用機制的四環(huán)素ARGs (tetA、tetG、tetQ、tetW、tetX )和一類整合子intI1進行檢測。研究發(fā)現(xiàn)：厭氧消化對市政污泥中5種四環(huán)素ARGs均有去除效果；厭氧消化對制藥污泥中ARGs表現(xiàn)出不同的作用效果，其中，tetA、tetG、tetX含量降低，tetQ、tetW含量卻增加。Ma等[10]也發(fā)現(xiàn)中溫厭氧消化可以去除污泥中部分tetC、tetG、tetX，但同時會引起tetW含量的增加。造成該現(xiàn)象的原因可能是，制藥廢水能夠促進核糖蛋白在細菌中的遷移[11]，且tetQ、tetW的耐藥機制是核糖體保護蛋白。因此，厭氧消化后制藥污泥中tetQ、tetW含量增加。Miller等[12]研究中溫厭氧消化和高溫厭氧消化過程四環(huán)素ARGs的含量及分布，發(fā)現(xiàn)高溫厭氧消化對ARGs的去除較中溫厭氧消化具有一定優(yōu)勢。DIehal等[13]研究了溫度對污泥厭氧消化過程中ARGs及一類整合子intI1含量的影響。結(jié)果表明，中溫和高溫條件均對ARGs有明顯的去除效果，且去除率隨著溫度的升高而增大。但在低溫條件下，ARGs和intI1的含量無明顯變化，且稍有增長趨勢。

部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，厭氧消化對污泥中ARGs的去除效果甚微。Ju等[14]研究了厭氧消化過程中323種ARGs的含量變化，結(jié)果表明，總ARGs的平均去除率僅34%；Zhang等[15]研究了中溫和高溫條件下厭氧消化對ARGs的影響，發(fā)現(xiàn)中溫條件對8種ARGs有明顯的削減作用，高溫條件可高效去除13種ARGs，但并不能對總ARGs的豐度及多樣性產(chǎn)生影響。

綜上，厭氧消化在高溫條件下對污泥中ARGs的去除效果較優(yōu)，但總體去除效果一般，并不能滿足污泥后續(xù)資源化的要求。此外，污泥經(jīng)其他工藝預(yù)處理后進行厭氧消化可能會引起ARGs的反彈或激增。

1.2 堆肥法

市政污泥是重要的可再生利用資源，富含植物生長所需的多種養(yǎng)分和較高的有機質(zhì)，但當污泥用于農(nóng)田施肥時，污泥中的ARGs會進入土壤，進而轉(zhuǎn)移至地表植物，威脅人類健康及自然環(huán)境的安全。

韋蓓等[16]研究了堆肥過程中溫階段、高溫階段、冷卻階段及腐熟階段污泥中四環(huán)素ARGs的豐度變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：堆肥污泥中可檢測到3種泵外排類基因(tetA、tetC和tetE)，3種核糖體保護蛋白類基因(tetM、tetO和tetW)和1種酶抑制基因(tetX)。試驗結(jié)果表明：堆肥過程中，泵外排類基因tetA和tetC豐度在升溫段(中溫階段和高溫階段)呈增長趨勢，降溫段(冷卻階段和腐熟階段)呈下降趨勢；酶抑制基因tetX豐度在冷卻階段降至最低值后逐漸上升；核糖體保護蛋白類基因tetM和tetO豐度變化較為復(fù)雜，中溫階段降低后在高溫階段達到最大值。堆肥腐熟后，與原泥相比，tetX豐度增加，tetA豐度幾乎不變，tetC、tetM和tetO的豐度降低。盧曉梅[17]對比了超高溫堆肥和普通堆肥對市政污泥4大類25種ARGs的削減效果。結(jié)果表明，超高溫堆肥對ARGs相對豐度的削減效果明顯優(yōu)于普通堆肥，削減率分別為96.2%和61.5%。研究發(fā)現(xiàn)，ARGs的豐度變化與堆肥溫度有較大的關(guān)系。

堆肥過程對污泥中ARGs有削減作用，但削減能力有限。高溫條件下堆肥可有效去除堆肥產(chǎn)物中的ARGs，但不能徹底消除。因此，堆肥后產(chǎn)物能否用于農(nóng)業(yè)利用和土地施肥，還需做進一步的環(huán)境風(fēng)險評估。

1.3 生物浸出法

微生物的氧化和酸化作用在一定程度上能改善污泥的脫水性能，可有效去除污泥中的重金屬及病原體等。由于該方法有利于提升污泥的脫水性能，且脫水后污泥易于堆肥，在國內(nèi)已有20多家污水處理廠采用生物浸出法處理污泥[18]。因此，研究生物浸出對污泥中ARGs含量的影響至關(guān)重要。

Huang等[19]研究了污泥中最常檢出的磺胺類ARGs及四環(huán)素ARGs在生物浸出過程中的變化。結(jié)果表明，生物浸出能夠顯著削弱原泥中ARGs的絕對豐度，處理后16S rRNA、磺胺類ARGs和四環(huán)素ARGs的絕對豐度分別減少1.37、1.45～1.48、0.29～1.2 log。Zheng等[20]研究了生物浸出對intI1和46種ARGs的去除效果，發(fā)現(xiàn)生物浸出可以顯著減少總ARGs和intI1的絕對豐度。生物浸出36 h后，除少數(shù)ARGs外，其余ARGs均減少1.63～4.96 log，其中，內(nèi)酰胺ARGs的去除率接近100%，且反應(yīng)體系中僅有16個ARGs亞型被檢出；intI1的相對豐度由0.015 5 log copies/(16S rRNA)減少至0.005 1 log copies/(16S rRNA)。

生物浸出能夠有效破壞微生物細胞，減少污泥中的細菌總數(shù)，從而去除污泥中攜帶的ARGs和intI1。然而，生物浸出法存在反應(yīng)速度較慢、生長過程長等缺點，嚴重制約了其在實際工程中的應(yīng)用。在日后的研究中可開發(fā)與生物浸出相結(jié)合的處理工藝，從而提高污泥中抗生素及ARGs的去除效果。

1.4 微生物電解池

微生物電解池(mobile electronic commerce，MECs)是新興的生物電化學(xué)技術(shù)[21]。MECs與厭氧聯(lián)合處理廢水能促進難降解物質(zhì)的降解，可在陰極上消除有毒物質(zhì)。

Zhang等[22]研究了不同電壓下生物電極強化微生物電解池對濃縮污泥抗生素的去除。試驗結(jié)果表明：當電壓為0.6 V和1.0 V時，對抗生素的去除效率在16.7%～26.6%，明顯優(yōu)于其他電壓條件；其中，喹諾酮類和四環(huán)素類的去除率較高，喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素的去除主要依靠包括電化學(xué)氧化在內(nèi)的氧化方式降解[23]。該研究現(xiàn)象表明，抗生素的去除率并非隨著電壓的升高而增大，該體系中抗生素的主要去除途徑并非電化學(xué)反應(yīng)，而是生物降解性能的增強。

目前，MECs對抗生素及ARGs的去除研究并不多。由Zhang等[22]的研究可知，MECs對污泥中抗生素的去除效果一般，若與生物浸出、超聲等可以破壞微生物細胞及結(jié)構(gòu)的工藝聯(lián)合應(yīng)用，污泥在進入電解池之前細胞結(jié)構(gòu)已被破壞，生物電極產(chǎn)生的酶可直接作用于胞內(nèi)物質(zhì)，提高去除效率。

2 物理法及相關(guān)工藝對污泥中ARGs的去除

2.1 超聲

超聲是近年來發(fā)展起來的一種污泥預(yù)處理方式，通過產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基(·OH)，破壞污泥細胞及微生物結(jié)構(gòu)，從而提高污泥脫水性能。

Huang等[19]研究了超聲處理對污泥中16S rRNA、2種磺胺類ARGs和9種四環(huán)素ARGs豐度變化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲處理對ARGs的去除無明顯作用，甚至增加了2種磺胺類ARGs 的相對豐度。原因可能是超聲所產(chǎn)生的能量有限，僅能將胞外聚合物從細胞表面剝落，并不能達到破壞微生物細胞的程度。進一步研究超聲與生物浸出聯(lián)合調(diào)理對污泥中ARGs的影響，結(jié)果表明，超聲聯(lián)合生物浸出能夠顯著降低16S rRNA、磺胺類ARGs和四環(huán)素ARGs的絕對豐度，分別減少1.81、1.56～1.58、0.34～1.23 log。聯(lián)合工藝的去除效果優(yōu)于單一的超聲和生物浸出處理。聯(lián)合處理對sul1和sul2相對豐度的削減率分別為24.69%、22.38%，但卻增加了除tetE(相對豐度削減率為82.26%)外四環(huán)素ARGs的相對豐度，造成這種現(xiàn)象的原因是污泥中16S rRNA絕對豐度的削減遠高于四環(huán)素ARGs[24]。王夢黎[25]在超聲預(yù)處理對污泥ARGs的分布研究中發(fā)現(xiàn)，超聲處理對intI1和16S rRNA相對豐度的影響較小，但在超聲-厭氧體系中，總ARGs和16S rRNA的去除率分別為80.95%、52.56%。

可見，單一超聲處理對污泥中ARGs的去除無明顯效果，但超聲與生物浸出、厭氧消化等工藝對ARGs的去除具有協(xié)同作用。

2.2 微波

污泥微波預(yù)處理可以提高污泥的可溶性COD，從而在厭氧過程中更好地產(chǎn)生甲烷[26]，這在污泥處理中廣泛應(yīng)用。因此，了解ARGs在微波處理過程中的分布至關(guān)重要。

Tong等[27]研究了微波(MW)、微波-酸(MW-H)、微波-H2O2-堿(MW-H2O2)處理對四環(huán)素ARGs和內(nèi)酰胺ARGs含量及分布的影響。結(jié)果表明，微波聯(lián)合預(yù)處理對污泥中ARGs有削減作用，MW-H過程中ARGs相對豐度的削減率為42.7%，但MW、MW-H2O2過程中ARGs相對豐度卻略有增加。微波處理過程中總ARGs濃度隨16S rRNA濃度的降低而降低，總ARGs絕對濃度減少2.2%，但tetA增加0.44 log copies/g，ampC 增加0.07 log copies/g。微波輻射可破壞細胞膜，造成DNA的損傷，從而減少ARGs[28]。微波聯(lián)合處理中，僅MW-H效果較好，可能是因為DNA在堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性優(yōu)于酸性環(huán)境[29]。Fang等[28]研究了微波處理制藥污泥過程腸球菌中ARGs和MGEs含量的變化。結(jié)果表明，微波處理對腸球菌中的ARGs和MGEs無顯著的去除效果，處理過程使污泥中腸球菌減少1.17～3.74 log CFU/g，但腸球菌基因發(fā)生水平轉(zhuǎn)移，耐藥基因型增加。處理過程能夠降低總ARGs的絕對豐度，但在微波-厭氧過程發(fā)生反彈。此外，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，污泥中總ARGs絕對豐度與產(chǎn)甲烷量之間存在較強的相關(guān)性。

單一微波處理污泥對總ARGs的去除無顯著影響，且能源消耗、基建費用較大，與酸聯(lián)合處理可以降低藥劑的投加量和能源的消耗，同時對污泥中ARGs有顯著的削減作用。

2.3 熱水解

熱水解能夠破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)[30]、溶解污泥固相顆粒[31]等，與厭氧消化聯(lián)用可以提高甲烷產(chǎn)量、減少污泥體積。

裴晉[32]研究了熱水解與厭氧消化組合對制藥污泥和市政污泥中抗藥基因的去除，單獨熱水解處理可減少污泥中ARGs的絕對濃度，制藥污泥和市政污泥的總ARGs分別減少3.22、1.95 log copies/(g TS)。除少量四環(huán)素ARGs相對豐度降低外，其余ARGs相對豐度均在熱水解過程中升高。熱水解過程中，高溫高壓能夠破壞污泥細胞，釋放易降解化合物。Pei等[9]在研究中也發(fā)現(xiàn)，熱水解對制藥和市政污泥中四環(huán)素ARGs的去除無明顯影響，16S rRNA僅減少3 log。制藥污泥熱水解-厭氧過程還會引起除tetA、tetG外的四環(huán)素ARGs 發(fā)生反彈現(xiàn)象。李慧莉等[33]對熱水解過程中腸球菌的耐藥性進行研究，發(fā)現(xiàn)熱水解后污泥中仍存在大量腸球菌，腸球菌中阿奇霉素ARGs顯著高于螺旋霉素ARGs和四環(huán)素ARGs。

綜上，熱水解可減少污泥中的ARGs，但削減效果并不明顯。熱水解對污泥中ARGs的去除效果與污泥中ARGs種類有較大的關(guān)系。實際工程應(yīng)用中，應(yīng)針對污泥性質(zhì)，設(shè)計合適的耦合工藝。

3 化學(xué)法及相關(guān)工藝對污泥中ARGs的去除

3.1 高級氧化法

目前，國內(nèi)污水處理廠剩余污泥的脫水方式主要為機械脫水，脫水后污泥中仍存在大量的ARGs，脫水泥餅進行填埋或土地利用都將造成ARGs的再傳播[34]。因此，開發(fā)既能改善污泥脫水性能，又可減少污泥中ARGs的工藝迫在眉睫。近年來，以自由基為主的高級氧化法受到廣泛關(guān)注。

臭氧(O3)在堿性條件下可以分解生成強氧化性羥基自由基(·OH)和過氧自由基(·O2-)，降解有毒有害物質(zhì)[37]。Pei等[9]采用O3技術(shù)對制藥污泥和市政污泥中四環(huán)素類ARGs進行處理，其基因濃度分別減少0.04～0.17 log和0.55～1.03 log。制藥污泥中ARGs的削減大大低于市政污泥的原因可能是制藥污泥上清液有機物質(zhì)會消耗部分O3，體系中氧化能力被削減。由于O3氧化具有非選擇性，O3在與ARGs反應(yīng)前會先與溶解性有機質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，隨后破壞細胞膜，最后氧化ARGs。因此，選擇O3去除ARGs時需投入較大的劑量，方可達到較佳的去除效果。

高級氧化法以強氧化性自由基為基礎(chǔ)，可快速破解污泥絮體及細胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致EPS的脫落和胞內(nèi)物質(zhì)的流出，分解難降解物質(zhì)，可提高污泥中ARGs的去除效率。

3.2 酸堿預(yù)處理

過高或過低的pH環(huán)境都能使污泥絮體解體、微生物細胞破壞，改善污泥脫水性能。研究表明，微生物的裂解對于ARGs的去除有顯著效果。

Zheng等[20]研究了污泥酸化對ARGs的去除效果，結(jié)果表明，酸化預(yù)處理可降低污泥中大部分ARGs和intI1的絕對豐度，但會增加其相對豐度，當pH值為2.42時，VanC-03、tet34、tetM-01的絕對豐度略有增加，其余ARGs減少1.58～3.83 log。Wang等[37]研究了堿預(yù)處理反應(yīng)時間對污泥中ARGs和intI1去除效果的影響，結(jié)果表明，堿預(yù)處理會增加除tetA和tetW外的ARGs豐度，intI1豐度減少0.17～0.75 log。Wang等[38]采用NaOH對污泥調(diào)理24 h，發(fā)現(xiàn)除tetB外的ARGs絕對豐度均增加，這可能是與處理過程中胞內(nèi)DNA的釋放有關(guān)。吳學(xué)深[40]研究了堿解聯(lián)合熱解對污泥中磺胺類ARGs、四環(huán)素類ARGs去除效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱堿解對污泥中ARGs有顯著去除效果。

酸堿預(yù)處理能破壞微生物細胞結(jié)構(gòu)，但破壞能力有限，不能有效去除ARGs，在實際應(yīng)用中可與厭氧消化等工藝聯(lián)合使用，提高對ARGs的去除效果。

3.3 絮凝劑

絮凝劑通過中和污泥絮體表面電荷、吸附小顆粒物質(zhì)等作用，提高污泥的沉降性，促進泥水分離[41]。

Zheng等[20]研究了污泥脫水過程中使用最為廣泛的絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)和Fe3+/CaO對污泥中ARGs分布的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2.30 mg PAM/(g DS)和4.60 mg PAM/(g DS)對污泥中總ARGs無顯著影響，完整細胞和受損細胞數(shù)量無變化，且對ARGs相關(guān)菌的群落組成影響不大；Fe3+/CaO調(diào)理可顯著減少污泥中總ARGs和intI1絕對豐度，對內(nèi)酰胺ARGs相對豐度的去除率接近100%，但對氨基糖類ARGs的去除率僅為8.3%～15.4%，污泥中群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。Fe3+/CaO可通過損壞微生物細胞，降低污泥中的總細菌生物量，達到去除ARGs的目的。

污水處理廠常使用的PAM、PAC等污泥調(diào)理劑僅能達到絮凝作用，對污泥中ARGs的去除無顯著效果。但當投加的藥劑能夠破壞污泥絮體及微生物結(jié)構(gòu)時，可有效去除污泥中ARGs。

4 結(jié)論與展望

污水經(jīng)過處理以后，水體中大約90%的ARGs會轉(zhuǎn)移至污泥中，對脫水后的泥餅進行填埋、土地利用等都將造成ARGs在環(huán)境中傳播和富集。因此，研究污泥預(yù)處理過程對其中ARGs的去除效果十分重要。物理法處理具有高效、快捷等優(yōu)點，但單一預(yù)處理對污泥中ARGs的去除能力有限，無法滿足污泥后續(xù)資源化處理的要求。生物法在污泥抗生素去除方面應(yīng)用最為廣泛，單獨厭氧消化體系的去除效果不明顯，當與其他工藝聯(lián)合應(yīng)用時可提高去除效率。生物浸出法對污泥中ARGs及IntI1有明顯的削減作用，但存在生長過程長、反應(yīng)速度緩慢等缺點，在實際應(yīng)用中受到限制。化學(xué)法基建費用少，前期投資成本低，其中，高級氧化技術(shù)具有反應(yīng)速度快、去除效率高等優(yōu)點，且操作簡便、價格優(yōu)惠，可在實際工程中推廣使用。

上述預(yù)處理方式對污泥中ARGs的去除均存在一定不足，不能直接應(yīng)用于實際工程。建議今后從以下幾方面展開研究。

(1)全面分析污水處理廠污泥ARGs的種類及含量，掌握污泥中ARGs的分布情況，針對不同的污泥性質(zhì)設(shè)計相應(yīng)的處理工藝。

(2)深入研究預(yù)處理過程對ARGs的去除機理，分析不同類型ARGs的去除機制，針對污泥中主要ARGs類型設(shè)計合理的去除方案，為后續(xù)工藝開發(fā)提供建議。

(3)單一預(yù)處理去除能力有限，藥劑使用量大且成本高昂，可將具有協(xié)同作用的工藝進行組合，在提高去除效率的同時降低反應(yīng)成本。