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監測中心，山東 濟南 250101；2.德州宏德煤炭質量檢測有限公司，山東 德州 253000)

抗生素是20世紀醫學領域最重要的發現之一，被廣泛應用于醫療、養殖等行業，為人類社會發展做出重要貢獻。但抗生素進入人體或動物體內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，開始受到人們的關注與重視。ARGs具有“可復制”“可傳播”“不易消亡”等特點，在環境中可持久性殘留、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(如質粒、轉座子、整合子)可通過轉化、轉導、接合等方式對ARGs進行傳播擴散[6]。

城市飲用水水質安全關系到居民健康，之前有關水質安全的研究主要涉及的污染物是營養鹽[7]、重金屬[8]、持久性有機污染物(POPs)[9]、消毒副產物及其前體物[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在城市供水系統中的分布規律。

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污染及其引發的環境和健康風險應引起學者和管理者們的重視。以下總結了江河水、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進行檢測發現，sul1最大豐度達到8.5×105拷貝數/mL，sul2達到1.4×107拷貝數/mL。JIANG等[16]在黃浦江中檢出了2種磺胺類ARGs、8種四環素類ARGs和1種β-內酰胺類ARGs，豐度為36.60～1.62×105拷貝數/mL。ZHENG等[17]在浙江張溪河檢測并分析發現，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/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素類ARGs和磺胺類ARGs，并發現從上游至下游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]對長江中下游地區的洞庭湖、陽澄湖等15個代表性湖泊進行了ARGs污染調查，發現所有湖泊均受到了不同程度的ARGs污染，以磺胺類ARGs和四環素類ARGs的分布最為廣泛，其中tetG的分布最廣，每個16S rRNA發現了4.74×10-3拷貝數。ZHANG等[21]對我國京津冀地區符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水標準的供水水庫進行調查發現，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/mL數量級。GRAHAM等[22]在古巴某水庫中檢出了3種β-內酰胺類ARGs、2種紅霉素類ARGs和5種四環素類ARGs。XI等[23]調查顯示，美國的24座大型城市供水水庫中均發現含有ARGs，這些水庫的供應人數至少有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，其對水生生態系統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3年對美國多個養豬場周圍的地下水進行檢測，發現tetM、tetQ、tetW等7種四環素類ARGs豐度為1.00×105～2.71×106拷貝數/mL，說明養殖場中抗生素的大量使用，已導致周圍地下水受到ARGs污染。KNAPP等[26]研究發現，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甚至在經過飲用水處理工藝處理后出現不降反升的現象，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 常規處理工藝

混凝、沉淀、砂濾等是飲用水的常規處理工藝，其中混凝、沉淀是ARGs去除的關鍵階段[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)結合形成大分子聚合物，經沉淀處理后，攜帶ARGs的ARB得到消減，從而使飲用水中的ARGs豐度大幅降低。相關數據顯示，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，發現對各種ARGs的去除效果優于人工濕地、曝氣生物濾池和紫外消毒。有研究發現，飲用水廠中原水經過混凝處理后，ermB豐度明顯下降，但經砂濾處理后，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]。以上結果表明，飲用水廠的混凝、沉淀、砂濾等常規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、砂濾等常規處理工藝對ARGs或ARB的去除機制研究較少，未來應加強這一領域的研究。

2.2 消毒處理工藝

消毒處理工藝主要可通過滅活ARB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]發現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，從而可降低誘導產生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)轉移相關的基因表達會產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]發現，加氯消毒后empC、ermA、ermB等7種ARGs含量升高。以上結果表明，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

活性炭由于其發達的空隙結構而具有良好的吸附作用，因此活性炭吸附是一種穩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)、四環素類ARGs(如tetA、tetG)、萬古霉素類ARGs、β-內酰胺類ARGs、氯霉素類ARGs和大環內酯類ARGs經活性炭吸附后豐度甚至會升高，出現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移或誘導了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素類ARGs的去除效果，發現納濾膜和反滲透膜對四環素及四環素類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，發現經超濾膜處理后磺胺類ARGs和四環素類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、工藝流程等情況相關，由此可見ARGs的去除是一個復雜的過程。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) 目前已有大量學者開展水環境中ARGs來源、分布、傳播規律以及其環境風險的研究，但在飲用水供水系統中的ARGs傳播和擴散機制尚缺乏足夠研究，在抗生素及ARGs的環境行為和風險評估方面的研究也較為欠缺，針對ARGs的生態環境安全評價和風險預警機制也尚未形成系統的體系。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、環境歸趨、消減規律等，尤其是各種環境因素和其他污染物對其轉移和擴散的影響、作用機制，以找到有效遏制其轉移和擴散的方法。

(2) 飲用水廠是去除飲用水中ARGs的關鍵，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。