活性污泥工艺中胞外抗生素抗性基因(eARGs)去除的关键影响因素及机制研究

本研究针对医院废水中胞外抗生素抗性基因(eARGs)的环境传播风险，系统探究了活性污泥工艺对eARGs的去除机制。通过构建人工抗性质粒PUC57-sul1及其扩增子模型，发现污泥消毒、生物量浓度(5 g/L)、曝气速率(400 mL/min)和温度(30°C)显著影响eARGs降解效率，其中扩增子12小时去除率达88.7%，而质粒仅67.4%。研究证实微生物活性是eARGs降解的关键，为优化污水处理工艺提供了理论依据。

　　

抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大威胁，而废水处理厂被认为是抗生素抗性基因(ARGs)向环境扩散的重要枢纽。尤其令人担忧的是，医院废水中ARGs的丰度可达市政废水的100倍，其中胞外形式(eARGs)因能通过自然转化(natural transformation)在细菌间水平转移，其环境风险被长期低估。尽管活性污泥工艺能有效降解小分子有机物，但对eARGs这类大分子胞外DNA的去除机制仍存在认知空白——这就像污水处理系统中藏着一个未被破解的"基因污染黑箱"。

为破解这一难题，中国某高校环境生物技术团队在《Biochemical Engineering Journal》发表研究，首次系统揭示了活性污泥工艺中eARGs去除的关键影响因素。研究人员采用"人工抗性质粒+天然基因片段"的双模型策略：一方面构建携带sul1基因的PUC57质粒模拟环状eARGs，另一方面制备sul1扩增子模拟线性DNA片段。通过设计系列控制实验，结合医院废水验证，揭示了eARGs去除的分子机制与工艺优化路径。

关键技术包括：1) 人工抗性质粒PUC57-sul1的定向构建；2) 梯度条件反应器系统(考察生物量、曝气、温度等参数)；3) 医院废水与实际活性污泥的耦合实验；4) qPCR定量分析技术。

【Plasmid and amplicon preparation】
通过合成sul1基因序列并克隆至PUC57载体，构建840 bp的模型质粒；同步制备同源线性扩增子，建立对比研究体系。

【Removal of amplicon and influencing factors】
发现活性污泥对线性DNA的去除呈两阶段特征：前2小时快速吸附阶段(去除54.9%)，后续微生物降解主导阶段。污泥消毒实验证实微生物活性是降解关键——灭活污泥组12小时残留量达70.4%，而活性组仅11.3%。优化条件下(30°C、5 g/L MLSS、400 mL/min曝气)，扩增子去除率较基线提升2.3倍。

【Effect of eARG type on the removal】
揭示DNA构象对去除效率的显著影响：质粒因结构稳定性导致去除率(67.4%)低于线性扩增子(88.7%)。医院废水实验发现eARGs存在"先升后降"现象，推测源于耐药菌裂解释放DNA，且原水毒性使去除率降低至15.3%，稀释后提升至81.3%。

【Conclusions】
研究证实eARGs去除遵循"吸附-生物降解"双机制，其效率与有机小分子污染物类似，但受DNA分子特性显著影响。特别重要的是，发现微生物抑制是限制eARGs降解的关键瓶颈——这为解释实际废水处理中ARGs"反弹"现象提供了新视角。该成果不仅阐明了活性污泥工艺参数与eARGs去除的定量关系，更通过"人工系统-实际废水"的递进验证，为污水处理厂优化抗性基因控制策略提供了理论支撑。如作者Chaoqi Chen所述，未来需重点解决高毒性废水中的微生物活性抑制问题，这对阻断抗生素耐药性的环境传播链具有重要实践意义。