废水处理厂中空气传播病原体的粒径分布及呼吸道沉积情况，以及抗菌素耐药性风险的决定因素

《Journal of Environmental Radioactivity》：Particle-size distribution and respiratory deposition of airborne pathogens and antimicrobial resistance risk determinants in wastewater treatment plants

抗生素耐药基因（ARGs）和病原体在污水处理厂空气中的分布特征及健康风险研究。通过采集两个污水处理厂曝气池和二次沉淀池的空气样本，分析不同粒径（0.43-20 μm）下细菌多样性、ARGs亚型、病原体及毒力因子基因浓度，结合数字PCR技术定量检测，揭示颗粒物尺寸对ARGs和病原体沉积分布的影响，建立呼吸沉积模型评估职业暴露风险。

　　

高珊珊|李少斌|郭亚杰|徐巧琳|陈默|高敏|王旭明

河北工业大学土木与交通工程学院，天津，300401，中国

引言

抗生素被广泛用于预防和治疗细菌感染。然而，抗生素的滥用导致了抗生素抗性基因（ARGs）和耐抗生素细菌（ARBs）的出现、发展和传播（Zhu等人，2017年）。世界卫生组织（WHO）将抗菌素耐药性（AMR）列为21世纪对人类健康的主要威胁之一（Tet等人，2022年）。据估计，到2050年，由耐抗生素病原体引起的死亡人数可能达到每年约1000万，这一数字将远远超过每年因癌症和糖尿病导致的死亡总数（Valderrama等人，2019年；Yang等人，2022a年）。

污水处理被认为是去除污水中AMR的有效策略（Adjei等人，2023年）。然而，在处理过程中，如曝气和粗筛分过程中，固体和液体相中的ARBs和ARGs可能会释放到空气中（Korzeniewska，2011年；Uhrbrand等人，2017年）。Wang等人（2024年）报告称，污水处理厂（WWTPs）空气中ARGs的浓度高达8.35-163.27拷贝/立方米。与其它行业的工人相比，暴露在这些高浓度生物污染物中的WWTPs工人可能更容易患上咳嗽、呼吸急促和哮喘等呼吸系统疾病，以及皮肤和肠道疾病（Lacey和Crook，1988年；Melbostad等人，1994年）。ARGs的风险取决于它们转移到致病细菌的能力，因此，ARGs、移动遗传元件（MGEs）和毒力因子基因（VFGs）都是抗菌素耐药性（ARDs）的重要风险决定因素（Su等人，2024年），但关于WWTPs空气中这些物质的组成和共存模式的研究很少，也缺乏不同处理单元之间的比较研究，这限制了我们对WWTPs中AMR传播和风险的理解。

颗粒大小是影响气溶胶的重要因素，它不仅影响生物气溶胶的传输距离，还决定了它们在人体呼吸道的沉积位置（Marques等人，2018年）。例如，PM₁₀（空气动力学直径d_a < 10 μm）主要沉积在上呼吸道；PM_2.5（d_a < 2.5 μm）主要积聚在肺部；PM_1.0（d_a < 1.0 μm）可以深入肺泡区域，并通过系统循环转移到肝脏、脾脏、心脏或大脑（Lelieveld等人，2015年）。先前的研究表明，城市地区不同大小颗粒物携带的微生物多样性存在差异（Alghamdi等人，2014年）。然而，目前关于WWTPs空气中病原体和ARGs的研究主要集中在总悬浮颗粒物（TSP）或PM_2.5上，而忽略了不同大小颗粒之间的差异。这一限制使得我们对它们的胶体行为理解不完整（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年；Lelieveld等人，2015年；Prakash等人，2018年）。鉴于颗粒大小在评估健康风险和环境轨迹中的重要性，深入研究WWTPs空气中HPB（人类致病细菌）和ARDs的颗粒大小分布特征尤为重要。

此外，由于空气样本中ARDs的浓度极低，传统的定量PCR（qPCR）难以达到目标基因检测阈值的要求。液滴数字PCR（ddPCR）作为一种高灵敏度的检测技术，通过水油乳化将单个模板分配到独立液滴中。由于ddPCR无需标准曲线即可确定低浓度目标序列的绝对数量（Sugimoto等人，2021年），因此已被广泛用于动物农场和堆肥设施空气中ARGs和病原体的精确定量（Gao等人，2018年；Xin等人，2022年）。

在这项研究中，从两个WWTPs的曝气池和二次沉淀池上方收集了空气样本，涵盖了八个不同的颗粒大小范围（直径从0.43到20 μm）。通过16S rRNA基因测序分析了样本中细菌群落（包括病原体）的组成。使用ddPCR定量分析了四种ARG亚型、两种MGE亚型、四种病原体物种和一种VFG亚型的浓度。本研究的具体目标如下：（1）比较曝气池和二次沉淀池空气中微生物多样性和优势物种（包括病原体）的颗粒大小特征差异；（2）确定WWTPs空气中HPBs和ARDs的空气动力学颗粒大小分布；（3）评估曝气池和二次沉淀池空气中HPBs和ARDs的呼吸沉积量。总体而言，本研究旨在更好地了解WWTPs空气中AMR的颗粒大小分布特征和潜在健康风险。

研究地点和样本采集

研究地点和样本采集

本研究于2024年9月至11月在天津的两个WWTPs采集了空气样本。WWTP1采用厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺，而WWTP2采用移动床生物膜反应器（MBBR）工艺。这两个WWTPs均处理生活污水，WWTP1的日处理能力为15万吨，WWTP2为6000吨。采集了曝气池和二次沉淀池上方的空气样本。采样点的位置如下所示

WWTPs空气中细菌的浓度和多样性

比较了WWTPs不同处理单元空气中各种颗粒大小的细菌丰度和多样性。如图2a和b所示，曝气池和二次沉淀池空气中的细菌浓度分别为2913.92-5645.22拷贝/立方米和3373.82-5591.82拷贝/立方米。在曝气池中，细菌总浓度随颗粒大小的增加而增加，在9-20 μm范围内达到峰值（5645.22拷贝/立方米）。相比之下，

结论

空气动力学直径是理解环境中生物污染物命运和传输的关键参数。在这项研究中，我们首次定量确定了WWTPs空气中与病原体和ARDs相关的颗粒大小浓度，并将空气中的AMR绝对定量数据与吸入剂量模型相结合，以表征不同处理单元中AMR的呼吸沉积行为。结果表明，空气中的

CRediT作者贡献声明

高珊珊：正式分析、调查、撰写——原始草稿。李少斌：正式分析、撰写——原始草稿、可视化。郭亚杰：软件、可视化。徐巧琳：调查、可视化。陈默：概念化、正式分析、撰写——原始草稿。高敏：概念化、验证、监督、撰写——审稿与编辑、资金获取。王旭明：概念化、验证、监督。

未引用参考文献

Yang等人，2022年

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高珊珊：撰写——原始草稿、调查、正式分析。李少斌：撰写——原始草稿、可视化、正式分析。郭亚杰：可视化、软件。徐巧琳：可视化、调查。陈默：撰写——原始草稿、正式分析、概念化。高敏：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念化。王旭明：验证、监督、概念化。