典型工业废水活性污泥中抗生素抗性基因的迁移特征与分类控制策略

《Emerging Contaminants》：Elucidating the migration characterization of antibiotic resistance genes in waste activated sludge from four distinct industrial wastewaters

本研究针对工业废水活性污泥（WAS）中抗生素抗性基因（ARGs）的环境风险，系统比较了农药厂（PF）、中药厂（TCMF）、肉类罐头厂（CMPF）和化工厂（CF）四种典型工业源WAS中ARGs的赋存特征与迁移规律。研究发现不同工业源WAS可划分为两类：PF和CF因有机污染物毒性较高，抑制微生物生长但富集可移动遗传元件（MGE），ARGs以水平转移为主；而TCMF和CMPF则因有机质丰富促进微生物增殖，ARGs更易通过垂直转移和接合作用传播。研究提出了基于工业类别的差异化精准管控策略，为推进工业WAS无害化资源化处置提供了新视角。

　　

随着抗生素的滥用，各种抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）在环境中广泛传播，对公众健康构成严重威胁。污水处理厂不仅是ARGs的汇集热点，更是其向环境扩散的重要源头。其中，超过90%的ARGs最终会富集在废水活性污泥（Waste Activated Sludge, WAS）中，使得WAS成为ARGs传播的“放大器”。随着全球水处理需求的增长，污泥产量持续增加，如何实现WAS的无害化与资源化利用，已成为当前资源循环利用背景下亟待解决的关键问题。然而，即使经过无害化预处理，在WAS的填埋或再利用过程中，其携带的ARGs仍可能持续向环境迁移，带来潜在环境与健康风险。与生活污水相比，工业废水具有污染物浓度高、成分复杂、难降解等特点，其对污泥微生物群落施加更强的选择压力，可能更易导致ARGs的传播。但目前针对工业废水WAS中ARGs迁移转化规律的研究相对缺乏，尤其缺乏对不同工业源WAS中ARGs传播特性的系统比较与针对性管控策略的探讨。

为此，刘国涛、陈昭琼等研究人员在《Emerging Contaminants》上发表论文，聚焦四种典型工业（农药厂PF、中药厂TCMF、肉类罐头厂CMPF、化工厂CF）的WAS，旨在阐明其中ARGs的发生与迁移特征、微生物群落演变规律，以及病原菌（包括毒力因子）与ARGs双重传播的环境风险，并据此提出针对性的WAS无害化与资源化利用管理建议。

研究人员综合运用了气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析有机污染物、16S rDNA测序分析微生物操作分类单元（OTU）和群落多样性、宏基因组测序（Illumina NovaSeq? X Plus平台）分析微生物群落结构、ARGs（基于CARD数据库）、可移动遗传元件（MGE，基于MGEs90数据库）和毒力因子（基于VFDB数据库），并通过共现网络分析（Spearman相关）等手段，系统比较了四种工业WAS样本的差异。

3.1. 四种WAS中有机化合物分析

GC-MS分析表明，四种WAS均含有多种有机化合物，PF、TCMF、CMPF、CF分别检出26、21、25、30种。PF和CF的特征污染物（如2-氯-吡啶、3,4-二甲基苯甲醛）多为农药和化工中间体，推测其有机组分毒性相对较高；而TCMF和CMPF的污染物（如2-己酮、3-甲基苯酚）毒性较低，可能为微生物提供更多碳源。

3.2. 微生物群落变化行为

OTU和PCA分析显示，TCMF和CMPF的细菌丰富度（OTU数目分别为2212和2201）显著高于PF（1110）和CF（1391）。微生物群落结构在门水平上差异明显，变形菌门（Pseudomonadota）为四类WAS的优势菌门。在属水平上，不同WAS的特征微生物各异，如PF以Candidatus_Dadabacteria、Phycisphaerales为特征；TCMF富集了Acidobacteriota、Planctomycetota等；CMPF以Chloroflexota、Anaerolineales为特征；CF则以Deltaproteobacteria、Hyphomicrobiaceae为特征。这些特征微生物大多兼具有机物降解和ARGs携带的双重功能。病原微生物分析显示，四类WAS中病原菌组成无显著差异，主要种类包括沙门氏菌、铜绿假单胞菌等，约94%的病原菌（179种）在四类WAS中共同存在。

3.3. ARGs与MGE迁移特征分析

ARGs分析发现，四类WAS均含有macB、tetA(58)、bcrA等常见的ARGs。CMPF的ARGs总数（779种）和独特ARGs数量（73种）均为最高，且含有MCR-1.9等高风险ARGs。PF虽总ARGs丰度较低，但独特ARGs数量（62种）也较高，且富集了QnrA6等喹诺酮类耐药基因。MGE分析表明，PF具有最高的染色体MGE比例和MGE-ARGs共存比例，且MGE类型最多（转座酶、重组酶、整合酶等），提示其水平转移风险最高。CF的质粒MGE比例最高。相比之下，TCMF和CMPF的MGE介导的水平转移风险相对较低。

3.4. 微生物群落演变与ARGs迁移的关联

共现网络分析显示，CMPF的ARGs-微生物网络关系最为复杂（144条边）。PF中存活细菌携带ARGs的比例显著升高，且ARGs与微生物均呈正相关。毒力因子分析表明，TCMF和CMPF的毒力因子（如IV型菌毛、极性鞭毛、HSI-I等）丰度较高，且与cml、ant、bla-d等ARGs呈正相关，这些毒力因子可能通过促进细菌接触而增强接合转移。特别是在CMPF中，一些潜在的病原菌宿主（如Thauera、γ-变形菌纲）也是常见的生物膜形成菌，提示需关注其生物膜介导的ARGs传播。

3.5. 迁移途径比较与ARGs管理

综合以上结果，四种工业WAS的ARGs迁移特征可分为两类：PF和CF因进水污染物毒性较高，抑制了微生物总量，但存活微生物面临更强选择压力，进而激活了MGE，使得ARGs更倾向于通过水平转移传播。TCMF和CMPF则因进水有机质丰富、毒性较低，促进了微生物大量增殖，产生了更多的ARGs宿主和毒力因子，使得垂直转移和接合转移成为ARGs传播的主要途径，CMPF中还可能存在生物膜辅助的转移。

基于此，研究提出了分类管控建议：对于PF和CF类WAS，应优先彻底降解有毒有机物，并针对性抑制MGE（PF侧重抑制MGE活性，CF侧重质粒灭活）。对于TCMF和CMPF类WAS，处置核心应是微生物的彻底灭活（如结合高温、紫外辐射），并注意毒力因子的失活，CMPF还需额外抑制生物膜形成。

该研究首次系统比较了不同工业源WAS中ARGs的迁移特征及其驱动机制，明确了基于工业源特性的ARGs传播风险差异，并提出了“分类施策”的精准管控策略。这不仅深化了对工业WAS环境行为的理解，也为制定针对性的工业污泥处理处置技术规范、管控ARGs传播风险、保障公众健康提供了重要的科学依据和实践指导。