基于大型溞-生物膜联合的四级水处理系统对废水微生物组重塑与抗生素抗性基因削减的季节性效能评估

《Water》：Assessment of a Daphnia–Biofilm Quaternary Water Treatment for Water Renaturalisation: Microbial and Chemical Changes

　　

污水处理厂（WWTPs）通常无法完全去除有害的水源性污染物，导致抗生素抗性基因（ARGs）、病原微生物和持久性微污染物进入受纳水生环境。本研究评估了一个中试规模基于浮游动物的四级处理系统的季节性性能，该系统将大型溞（Daphnia magna）与反应器内层状支撑生物膜相结合，以2天水力停留时间（HRT）每日处理高达80 m3的二沉池出水。跨季节运行表明，该系统显著降低了潜在致病菌属（如气单胞菌属Aeromonas、分枝杆菌属Mycobacterium）和污水厂相关菌属（如发硫菌属Thiothrix、短单胞菌属Brachymonas、弓形菌属Arcobacter和丛毛单胞菌属Comamonas）的丰度，实现了持续高水平的ARG去除率（91–96%），并在再生水中富集了淡水相关类群（hgcl_clade、红长命菌属Rhodoluna）。层状支撑生物膜表现出低ARG流行率，并含有具有生物降解潜力的分类群（如α-变形菌纲Alphaproteobacteria、玫瑰杆菌属Rhodobacter），突显其作为系统内降解界面的作用。然而，25种药物和工业化合物的去除率从可忽略不计到78%不等，表明该系统对微污染物的降解机制受限。总体而言，该系统作为一种有效的深度处理环节，通过减轻微生物危害、降低抗菌素耐药性（AMR）以及在排入水生生态系统前促进废水微生物组的再自然化，从而改善废水的生态质量。

研究背景与科学问题

污水处理厂（WWTPs）作为保障水质的关键基础设施，其二级处理出水仍残留大量水源性污染物，包括抗生素抗性基因（ARGs）、病原微生物及粪便指示菌等微生物污染物，以及药物和个人护理产品等化学微污染物。这些残留物随尾水排放进入受纳水体，会改变河流生物膜的微生物组成并增加ARG丰度，甚至在水生昆虫体内检测到污水厂相关细菌，严重威胁水生态系统的化学与生态状态。为响应欧盟水框架指令及修订后的城市污水处理指令（UWWTD）对监测抗菌素耐药性（AMR）和限制微污染物排放的要求，亟需开发高效的深度处理技术。现有高级氧化工艺（AOPs）和膜技术虽能有效去除ARGs和微污染物，但能耗高、成本大。相比之下，基于自然的解决方案（NBS），如人工湿地和浮游动物系统，提供了低成本、能源中和且气候友好的替代方案。然而，此前关于浮游动物处理系统的研究多局限于实验室或原型规模（日处理量<1 m³），且主要关注营养盐或特定微污染物，缺乏在实际环境条件和现实污染物负荷下对微生物群落变化及综合污染物削减效能的系统评估。此外，多数研究采用3–4天的水力停留时间（HRT），而缩短HRT对于减少NBS的土地占用这一关键限制因素具有重要意义。为此，研究人员在中试规模下运行了两套相同的浮游动物-生物膜联合系统，旨在评估其在2天HRT条件下对不同季节二沉池出水中微生物群落再自然化、ARGs及微污染物削减的实际效能，并深入分析生物膜的ARG分布与微生物组成，为该NBS技术的优化和大规模应用提供依据。

主要关键技术方法

研究人员在西班牙东北部服务于3000人口当量的Quart WWTP搭建了两套相同的中试规模浮游动物-生物膜系统（Tank_1和Tank_2），每套反应器工作体积80 m³，内置层板以增加生物膜附着面积。系统以约2天HRT运行，处理约占该厂总二沉池出水10%的水量。研究于2024年春季至2025年冬季四个季节进行采样，每季连续三周收集进水与两个反应器出水水样，并在反应器内靠近进出口处设置石板采集生物膜样本。采用16S rRNA基因扩增子高通量测序（V3-V4区）分析水样与生物膜的微生物群落组成；通过定量PCR（qPCR）检测七个目标基因（sul1、tetM、qnrS、bla_TEM、bla_OXA、bla_CTX及整合子intI1）的丰度；利用超高效液相色谱-高分辨质谱（UHPLC-HRMS）对25种微污染物进行靶向筛查。

研究结果

3.1 二沉池出水特征

二沉池出水中微生物群落以变形菌门（Proteobacteria）为主，秋季和冬季相对丰度显著高于春夏季。优势菌属包括Cloacibacterium、Brachymonas、Aeromonas和Vitreoscilla。所有目标基因中除bla_CTX仅在冬季检出外，其余均有检出，其中sul1丰度最高，其次为qnrS、tetM及β-内酰胺类ARGs。25种微污染物中有20种在各季节均被检出，曲马多、去甲文拉法辛、文拉法辛、磺胺甲恶唑和缬沙坦浓度超过1 μg/L，多数EU UWWTD列出的化合物均被检出。

3.2 浮游动物系统对二沉池出水的影响

3.2.1 水微生物群落组成变化

经处理后，出水微生物α多样性（Chao1指数）显著低于进水，β多样性分析显示进水和出水样品在主坐标分析（PCoA）中明显分离，且两反应器出水在不同季节间聚类一致。进水中的优势菌门如变形菌门、弯曲菌门（Campylobacterota）和绿弯菌门（Chloroflexi）相对丰度显著下降，而拟杆菌门（Bacteroidota）和放线菌门（Actinobacteriota）相对丰度升高。随机森林分析和Wilcoxon检验进一步揭示，进水中常见的Cloacibacterium、Brachymonas、Vitreoscilla和Acidovorax等菌属大幅减少，而Limnohabitans和Flavobacterium显著增加，同时hgcl_clade、Rhodoluna、Candidatus Planktoluna等原本缺失的淡水相关类群在出水中出现。冗余分析（RDA）表明，溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）和总悬浮固体（TSS）是驱动进水和出水微生物群落分离的主要理化因子。

3.2.2 目标基因削减

各目标基因的绝对丰度在两反应器出水中均显著低于进水，且无显著季节效应。除sul1外，其他基因的相对丰度也显著降低。qnrS、bla_OXA和bla_TEM在出水中持续低于定量限。各季节ARG总去除效率介于91%（夏季）至96%（冬季）之间，其中16S rRNA基因去除率最低（84%），intI1和ARGs去除率在93%至98%之间。Spearman相关性分析未发现目标基因对数去除率与大型溞种群密度之间存在显著关联。

3.2.3 微污染物削减

微污染物的去除呈现化合物依赖性和季节依赖性，范围从无去除到最高78%（西酞普兰，冬季）。卡马西平和阿哌沙班无去除，而阿奇霉素、苯并三唑、环丙沙星等在所有季节均有去除。整体中位去除率较低，春季为22%，夏季为28%。夏季去除的化合物数量最多（16种）。

3.3 反应器相关生物膜的特征

3.3.1 生物膜中目标基因检测

生物膜中仅16S rRNA、intI1和sul1被稳定定量，其余ARGs均低于定量限或未检出。intI1和sul1的绝对丰度在一年监测期内显著上升。

3.3.2 生物膜微生物组成

生物膜微生物群落不存在显著的进出水口空间差异，但呈现明显的季节性变化，春夏与秋冬群落结构不同。α-变形菌纲为最优势纲，玫瑰杆菌属（Rhodobacter）、硝化螺菌属（Nitrospira）、生丝微菌属（Hyphomicrobium）和Bosea为优势属。

讨论与结论

讨论部分指出，浮游动物系统驱动了微生物群落从污水厂相关组合向淡水环境组合的显著转变，这主要由COD和TSS降低所导致的理化过滤驱动，而非大型溞的直接牧食。但Limnohabitans等与大型溞相关的菌属富集，表明浮游动物-微生物互作也有贡献。ARG的高效削减主要源于进水微生物类群在不利环境下的衰亡，结合生物膜低ARG流行率的稀释效应。微污染物去除有限，归因于2天HRT过短、水深2米限制光降解、以及较低的比表面积（1.5 m²/m³）和低DO水平限制了生物降解。

研究结论翻译如下：这项为期一年的中试研究表明，在短HRT（2天）条件下，浮游动物过滤系统作为NBS用于水回收具有性能和局限性。该系统持续实现高ARG去除率（91–98%），并通过减少潜在致病菌和污水厂相关类群、富集出水中淡水相关菌属，显著重塑了废水微生物组。废水微生物群落的重构主要与COD和TSS的降低有关，这些变化创造了更接近清洁河水条件的生境。微污染物衰减有限（<78%），表明尽管生物膜中存在具有生物降解潜力的类群，但短HRT和当前系统设计制约了对药物和工业化合物有效生物转化途径的发展。尽管如此，跨季节稳定的微生物学表现以及生物膜中临床相关ARGs的缺失，凸显了该系统作为深度处理环节以减少AMR扩散和降低受纳河流中废水衍生微生物足迹的适用性。因此，本研究中规模化应用的浮游动物技术代表了污水处理厂中一个有前景的最终深度处理环节，可通过减少微生物危害、缓解AMR和促进废水微生物组再自然化来提升废水生态质量。未来应开展机理研究，以进一步理解大型溞和生物膜对所观察到的微污染物和微生物变化的贡献。