水廠處理工藝對典型抗性細(xì)菌和抗性基因的去除效能分析

彭愛倫,徐祖鈞,高明昌,李紅蘭,邱立平

(1.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院,山東濟(jì)南 250022;2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,山東濟(jì)南 250022;3.山東省功能材料水質(zhì)凈化工程技術(shù)研究中心,山東濟(jì)南 250022;4.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)

抗生素的頻繁使用導(dǎo)致其在不同水體中均有不同程度的檢出[1-2]。由于抗生素的過度使用和不完全代謝,誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗性細(xì)菌和抗性基因可以在環(huán)境持久留存并擴(kuò)散傳播,嚴(yán)重危害飲用水安全和公共健康[3-4],抗性細(xì)菌和抗性基因的潛在風(fēng)險成為人們關(guān)注的焦點[5]。

黃河中下游由于周邊農(nóng)業(yè)[6]、養(yǎng)殖業(yè)[7]等快速發(fā)展,黃河中下游流域抗生素被頻繁檢出[8]。當(dāng)?shù)厮畯S以黃河水作為飲用水原水,導(dǎo)致抗生素可能會進(jìn)入水廠。水廠作為保障居民用水安全的主要屏障之一[9],了解水廠對抗性細(xì)菌和抗性基因的去除效果十分必要。因此,本研究選取黃河中下游地區(qū)某市以黃河水為原水的A、B兩個水廠為研究對象,分析水廠不同處理單元對典型抗性細(xì)菌和抗性基因的去除效果,主要包括:對比分析可培養(yǎng)總細(xì)菌、阿莫西林(AMX)抗性細(xì)菌和磺胺甲惡唑(SMZ)抗性細(xì)菌,以及2種磺胺類抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)、1種β-內(nèi)酰胺類抗性基因(blaCTX-M)、整合子基因(intⅠ1)、16S rDNA基因在不同水處理單元中的去除效果。相關(guān)試驗結(jié)果可以為水廠的優(yōu)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑

試驗所用SMZ(USP)、AMX(USP)、酪蛋白氨基酸(BR)和丙酮酸鈉(BR)均購于源葉生物科技,葡萄糖(AR)購于天津大茂化學(xué)試劑,可溶性淀粉(GR)購于天津科密歐化學(xué)試劑,瓊脂粉(BR)、牛肉膏(BR)和蛋白胨(BR)購于北京奧博星,酵母提取物(AR)和胰蛋白胨(BR)購于英國OXOID,E.Z.N.A Soil DNA Kit(50 preps)購于美國Omega,pGM-T克隆試劑盒(20 preps)和質(zhì)粒小提中量試劑盒(50 preps)購于中國天根生化科技,TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0(50 preps)購于日本TaKaRa。

1.2 水廠工藝與采樣方案

1.2.1 水廠工藝

本研究選取黃河下游某市A、B兩水廠為研究對象,兩水廠的水源水都來自于黃河某調(diào)蓄水庫。A、B兩水廠處理工藝如圖1所示。A水廠采用包括混凝、沉淀、過濾和消毒的飲用水常規(guī)處理工藝,B水廠除常規(guī)處理工藝外,還在V型濾池前設(shè)置了臭氧+活性炭池工藝。兩水廠的最終出水水質(zhì)均可穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)的要求。

圖1 A、B水廠處理工藝

1.2.2 采樣方案

本試驗的采樣時間為6月(夏季)、10月(秋季)及12月(冬季),避開雨天及溫差較大的時間。選用10 L聚乙烯塑料桶作為采樣容器,消毒并用自來水沖洗,采樣前用待采水反復(fù)沖洗。取樣點分別為兩水廠混凝沉淀單元(A水廠折板絮凝+平流沉淀池,B水廠中置式高密度沉淀池)、臭氧氧化單元(B水廠臭氧接觸池)、過濾單元(A水廠V型濾池,B水廠活性炭池+V型濾池)、消毒單元(A水廠加氯消毒單元,B水廠加氯消毒單元)進(jìn)出水口。

1.3 試驗檢測方法

1.3.1 細(xì)菌檢測方法

SMZ抗性細(xì)菌和AMX抗性細(xì)菌含量檢測方法:取50～100 μL稀釋后的水樣均勻涂布于64 mg/L SMZ R2A培養(yǎng)基和16 mg/L AMX R2A培養(yǎng)基[10],37 ℃下培養(yǎng)72 h,試驗進(jìn)行3次取平均值,分別計算AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌在水中的含量。

可培養(yǎng)總細(xì)菌量檢測方法:取50～100 μL稀釋后的水樣均勻涂布于無抗生素R2A培養(yǎng)基,在37 ℃下培養(yǎng)72 h,試驗進(jìn)行3次取平均值,計算總細(xì)菌在水中的含量。

1.3.2 抗性基因檢測方法

本試驗選取sulⅠ、sulⅡ和blaCTX-M為目標(biāo)基因,選取16S rDNA為參照基因。因為磺胺類和blaCTX-M的傳播與Ⅰ型整合子顯著相關(guān)[11-12],所以試驗測試intⅠ1作為參考。目標(biāo)引物序列如表1所示[11,13-14]。PCR反應(yīng)結(jié)束后采用超微量分光光度測定濃度并分析。

表1 目標(biāo)引物序列

水樣中抗性基因的絕對定量和相對定量計算如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中:C——水樣中抗性基因的絕對量,mL-1;

C1——模板拷貝數(shù),μL-1;

V1——DNA模板總量,μL;

V2——水樣體積,mL;

C2——16S rDNA的絕對量,μL-1;

C′——水樣中抗性基因的相對量。

2 常規(guī)給水處理單元對抗性細(xì)菌和抗性基因去除效果

2.1 混凝沉淀單元

2.1.1 對抗性細(xì)菌的去除效果

水廠混凝沉淀過程可以通過絮體包裹和直接凝聚等作用實現(xiàn)對細(xì)菌的有效去除[15-16]。如圖2所示,兩水廠混凝單元對3類細(xì)菌均具有一定去除效果,去除率為8.00%～52.85%,但是整體去除效能有限,且去除效能受季節(jié)變化影響明顯。A水廠對總細(xì)菌和AMX抗性細(xì)菌的去除效率在秋季明顯高于夏冬季節(jié),但是對SMZ抗性細(xì)菌的去除效率隨溫度降低逐漸降低。B水廠中置式高密度沉淀池在夏冬季節(jié)對各類細(xì)菌的去除率明顯優(yōu)于秋季,特別是夏季對SMZ抗性細(xì)菌的去除率達(dá)到78.54%。上述結(jié)果與原水在沉淀池的停留時間以及絮凝劑的種類和投加量有關(guān)[17]。類似的研究結(jié)果在劉善培等[15]的研究中也有報道,研究發(fā)現(xiàn)北方某水廠沉淀單元對細(xì)菌總數(shù)的去除率在50%～70%,說明常規(guī)混凝沉淀工藝對抗性細(xì)菌的去除效能有限。

圖2 混凝沉淀單元對抗性細(xì)菌去除效果

2.1.2 對抗性基因的去除效果

A、B水廠混凝沉淀單元對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果如圖3所示,兩種混凝單元對抗性基因的去除效果不明顯,基本低于0.3log。兩水廠混凝沉淀對sulⅠ與blaCTX-M的去除率隨著溫度的降低呈下降的趨勢,對sulⅡ的去除率隨著溫度的降低呈先下降后上升的趨勢,B水廠對這3種抗性基因的去除效果略優(yōu)于A水廠,但去除率仍在0.3log以下。兩水廠混凝沉淀對intⅠ1的去除率較低,年平均去除率分別為0.09log與0.01log。16S rDNA基因的去除率均隨著溫度的降低呈先降低后升高的趨勢,A水廠冬季時去除率最高,為0.22 log,B水廠夏季時去除率最高,為0.43 log。Zhang等[18]研究了實際水廠混凝沉淀單元對抗性基因的去除情況,發(fā)現(xiàn)抗性基因去除效率不足1log,證明了混凝沉淀單元對抗性基因不能實現(xiàn)有效去除。

圖3 混凝沉淀單元對抗性基因去除效果

2.2 臭氧氧化單元

2.2.1 對典型抗性細(xì)菌的去除效果

試驗中還對B水廠中間臭氧氧化單元對典型抗性細(xì)菌及抗性基因的去除效果進(jìn)行探究。如圖4所示,臭氧氧化單元對可培養(yǎng)總細(xì)菌、AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌都有一定的去除效果,且受季節(jié)影響,秋季這3類細(xì)菌的去除率均高于夏冬兩季,最高去除率分別為56.35%、71.70%和46.58%。已有文獻(xiàn)[19]報道臭氧能夠破壞分解胞內(nèi)大分子聚合物,致使細(xì)菌生長代謝和繁殖遭到破壞。但是由于原水中含有大量有機(jī)物會競爭消耗臭氧[20],B水廠臭氧氧化單元不能完全去除3類抗性細(xì)菌。

圖4 臭氧氧化單元對抗性細(xì)菌去除效果

2.2.2 對典型抗性基因的去除效果

B水廠臭氧單元對5類抗性基因的去除效果如圖5所示。臭氧氧化單元對5種基因的去除率為0.22log～0.71log。sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率隨溫度的降低而降低,而sulⅠ的去除率隨著溫度的降低呈先降低后升高的趨勢,在冬季達(dá)到最高,為0.71log。Xia等[21]也探究了臭氧預(yù)處理對抗性基因去除效果,試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對照反應(yīng)器相比,采用臭氧預(yù)處理技術(shù)的反應(yīng)器抗性基因相對豐度降低了70%以上。上述試驗結(jié)果說明臭氧氧化單元可以有效去除進(jìn)水中抗性基因。

圖5 臭氧氧化單元對抗性基因去除效果

2.3 過濾單元

2.3.1 對抗性細(xì)菌的去除效果

已有文獻(xiàn)[22-23]報道顯示,水廠過濾單元對細(xì)菌去除效果受濾料、溫度等因素影響較大。兩水廠各濾池在不同取樣季節(jié)對3種可培養(yǎng)細(xì)菌的去除效果如圖6所示,對3類細(xì)菌的去除效果均較差。A水廠可培養(yǎng)總細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌在夏季的去除率最高,AMX抗性細(xì)菌只在秋季具有去除效果,去除率為20.33%。在不同取樣季節(jié),B水廠對3類細(xì)菌都沒有去除效果。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要有以下兩點:(1)濾料上會吸附有機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖,濾料上細(xì)菌生長率大于濾料截留率,出水細(xì)菌數(shù)量增加;(2)濾池濾料在運(yùn)行過程中會形成生物膜,生物膜脫落后使水中的細(xì)菌數(shù)量增高[24]。Haig等[25]的試驗也表明了大腸桿菌的去除率與濾料的使用年限存在顯著負(fù)相關(guān)。同時,B水廠中活性炭池可能存在生物泄漏現(xiàn)象[26],導(dǎo)致出水中抗性細(xì)菌和抗性基因的數(shù)量明顯上升,后續(xù)的V型濾池的處理效果略優(yōu)于活性炭池。

圖6 過濾單元對抗性細(xì)菌去除效果

2.3.2 對抗性基因的去除效果

A、B水廠的過濾單元中進(jìn)出水抗性基因總數(shù)與去除效果如圖7所示。A水廠過濾單元對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率均隨溫度降低逐漸減少,在冬季基本無去除效果。B水廠3個季對5類基因基本無去除效能。總體而言,兩水廠過濾單元對抗性基因去除效果較差,其中B水廠出水中基因數(shù)均超過進(jìn)水。Guo等[27]的試驗也檢測到砂濾后四環(huán)素類抗性基因(tetA和tetO)有所增加。以上現(xiàn)象與抗性細(xì)菌去除效果相類似,基因絕對量隨著宿主細(xì)菌的增加而增加,即基因的子代縱向遺傳和基因的水平轉(zhuǎn)移[28],抗性細(xì)菌的保留也導(dǎo)致了抗性基因的去除效能較差,B水廠中活性炭池和V型濾池對抗性基因均無明顯去除效果。

圖7 過濾單元對抗性基因去除效果

2.4 消毒單元

2.4.1 對典型抗性細(xì)菌的去除效果

飲用水廠消毒單元可有效破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu),對保障飲用水安全具有重要意義[29]。如圖8所示,兩水廠氯消毒單元對3類細(xì)菌均具有良好的去除效果。在不同的取樣季節(jié),A水廠均能對3類細(xì)菌實現(xiàn)完全去除。B水廠在不同的取樣季節(jié)對SMZ抗性細(xì)菌去除率為100%,可培養(yǎng)總細(xì)菌和AMX抗性細(xì)菌在秋冬兩季基本實現(xiàn)完全去除。由此可見,消毒單元作為水廠的末端保障,可以有效消殺出廠水中的細(xì)菌[30]。

圖8 消毒單元對抗性細(xì)菌去除效果

2.4.2 對典型抗性基因的去除效果

氯消毒單元可有效去除水中細(xì)菌類污染,但對抗性基因類去除效能尚未可知,因此,考察了A、B兩水廠對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果,結(jié)果如圖9所示。隨溫度下降,A水廠5類基因去除率呈先下降后上升趨勢,B水廠除16S rDNA和blaCTX-M外呈上升趨勢,且B水廠的去除效能略優(yōu)于A水廠,抗性基因平均去除率在0.80log以上。由于基因的基礎(chǔ)量不同,消毒單元對16S rDNA的去除率顯著高于其他基因。已有文獻(xiàn)也證實消毒單元對抗性基因具有較好的去除效果,Xu等[23]發(fā)現(xiàn)錢塘江飲用水處理廠一和廠二加氯消毒單元對抗性基因的平均去除率分別為95.2%和96.63%。

圖9 消毒單元對抗性基因去除效果

從上述分析可知,經(jīng)過水廠全工藝流程的處理后,A、B兩水廠進(jìn)水中3類細(xì)菌采用純培養(yǎng)的方法基本檢測不到,抗性基因的總絕對豐度從1.64×105～8.29×107mL-1降低到1.76×104～3.50×105mL-1,兩水廠3個季節(jié)均能使抗性基因的總絕對豐度降低1～2個數(shù)量級,而且B水廠處理效果略優(yōu)于A水廠。A、B兩水廠對抗性細(xì)菌基本可以實現(xiàn)完全去除,對抗性基因也具有良好的去除效果,有效地保障了飲用水安全。

3 結(jié)論

(1)黃河中下游兩飲用水廠混凝沉淀單元對可培養(yǎng)總細(xì)菌、AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌3類細(xì)菌去除率較低,對sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率基本低于0.3log。過濾單元受濾池中生物膜影響,對可培養(yǎng)總細(xì)菌、AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌,以及sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因基本無去除效果。

(2)中間臭氧氧化單元對抗性細(xì)菌和抗性基因具有良好的去除效果,但是在實際運(yùn)行中由于有機(jī)物對臭氧的競爭消耗,臭氧不能完全去除抗性細(xì)菌和抗性基因。

(3)水廠中的消毒單元對抗性細(xì)菌和抗性基因具有較好的去除效果,是保障居民飲用水安全的重要工藝。