等离子体-过氧化钙协同作用强化污泥破解及抗生素抗性基因去除机制研究

针对剩余污泥中抗生素抗性基因(ARGs)的环境风险及传统处理技术效率低的问题，本研究创新性地采用等离子体-过氧化钙(Plasma-CaO2 )联合工艺。结果表明，该技术通过协同产生单线态氧(1 O2 )等活性氧物种(ROS)，显著提升污泥破解率至9.7%，并实现tetW基因2.4-log的削减，为污泥减量化与ARGs控制提供了高效解决方案。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的剩余污泥已成为环境治理的"顽疾"。这些污泥不仅是高含水率的胶状物质，更令人担忧的是，它们像"基因银行"一样富集了大量抗生素抗性基因（ARGs）。研究表明，中国11座污水处理厂的污泥中检出285种ARGs，浓度高达每克污泥4.32×10⁹
个拷贝。更棘手的是，传统处理方法如填埋或土地利用，会使这些"超级基因"扩散到环境中，其释放风险是污水处理厂出水的1000倍。与此同时，污泥处理成本占污水处理厂总运营费用的50%-60%，而现有技术如单独使用过氧化钙(CaO₂
)需要高剂量(0.66g/g总固体)和长时间(7天)处理，且仅能实现25%的污泥溶解率。如何破解这个"双重困局"——既实现污泥高效减量又彻底清除ARGs，成为环境工程领域的重大挑战。

针对这一难题，中国的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表创新成果。他们巧妙地将非热等离子体技术与CaO₂
氧化相结合，开发出Plasma-CaO₂
协同处理系统。该系统利用等离子体产生的臭氧(O₃
)、紫外线(UV)与CaO₂
释放的过氧化氢(H₂
O₂
)发生级联反应，通过"过氧臭氧"(O₃
/H₂
O₂
)和"紫外-碱光解"(UV/Ca(OH)₂
)等多重机制，大幅提升氧化效率。

研究采用来自陕西杨凌市政污水处理厂(A²
/O工艺)的活性污泥样本，通过检测乳酸脱氢酶(LDH)释放量、三维荧光光谱等技术评估污泥破解效果，结合qPCR定量ARGs，并运用共现网络分析微生物群落与ARGs的关联。

污泥破解性能
Plasma-CaO₂
组展现出显著的协同效应：污泥破解率达9.7%，LDH释放量激增656.9%，电镜观察显示菌胶团结构明显破碎。值得注意的是，溶解性胞外聚合物(S-EPS)在反应初期即快速增加，表明该系统能优先破坏细胞外基质。

ARGs去除机制
对四环素耐药基因tetW的去除效果最为突出，降低2.4个数量级(2.4-log)。研究发现ARGs的减少与其从污泥颗粒向液相释放的过程密切相关，LDH和S-EPS与ARGs含量呈显著负相关，证实污泥破解是ARGs降解的前提条件。共现分析揭示伯克霍尔德菌科(Burkholderiaceae)可能是bla_TEM
-1、tetC等ARGs的潜在宿主。

关键活性物种
淬灭实验证实单线态氧(¹
O₂
)在污泥破解和ARGs去除中起主导作用，其贡献率超过羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O₂
^-
)。

这项研究开创性地证明Plasma-CaO₂
系统能同步实现污泥减量与ARGs控制，其环境意义在于：一方面通过强化污泥破解为后续厌氧消化等资源化工艺创造条件；另一方面切断了ARGs通过污泥处置扩散的途径。特别是该系统克服了传统CaO₂
处理需要高剂量的缺点，为污水处理厂提供了一种经济高效的新型预处理方案。未来研究可进一步优化反应参数，并评估该系统对其它新兴污染物（如微塑料）的去除潜力。