《Process Safety and Environmental Protection》：Distinct Seasonal Patterns and Environmental Factors of Antibiotic Resistance Genes in Full-Scale Wastewater Reclamation within a Cold-Arid Region
编辑推荐：
•抗性基因（ARG）谱在不同深度处理工艺之间存在显著差异•夏季 MBR 表现出较高的 ARG 风险潜力，与在线膜清洗相关•电导率与微生物多样性降低以及移动遗传元件（MGE）富集同期出现•偏向秋季的 ARG 季节性变化趋势与温带系统冬季峰值模式存在差异引言污水回用正日益被视为缓
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抗性基因（ARG）谱在不同深度处理工艺之间存在显著差异
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夏季 MBR 表现出较高的 ARG 风险潜力，与在线膜清洗相关
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电导率与微生物多样性降低以及移动遗传元件（MGE）富集同期出现
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偏向秋季的 ARG 季节性变化趋势与温带系统冬季峰值模式存在差异
引言
污水回用正日益被视为缓解水资源短缺的关键策略（Shen 等，2025）。然而，回用水中抗性基因（ARGs）的出现引发公众健康担忧，这与其持久性和可移动性有关（Wang 等，2024）。污水处理厂（WWTPs）既是再生水的主要来源，也是 ARGs 传播的重要储库（Li 等，2025；Miao 等，2025；Wirth 等，2026）。以往关于 ARGs 动态的研究主要集中在温带及经济发达地区，在这些地区，抗性组构成、季节性趋势以及驱动的环境因素已有相对充分的表征（Xu 等，2023a；Xu 等，2023b）。相比之下，冷旱地区经历冬季极端低温、除冰盐输入造成的高盐度以及较大的昼夜温差（Pu 等，2022）。在这些环境下，ARGs 的出现与传播是否遵循温带系统中观察到的相同调控机制尚不明确，直接的气候跨区域比较仍然稀缺。因此，需要系统研究以确定冷旱地区 WWTP 与温带系统的差异，以及哪些环境因素塑造了这些差异。
尽管处理工艺可降低 ARGs 负荷，但去除效率因工艺配置不同而异（Yu 等，2020；Liu 等，2025）。冷旱条件可能会放大这种差异。由于氧化还原条件变化以及污泥停留时间（SRTs）的波动，生物处理工艺往往表现出 ARGs 去除效果不一致（Xu 等，2023a；Xu 等，2023b；Miao 等，2025；Wirth 等，2026）。低温会抑制微生物代谢，这可能促进缓慢生长的耐药菌群富集，并改变 ARGs 在污泥相中的累积（Neyestani 等，2017；Zhang 等，2018）。一般而言，深度处理技术可通过物理截留或生物膜过滤显著降低 ARGs 负荷（Tang 等，2022）。膜生物反应器（MBR）通过物理屏障有效截留生物量，但生物膜形成和运行压力仍可能导致 ARGs 反弹（Lin 等，2021；Leroy-Freitas 等，2022）。在冷旱环境中，低温还可能改变膜污染动态和微生物活性。同样，反硝化滤池依靠缺氧生物膜和颗粒填料来降低 ARGs 负荷（Tang 等，2022），但其在极端低温下的性能仍知之甚少。MBR 与反硝化滤池在截留机制、生物膜微环境和运行稳定性方面存在根本差异。现有研究很少将冷旱条件下这些工艺的 ARGs 控制性能与温带基准进行比较。因此，这些深度处理工艺在冷旱地区的 ARGs 调控特征尚需进一步研究。
以往研究记录了温带地区污水 ARGs 的季节性变化，但不同地区报告的差异趋势差别很大。一些研究观察到 ARGs 丰度在寒冷期较高，并将其归因于微生物代谢受抑制、抗性基因降解减慢以及冬季抗生素使用量增加（Noor 等，2021；Leroy-Freitas 等，2022；Guruge 等，2025）。其他研究则报道了温暖季节 ARGs 多样性或特定耐药类型较高，并将这些规律与移动遗传元件（MGEs）活性增强或高温条件下嗜热抗性相关细菌的增殖联系起来（Tang 等，2023；Sun 等，2024a；Sun 等，2024b；Chang 等，2026）。这些差异性的规律表明，季节性 ARGs 变化并非仅由温度决定，而是由盐度、微生物群落结构及 MGEs 丰度等多种环境因素的复杂相互作用共同塑造（Kong 等，2025）。环境因素可能直接影响细菌膜通透性或水平基因转移速率；或者间接重塑微生物群落，从而偏好或抑制特定 ARGs 宿主（Tan 等，2019；Deng 等，2023a；Deng 等，2023b）。尽管 MGEs 被认为是在环境压力与 ARGs 传播之间起关键作用的因素（Zhang 等，2021；Klümper 等，2025），但大多数研究仍将环境条件、宿主群落和 MGEs 视为彼此独立的因素（Wang 等，2024；Jia 等，2025）。这些组分在冷旱地区独特环境压力下的相互作用机制，目前了解甚少。
为弥补上述研究空白，本研究调查了中国西北冷旱地区代表性城市——乌鲁木齐的一处满负荷运行市政 WWTP。我们在 2024 年 10 月至 2025 年 7 月期间开展季度采样，以评估抗性组动态。本研究的具体目标为：（1）探讨冷旱地区的环境胁迫因素如何通过有别于温带系统的机制塑造 ARGs 的出现与传播；（2）评估季节性环境波动与 ARGs 谱系变化之间的关联；（3）比较该系统的季节性 ARGs 动态与温带设施已确立模式的差异。通过整合抗性组、可移动组和微生物组数据，本研究提供了评估抗生素抗性风险的框架，从而支持缺水地区再生水设施的安全运行。
章节摘要
污水处理厂与采样
本次季节性调查在中国西北部乌鲁木齐市的一处市政 WWTP 开展。该厂设计处理规模为 2×10? m3/d，由两套平行处理系统组成。系统 1 采用常规 A2/O 活性污泥工艺配合反硝化深层滤池；系统 2 则将 A2/O 工艺与膜生物反应器（MBR）相结合。采样于 2024 年 10 月至 2025 年 7 月间按季度进行（秋季：2024 年 10 月 10 日，冬季：2024 年 12 月 26 日，
ARGs 的出现特征与季节变化
在两个处理系统的所有处理工艺中共鉴定出 30 种 ARG 类型（图 1A-D）。主要的 ARG 类型包括多重耐药（27.2%-30.1%）、大环内酯-林可酰胺-链阳菌素类（MLS，23.2%-24.7%）、四环素类（10.2%-10.7%）、万古霉素类（6.6%-7.0%）及杆菌肽类（5.4%-5.8%），其相对丰度总和在整个研究期间保持稳定。除了广义的 ARG 类型外，对 ARG 亚型的统计分析清晰地揭示了两种
ARGs 在不同回用工艺中的命运
以往研究表明，市政 WWTP 的核心抗性组在不同气候带之间表现出显著的地域差异。本系统与这些既有模式差异显著。在北京、哈尔滨等寒冷地区，WWTP 的特征是 ARG 亚型丰富度高（300-400 种亚型）且呈冬季峰值、以磺胺类为主导的抗性组。在冬季，磺胺类在活性污泥中浓度可达 0.10 copies/cell，同时高风险基因
结论
通过对乌鲁木齐一处污水回用系统进行为期一年的系统采样与宏基因组分析，本研究凸显了季节性环境变化与抗性组持久性之间复杂的相互作用。主要结论如下：
- 1)
与不同气候区的系统相比，冷旱地区的抗性组表现出显著不同的特征，且与季节性环境条件密切相关。
- 2)
观察到的异常高 ARG 丰度
CRediT 作者贡献声明
崔长征：撰写——审阅与编辑、概念构思。黄元生：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、基金获取、概念构思。张恒：资源、数据整理。喻凯风：撰写——审阅与编辑、概念构思。陈怡涵：撰写——审阅与编辑、概念构思。陈思涵：撰写——初稿、可视化、验证、形式分析、数据整理、概念构思。白碧玉：资源、数据整理。雷
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或人际关系。
致谢
本研究得到新疆维吾尔自治区科技厅（编号：2023D01C182）和新疆荒漠微生态管理重点实验室开放研究项目（XJKLDMM-202602）资助。
陈思涵|张雷|白碧玉|张恒|黄元生|陈怡涵|喻凯风|崔长征
