农村人工湿地系统中抗生素抗性基因、有机微污染物与细菌群落的动态互作关系及环境意义

为解决分散式污水处理中抗生素抗性基因(ARGs)和有机微污染物(OMPs)的去除难题，葡萄牙研究团队对3个运行7年以上的水平潜流人工湿地(CWs)进行多季节监测。研究发现CWs可显著降低大肠杆菌(4.8 log)和生物标志物(3.6 log)负荷，但部分药物(如非诺贝酸达36,000 ng/L)仍残留在出水中。该研究为农村地区低成本污水处理系统优化提供了重要数据支撑，成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

　　

随着全球抗生素耐药性危机加剧，世界卫生组织(WHO)将抗生素耐药性列为21世纪重大公共卫生威胁。与此同时，有机微污染物(OMPs)包括药物、个人护理品等化学物质在环境中的持续累积，通过食物链富集对人类健康和生态系统构成潜在风险。传统集中式污水处理厂对这类新兴污染物的去除能力有限，而分散式处理系统在偏远地区的应用效果尚缺乏系统评估。

葡萄牙天主教大学的研究团队针对这一科学问题，在葡萄牙北部选取3个运行7-20年、服务人口<400人的水平潜流人工湿地(CWs)开展研究。这些系统种植芦苇(Phragmites australis)，采用土壤基质和连续流模式。研究通过四季采样(2023年3月-10月)，综合运用培养法、qPCR、非靶向LC-MS和16S rRNA基因测序等技术，系统评估了CWs对粪便污染指标(大肠杆菌、总大肠菌群)、10种生物标志物(包括uidA、crAssphage等)和119种OMPs的去除效能，同时分析了细菌群落动态与环境因子的关联。

关键技术方法包括：1) 采集3个CWs的进水、出水和沉积物样本(n=36)；2) 膜过滤法计数粪便指示菌，PowerSoil/PowerWater试剂盒提取DNA；3) 定量检测16S rRNA基因和10种生物标志物(intI1、sul1等)；4) HLB/CMX固相萃取结合LC-MS分析OMPs；5) Illumina NovaSeq测序V3-V4区解析菌群结构；6) 采用ANOVA、PCA等统计方法分析数据关联性。

研究结果揭示：

1. 污染物去除效能

• 微生物指标：夏季(7月)去除效果最佳，大肠杆菌降低4.8 log，生物标志物降低3.6 log，冬季(3月)效率最低
• OMPs：59种化合物被检出，4种(对乙酰氨基酚、非诺贝酸等)持续存在于所有出水，浓度高达36,000 ng/L
• 营养盐：出水总氮(15 mg/L)和总磷(2 mg/L)频繁超标

1. 季节动态特征

• 温度与去除率呈强正相关(r=0.79-0.82)，7月芦苇株高最大时处理效能最高
• 降雨通过稀释作用负向影响去除效率(R=-0.92)

1. 菌群结构演变

• 进水菌群以变形菌门(Pseudomonadota，52%)为主，含34% γ-变形菌
• 处理过程显著降低梭菌(Clostridia)和放线菌(Actinomycetes)丰度
• 沉积物形成独特菌群，富含酸杆菌(Acidobacteriota，16%)和热原体(Thermoproteota，9%)

1. 沉积物归趋

• 生物标志物在沉积物中的相对丰度(基因拷贝/16S rRNA)显著低于水体
• qacEΔ1是沉积物中最常检出的抗性基因(50%样本)

讨论与意义：
该研究首次在真实运行的CWs中同步评估了微生物污染物与化学污染物的协同去除机制。尽管系统表现出良好的病原体去除能力，但出水残留的ARGs和高浓度OMPs提示需要结合后续处理单元。温度驱动的处理效能变化说明CWs更适用于温暖气候地区，而沉积物菌群分析证实系统长期运行未导致污染物累积。

研究创新性地将污水处理效能与微生物生态学相结合，为优化分散式处理系统提供了理论依据。特别是提出的"植物生长阶段-温度-处理效率"关联模型，对工程设计具有指导价值。未来研究可探索改良基质、植物轮作等策略提升氮磷去除率，并将监测范围扩展至受体水体的生态风险评估。该成果为落实欧盟水框架指令(91/271/EEC)关于分散式处理系统的管理要求提供了科学支撑。