生態(tài)環(huán)境中抗生素耐藥性檢測(cè)及去除方法綜述*

劉月環(huán)

(杭州醫(yī)學(xué)院浙江省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與安全性研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310013)

自1940年以來,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種抗生素并廣泛用于疾病治療、農(nóng)業(yè)病蟲害以及動(dòng)物養(yǎng)殖行業(yè)。抗生素的發(fā)現(xiàn)極大提高了人類的健康水平,促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)效率[1]。研究表明,高達(dá)90%的抗生素不能被動(dòng)物腸道完全吸收利用[2]2,大量抗生素以未曾改變的原始結(jié)構(gòu)化合物和未完全代謝的中間產(chǎn)物形式進(jìn)入自然環(huán)境,嚴(yán)重影響微生物群落結(jié)構(gòu)的進(jìn)化,進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境健康[3]397。隨著抗生素的過度使用,抗生素耐藥性基因(ARGs)及耐藥性細(xì)菌(ARB)作為新興持久性污染物,在全球范圍內(nèi)以驚人的速度蔓延[4]。據(jù)測(cè)算,2050年全球由于ARB感染導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失將達(dá)到100萬億美元,細(xì)菌的抗生素耐藥性已成為21世紀(jì)威脅人類健康的重要問題之一[5]。

為有效控制抗生素耐藥性的危害,檢測(cè)及去除生態(tài)環(huán)境中的抗生素耐藥性已迫在眉睫。傳統(tǒng)的抗生素耐藥性檢測(cè)方法以基于微生物培養(yǎng)的藥敏性測(cè)試方法為主,隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,以聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)為代表的分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用[6]2。此外,由于傳統(tǒng)方法對(duì)于抗生素耐藥性的去除效果有限,如何高效去除生態(tài)環(huán)境中的抗生素耐藥性已經(jīng)引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[7]2,[8]18652。鑒于此,筆者對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)于生態(tài)環(huán)境中抗生素耐藥性檢測(cè)方法及去除技術(shù)進(jìn)行總結(jié),旨在為生態(tài)環(huán)境中抗生素耐藥性的進(jìn)一步研究提供支持。

1 抗生素耐藥性的檢測(cè)方法

1.1 抗菌藥物敏感性測(cè)試

抗菌藥物敏感性測(cè)試方法是基于微生物的純培養(yǎng),用于檢測(cè)單個(gè)細(xì)菌分離株對(duì)抗生素耐藥性的體外實(shí)驗(yàn)方法,該類方法除了可確定細(xì)菌對(duì)待測(cè)藥品的耐藥性或敏感性之外,也可用于監(jiān)測(cè)種群中耐藥微生物的出現(xiàn)和傳播[9]。常用的抗菌藥物敏感性測(cè)試方法包括抑菌圈法、稀釋法、抗生素濃度梯度法以及自動(dòng)儀器法等[6]2-4,[8]18654-18655,上述測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析匯總見表1。

表1 抗菌藥物敏感性測(cè)試方法Table 1 Test methods of antimicrobial susceptibility

抗菌藥物敏感性測(cè)試方法獲得的純菌有助于更深層次地研究抗生素耐藥性機(jī)制,可為抗生素耐藥性的生理學(xué)及常規(guī)分子生物學(xué)檢測(cè)提供基礎(chǔ),然而由于在人工條件下可培養(yǎng)的微生物種類有限,且該類方法對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件與人工操作的要求較高,限制了該方法在抗生素耐藥性檢測(cè)中的發(fā)展。

1.2 PCR技術(shù)

PCR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)和檢測(cè)混合環(huán)境樣品中氨基糖苷、氯霉素、β-內(nèi)酰胺、大環(huán)內(nèi)酯、青霉素、磺胺、四環(huán)素、甲氧芐啶和萬古霉素的特異性ARGs編碼的耐藥性[10]。然而,PCR技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)假陽性情況。將標(biāo)記好的PCR產(chǎn)物作為脫氧核糖核酸(DNA)探針用于含有靶基因菌株的質(zhì)粒或染色體DNA樣本檢測(cè),可以避免PCR結(jié)果的假陽性[11]。為節(jié)省時(shí)間和精力,學(xué)者們研究出復(fù)合PCR方法并用于同時(shí)檢測(cè)萬古霉素、四環(huán)素、甲氧芐啶等的ARGs[12]。復(fù)合PCR技術(shù)通過在同一反應(yīng)體中使用不同的引物對(duì)多個(gè)ARGs的DNA片段同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)增,并借助凝膠電泳或添加不同的染料進(jìn)行可視化檢測(cè)。NETO等[13]利用多重PCR技術(shù)檢測(cè)到紅樹林沉積物中的6株菌株均含有blaKPC-2基因。然而由于相同的反應(yīng)條件會(huì)抑制部分DNA擴(kuò)增,復(fù)合PCR會(huì)得到假陰性結(jié)果。此外反應(yīng)體系中多對(duì)引物對(duì)之間形成的二聚體可能會(huì)干擾復(fù)合PCR的試驗(yàn)結(jié)果,從而降低靈敏度[14]。

實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)技術(shù)通過PCR產(chǎn)物濃度隨擴(kuò)增周期的變化估算目標(biāo)DNA初始濃度,通過熒光監(jiān)測(cè)擴(kuò)增反應(yīng)確定ARGs的絕對(duì)豐度和相對(duì)豐度[15]。該技術(shù)常用的熒光試劑包括SYBR Green與TaqMan,用于檢測(cè)tet、mef、erm、tetO、tetW、tetQ、vanA、mecA、ampC等ARGs[3]404,[16]。RT-qPCR技術(shù)具有高特異性、處理時(shí)間短、檢出限(LOD)和定量限(LOQ)低等優(yōu)點(diǎn)[17],但由于需要特異性引物設(shè)計(jì),存在檢測(cè)通量有限且成本較高等缺點(diǎn),使得該技術(shù)成為一種使用較為困難的單一性檢測(cè)方法,目前難以用于未知的ARGs的檢測(cè)[18]。

高通量PCR(HT-qPCR)具有與RT-qPCR相同的準(zhǔn)確性,與此同時(shí),HT-qPCR打破了檢測(cè)通量的限制,根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不同,HT-qPCR可以同時(shí)測(cè)量同一樣品中的數(shù)百種ARGs,從而在一次測(cè)試中覆蓋更多抗生素種類[19]。LAI等[20]利用HT-qPCR分析了瑞典地表水供水系統(tǒng)的ARGs、移動(dòng)元件以及其他基因的耐藥性圖譜,共檢測(cè)到對(duì)11類抗生素產(chǎn)生耐藥性的150個(gè)ARGs、7組整合酶移動(dòng)元件在內(nèi)的167個(gè)基因。但由于該方法仍是基于定量PCR技術(shù),因此也存在與定量PCR相似的缺點(diǎn),如檢測(cè)前需要設(shè)計(jì)引物,無法提供宿主信息等。

微滴數(shù)字PCR(ddPCR)技術(shù)是一種相對(duì)新型的PCR技術(shù),該技術(shù)將探針與核酸隔離在油乳劑的微滴之中,最終通過泊松分布確定陽性滴數(shù)和ARGs總濃度[21]。GINN等[22]基于ddPCR技術(shù)對(duì)玻利維亞拉巴斯氣溶膠中的關(guān)鍵ARGs進(jìn)行了檢測(cè)與定量,發(fā)現(xiàn)其主要抗生素種類包括四環(huán)素、氟喹諾酮類和β-內(nèi)酰胺類等。ddPCR技術(shù)無需運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線便能獲得待測(cè)樣本ARGs的相對(duì)豐度,且敏感度更高[2]5。然而,ddPCR技術(shù)也有與RT-qPCR相似的缺點(diǎn),如檢測(cè)通量有限,需要設(shè)計(jì)引物。

1.3 基因芯片技術(shù)

基因芯片技術(shù)又稱DNA微陣列技術(shù),是通過在單一檢測(cè)中與參考菌株或基因進(jìn)行比較,同時(shí)檢測(cè)大量ARGs是否存在,從而提供關(guān)于分離物的詳細(xì)信息的一種通量高、速度快、靈敏度高的基因組分析技術(shù)[23]。基因芯片技術(shù)已廣泛應(yīng)用于檢測(cè)人類致病性大腸桿菌、幽門螺桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌等細(xì)菌,但使用該技術(shù)檢測(cè)環(huán)境樣品中ARGs的報(bào)道仍然較少。通過結(jié)合藥敏性測(cè)試方法、PCR等技術(shù),可有效提高基因芯片技術(shù)對(duì)環(huán)境中ARGs的檢出水平[24]。BARTLEY等[25]1369-1377結(jié)合抗菌藥物敏感性測(cè)試方法與基因芯片技術(shù)對(duì)比檢測(cè)了巴西東北部某河流與俄亥俄州東北部下水道系統(tǒng)的ARGs,發(fā)現(xiàn)俄亥俄州東北部未經(jīng)處理的污水中ARGs含量少于巴西東北部的湖泊。此外,由于基因芯片技術(shù)樣品預(yù)處理較為復(fù)雜,且微陣列雜交芯片在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)受到樣品批間差異的影響,檢測(cè)靈敏度和特異性相對(duì)較低,故對(duì)環(huán)境樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理是獲得滿意檢測(cè)結(jié)果的必要和關(guān)鍵[25]1375。通過基因芯片技術(shù)可以提供細(xì)菌抗生素耐藥性的詳細(xì)描述,并可揭示出ARB表達(dá)隨環(huán)境變化而發(fā)生的整體變化[26]。

1.4 基因組學(xué)

多項(xiàng)研究表明,全基因組測(cè)序(WGS)可以作為檢測(cè)抗生素耐藥性的主要工具。從測(cè)試樣品中提取的全基因組DNA按軟件程序組裝,在過濾掉接頭重復(fù)序列后用序列比對(duì)軟件BLAST、USEARCH、DIAMOND等方法來拼接[27]358-359。通過WGS可以區(qū)分不同來源的耐藥分離株,確定微生物的ARGs或耐藥的機(jī)制,在由耐藥微生物引起的疫情中確定和歸因感染源,或通過ARGs的轉(zhuǎn)移跟蹤耐藥微生物的傳播[28]4。然而也有報(bào)道認(rèn)為微生物不穩(wěn)定的遺傳特征(如臨時(shí)基因擴(kuò)增)導(dǎo)致其抗性的WGS鑒定不準(zhǔn)確[29]。此外,由于樣品收集方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)化,樣品中混入了非微生物來源的遺傳物質(zhì)及生物信息學(xué)軟件使用不當(dāng)均會(huì)直接干擾WGS的鑒定準(zhǔn)確性,這使得難以將已識(shí)別的ARGs歸因于特定菌株[28]18。

宏基因組測(cè)序也可用于檢測(cè)和表征病原體及其耐藥性的基因型,并且可以在不需要培養(yǎng)的情況下表征微生物群落[30]。采用該方法對(duì)整個(gè)群落的遺傳物質(zhì)進(jìn)行測(cè)序,其結(jié)果的好壞取決于所選擇的ARGs測(cè)序數(shù)據(jù)庫(kù),這些數(shù)據(jù)庫(kù)包括SRST2、SEAR、ShortBRED、PATRIC、SSTAR、KmerResistance、GROOT、DeepArgs、Resfinder、ARG-ANNOT、RGI、ARGs-OAP(v2)、ARIBA、PointFinder和NCBI-AMRFinder等[27]361。宏基因組測(cè)序可以發(fā)現(xiàn)新的基因和新的微生物(包括不可培養(yǎng)的微生物),表征動(dòng)物的天然微生物群,有效評(píng)估微生物的生態(tài)學(xué)及其在動(dòng)物產(chǎn)品加工過程中的變化[31]。NAIDOO等[32]基于宏基因組方法對(duì)納米布沙漠中受人為影響較小的土壤中的ARGs進(jìn)行分析檢測(cè),并發(fā)現(xiàn)了β-內(nèi)酰胺酶的存在。通過宏基因組測(cè)序,可以構(gòu)建相對(duì)完善的宏基因組文庫(kù),捕獲樣本的系統(tǒng)發(fā)育樹和遺傳多樣性。然而作為一種測(cè)序技術(shù),宏基因組測(cè)序需要一系列的文庫(kù)構(gòu)建以滿足分析所需的起始數(shù)據(jù)量的要求,對(duì)測(cè)序結(jié)果的解析也需要復(fù)雜的生物信息學(xué)工具,整體要求較高。

2 抗生素耐藥性的去除

2.1 物理化學(xué)方法

2.1.1 吸 附

吸附過程涉及到包括離子交換、孔隙填充、電子相互作用、靜電機(jī)制、表面絡(luò)合和氫鍵互作在內(nèi)的若干機(jī)制[33]。活性炭和生物炭具有豐富的表面官能團(tuán)和較大的比表面積,作為一種高效、可持續(xù)的吸附劑,可用于消除各種水生環(huán)境中的致病微生物[34]。YE等[35]研究發(fā)現(xiàn),施用生物炭后土壤中磺胺類化合物的濃度降低,土壤中生長(zhǎng)的生菜根系中抗磺胺細(xì)菌內(nèi)生菌減少,磺胺耗散增加。由于環(huán)境的影響,低成本、無毒的吸附劑通常會(huì)老化,為了改善其固有的物理化學(xué)特性或特定功能,研究人員通過設(shè)計(jì)不同的吸附劑以獲得更好的吸附能力。WU等[36]提出了一種β-環(huán)糊精修飾的生物炭(β-BC)用于去除ARGs,在引入該生物炭后,總ARGs相對(duì)豐度大大降低。然而,吸附過程實(shí)質(zhì)是污染物由一種介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種介質(zhì)的快速傳質(zhì)過程,其本質(zhì)上并未使污染物完全消除或降解,而這種吸附法引起的含污染物吸附劑的處置也是個(gè)嚴(yán)重的問題。

2.1.2 混 凝

混凝技術(shù)通過將水中分散的混凝劑劇烈攪拌快速混合,使聚集的小顆粒絮凝成絮狀體沉淀,可以攜帶的方式將ARGs從水中除去。GREHS等[37]研究表明,經(jīng)過硫酸鋁和丹寧混凝處理后,廢水中細(xì)菌量和ARGs數(shù)量明顯降低,其中硫酸鋁的去除效果更好。對(duì)于混凝過程而言,溶液、混凝劑投加量、質(zhì)量、pH、水的濁度、混凝時(shí)間、污染物的性質(zhì)都是影響ARGs去除率的重要因素。近年來,關(guān)于混凝沉淀法去除ARGs和ARB的效果和機(jī)理的研究還比較少,是該領(lǐng)域未來研究方向之一。

2.1.3 消 毒

消毒技術(shù)通過在廢水中加入消毒劑,殺滅、控制病原體和微生物的傳播,從而抑制ARB的增殖和活動(dòng),減少?gòu)U水中細(xì)菌的數(shù)量和病原體傳播的風(fēng)險(xiǎn)。YUAN等[38]發(fā)現(xiàn),氯化處理對(duì)紅霉素ARGs或四環(huán)素ARGs的去除效果有限,其中約40%的紅霉素ARGs和80%的四環(huán)素ARGs不能通過氯化處理去除。氯的消毒效率取決于氯的暴露情況[39]605,固定接觸時(shí)間為15 min,當(dāng)氯質(zhì)量濃度達(dá)到30 mg/L時(shí)對(duì)抗生素耐藥性去除效率可達(dá)90%以上[40],然而這在實(shí)際的工藝中很難實(shí)現(xiàn)。此外,有研究表明氯/氯胺消毒可能會(huì)增加ARB的相對(duì)豐度[39]605。

有研究表明,只有高劑量臭氧才能有效去除ARGs[41],然而臭氧劑量的提高往往伴隨著致癌物質(zhì)溴酸鹽的產(chǎn)生[42]。此外,臭氧對(duì)微生物細(xì)胞的確切作用模式還不完全清楚。PATIL等[43]認(rèn)為,在臭氧作用過程中細(xì)胞裂解不是微生物失活的主要機(jī)制。由于細(xì)胞修復(fù)酶的高活性,臭氧造成的細(xì)胞損傷可以修復(fù)[44]。因此對(duì)于抗生素耐藥性在臭氧氧化過程中的降低機(jī)制和ARGs的損傷原因需要進(jìn)一步探究。

紫外線(UV)是另一種常用的消毒方法,UV只作用于嘌呤和嘧啶,對(duì)細(xì)胞壁沒有損傷[45]。研究表明,在典型UV消毒劑量下,耐磺胺甲惡唑和耐四環(huán)素ARGs的總豐度顯著降低[46]。然而,現(xiàn)有的UV消毒方法對(duì)于抗生素耐藥性的去除效果較為有限,甚至還會(huì)導(dǎo)致ARB相對(duì)豐度的增加,這可能是由于UV再激活[47]。

雖然現(xiàn)在已證實(shí)氯、臭氧、UV等消毒方法可有效去除ARB及ARGs,然而經(jīng)過消毒處理后質(zhì)粒中所攜帶的ARGs也可能被轉(zhuǎn)移到其他細(xì)菌中,導(dǎo)致ARGs的繁殖,此外,細(xì)胞的誘導(dǎo)與修復(fù)機(jī)制還可能會(huì)使ARB對(duì)消毒過程產(chǎn)生抗性。

2.1.4 高級(jí)氧化技術(shù)(AOPs)

AOPs是利用羥基自由基(·OH)等活性氧氧化自由基降解水中各種污染物的技術(shù)。自由基能夠破壞細(xì)胞表面和基因組DNA的結(jié)構(gòu),表明AOPs是滅活細(xì)菌細(xì)胞和消除ARGs的可行技術(shù)。各類AOPs的優(yōu)缺點(diǎn)匯總見表2。

表2 AOPs的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性Table 2 The advantages,disadvantages and applicability of AOPs

在使用AOPs降低抗生素耐藥性時(shí),需要根據(jù)所處理水的類型與水質(zhì)特性選取不同的處理技術(shù);與此同時(shí),在考慮運(yùn)行成本的同時(shí)需要考慮ARGs與ARB的去除效率以及AOPs所帶來的二次環(huán)境影響。

2.2 生物方法

2.2.1 活性污泥法

作為各類污水以及排泄物的集中處理地點(diǎn),污水處理廠中的活性污泥與各類污水中的抗生素長(zhǎng)期相互作用,誘發(fā)ARGs及ARB的產(chǎn)生,使其成為抗生素耐藥性傳播及儲(chǔ)存的重要場(chǎng)所之一[7]2。研究表明,不同工藝對(duì)于抗生素耐藥性的去除效果不同,相比于上流式厭氧污泥床(UASB)等工藝,膜生物反應(yīng)器(MBR)和序批式活性污泥法(SBR)更能顯著降低ARGs(如vanA、ereA、ampC、aacC1、tetA和sull)[48]。此外,污水中微生物的生物量是影響ARGs的主要因素,減少微生物的生物量可以有效提高ARGs的去除率[7]10。通過活性污泥宏基因組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn),變形菌門似乎是污水處理廠活性污泥中的優(yōu)勢(shì)菌屬,芽孢桿菌屬、諾心菌屬和分枝桿菌屬是ARGs最豐富的質(zhì)粒載體[49],因此對(duì)可去除污染物的功能細(xì)菌與ARGs的關(guān)系進(jìn)行深入探討極為必要。此外,活性污泥的處理性能會(huì)受到抗生素抗菌作用的影響,這一點(diǎn)可能會(huì)增加污水處理廠的運(yùn)行成本。而如何處置含有抗生素耐藥性的活性污泥也成為了污水處理廠所要面臨的重要問題,故需要對(duì)現(xiàn)有污水處理廠的相關(guān)處理技術(shù)進(jìn)行升級(jí),以滿足其對(duì)ARGs等新型污染物的去除需求。

2.2.2 MBR

MBR是消除各種新興污染物的常用方法,其處理過程涉及到吸附、生物降解以及膜分離機(jī)制。與其他污水處理工藝相比,MBR技術(shù)具有污泥停留時(shí)間(SRT)長(zhǎng)、污泥產(chǎn)量少、混合液懸浮固體濃度高等優(yōu)點(diǎn)[50]。LI等[51]研究對(duì)比了3種改良式MBR工藝和傳統(tǒng)氧化溝工藝對(duì)于8種典型ARGs的處理效果,結(jié)果表明3種MBR工藝在處理ARGs方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)氧化溝工藝,對(duì)于廢水中ARGs的去除最高可達(dá)到7.3個(gè)數(shù)量級(jí)。水力停留時(shí)間(HRT)是影響MBR技術(shù)去除抗生素耐藥性的主要因素,通過優(yōu)化HRT可有效提高抗生素耐藥性去除的性能[7]8。膜污染是MBR的嚴(yán)重弊端之一,此外,抗生素耐藥性的存在可以通過改變微生物群落和污泥顆粒、胞外聚合物(EPS)等其他污染因素來影響MBR的工作進(jìn)程。

2.2.3 人工濕地

人工濕地技術(shù)是一種有效、可持續(xù)的水處理工藝,具有環(huán)境友好、成本低和易于操作等優(yōu)點(diǎn)。人工濕地對(duì)ARGs的去除機(jī)制主要包括生物降解、底物吸附和植物吸收,其中,人工濕地系統(tǒng)中的植物通過向微生物群落輸送氧氣間接參與ARGs的去除,與此同時(shí),系統(tǒng)中的基質(zhì)為生物膜提供附著表面,也使得人工濕地系統(tǒng)去除微生物與降低ARGs豐度的能力有所增強(qiáng)[52]。NAS等[53]研究了人工濕地對(duì)抗生素及ARGs的去除效果,根據(jù)抗生素類型的不同,人工濕地對(duì)抗生素的降解率在28%～100%,對(duì)于ARGs的降解率達(dá)到了0.8～1.5個(gè)數(shù)量級(jí)。人工濕地去除ARGs的影響因素較多,包括濕地類型、基質(zhì)類型、植物種類、水力加載速率(HLR)及進(jìn)水水質(zhì)等。研究表明,潛流型人工濕地對(duì)于抗生素耐藥性的去除效果更優(yōu)。此外,不同季節(jié)人工濕地對(duì)于抗生素耐藥性的去除效果也不同,夏季和冬季ARGs去除率分別為59.5%和77.8%[54],故此還需對(duì)人工濕地降解ARGs的過程、機(jī)制、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行深入的研究,以更好地滿足實(shí)際需求。

2.2.4 好氧堆肥

好氧堆肥技術(shù)可顯著降低畜禽糞便中ARGs的多樣性和豐度,從而減少進(jìn)入土壤中的抗生素耐藥性[55]。堆肥條件和材料對(duì)ARGs的去除至關(guān)重要。LI等[56]研究表明,添加木屑和稻殼使得雞糞中ARGs的去除率分別增加了35.4%和68.7%。堆肥溫度升高或保溫性是動(dòng)物糞便ARGs減少的主要因素。此外,膨脹劑的多孔結(jié)構(gòu)可能會(huì)擴(kuò)大微生物之間的間隔,降低微生物之間的連通性,從而減少了耐藥性水平轉(zhuǎn)移的發(fā)生[57]。動(dòng)物糞便和處理工藝的不同,會(huì)使動(dòng)物糞便中ARGs的去除效率差異很大,建議通過工藝優(yōu)化(主要是調(diào)節(jié)pH、溫度、添加劑和C/N等),以對(duì)堆肥過程中一些潛在宿主菌的種群進(jìn)行改變[58],進(jìn)而提高堆肥對(duì)抗生素耐藥性的去除性能。

2.2.5 厭氧消化

厭氧消化是能有效降低ARGs豐度的一種方法。LIU等[59]研究表明,當(dāng)煤氣化渣添加量為10 g/L時(shí),厭氧消化后多種ARGs(包括dfrA7、sul2、tetW、ermF、ermQ)的去除率可達(dá)24.81%～90.48%,這些ARGs的變化可能受到厭氧消化過程中微生物群落演化的影響。然而,有研究表明,厭氧消化可以將某些類型的ARGs(如sul、fca等)的豐度增加52倍,這可能是由于操作溫度的差異引起的[60]。優(yōu)化厭氧消化的溫度、固相停留時(shí)間等參數(shù)可以改變微生物群落結(jié)構(gòu),提高糞便中有機(jī)污染物的生物降解能力。在厭氧消化過程中,這些參數(shù)對(duì)于降低抗生素耐藥性的影響機(jī)制還需要進(jìn)一步探索。

2.3 新型材料與組合方法

傳統(tǒng)物理化學(xué)方法對(duì)于ARGs及ARB的去除效果主要依賴于吸附劑、催化劑、混凝劑的選取,而材料的性質(zhì)大大限制了此類方法的去除效果。新型材料的使用突破了傳統(tǒng)方法的瓶頸,納米材料等新型材料具有較大的比表面積,其物理和化學(xué)性質(zhì)與粒徑大小相關(guān),可以有效提高吸附、氧化等過程的效率,此外新型材料也可以作為微生物或相關(guān)酶的固定化基質(zhì)。納米顆粒與抗生素聯(lián)用對(duì)ARB/ARGs有較好的去除效果,其作用可能包括以下兩種機(jī)制:一是功能化納米材料與抗生素結(jié)合,進(jìn)入ARB的細(xì)胞質(zhì),釋放大量離子;二是抗生素和納米材料在對(duì)抗ARGs方面的協(xié)同作用[61]。王艷雯[62]發(fā)現(xiàn)慶大霉素可以促進(jìn)聚乙烯吡咯烷酮修飾的銀納米顆粒(Ag-PVP NPs)溶解釋放大量銀離子;同時(shí),會(huì)增強(qiáng)Ag-PVP NPs與細(xì)菌的相互作用,提高細(xì)菌對(duì)銀的攝取率。兩方面的作用均會(huì)提升銀的生物有效濃度,使聯(lián)合體系產(chǎn)生協(xié)同抗菌作用。

然而,納米顆粒的作用和應(yīng)用仍存在爭(zhēng)議,因?yàn)樗鼈円部赡苷T發(fā)抗生素耐藥性[63]。另外,納米顆粒等一些新型材料可能具有生物毒性。因此,在對(duì)新型材料進(jìn)行研制時(shí),也需同時(shí)考慮其毒性、使用成本等相關(guān)因素。

除新型材料外,也可將多種工藝進(jìn)行組合,通過工藝優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)提高ARB和ARGs的去除效果。ZHOU等[64]對(duì)UV—活化過硫酸鹽(UV/PS)工藝去除二次廢水中ARB和ARGs的效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,UV/PS工藝對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類耐藥菌(MRB)、磺胺類耐藥菌(SRB)、四環(huán)素類耐藥菌(TRB)和喹諾酮類耐藥菌(QRB)的滅活率分別為96.6%、94.7%、98.0%和94.7%,ARGs的總量降低了3.84個(gè)數(shù)量級(jí)。

相比于單一工藝,組合方法對(duì)于降低抗生素耐藥性的效果更為突出,然而其工藝過程以及機(jī)理機(jī)制更為復(fù)雜,具體工藝參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響也更為顯著。在對(duì)新技術(shù)進(jìn)行研究時(shí),除了考慮ARB和ARGs的去除效率及優(yōu)化工藝條件外,還需深入探究協(xié)同作用下降低抗生素耐藥性的具體機(jī)制。

3 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室藥敏測(cè)試方法所需時(shí)間較長(zhǎng),但由于其簡(jiǎn)便易用,仍是常用的抗生素耐藥性檢測(cè)方法之一。PCR方法在其成本與通量方面具有不可替代性,基因組學(xué)方法對(duì)于文庫(kù)以及生物信息學(xué)工具要求較高,還需要進(jìn)一步的深入研究。綜合上述方法的優(yōu)缺點(diǎn),建議在未來的研究中一方面結(jié)合多種方法,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),從多角度對(duì)抗生素耐藥性進(jìn)行檢測(cè)表征,從而獲得更加全面的結(jié)果;另一方面加快相應(yīng)檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)與研究,建立完善的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

就抗生素耐藥性的去除技術(shù)而言,一方面,ARGs與ARB的去除機(jī)制以及具體工藝參數(shù)研究還有待進(jìn)一步加深;此外,單一去除方法的弊端已經(jīng)越來越明顯,物理化學(xué)方法可能會(huì)造成二次污染,且對(duì)于相應(yīng)材料的要求越來越高,生物方法往往會(huì)受到抗生素耐藥性機(jī)制的影響。故此,借助多種機(jī)制,結(jié)合各種新型材料,利用以生物方法為主的多技術(shù)協(xié)同對(duì)抗生素耐藥性進(jìn)行無害化去除將會(huì)是未來的研究熱點(diǎn)。