活性污泥与臭氧消毒全流程污水处理厂中抗生素抗性基因与非结核分枝杆菌的归趋研究

《Journal of Water Process Engineering》：Fate of antimicrobial resistance genes and non-tuberculous mycobacteria across a full-scale wastewater biological treatment plant with effluent ozonation

　　

在一座配备臭氧消毒工艺的全规模市政污水处理厂中，研究人员考察了抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）与非结核分枝杆菌（non-tuberculous mycobacteria，NTM）在完整处理流程中的归趋。研究结果显示，活性污泥工艺承担了ARGs去除总量的88%至100%。臭氧消毒对NTM、I型整合子整合酶基因（intI1）及ARGs的去除效果有限，其对数去除率仅为0至0.7 log。与此同时，在污泥样品中观察到NTM、intI1以及7种ARGs的相对丰度出现上升。此外，在最终出水中仍可检测到blaSHV与ermB基因，其浓度高于100基因拷贝数/毫升（GC/mL）。

论文解读文章

研究背景与科学问题

抗生素的广泛使用导致其持续残留于环境中，进而推动抗生素抗性细菌与抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）的扩散。世界卫生组织（WHO）已将抗生素耐药性列为全球健康的重大威胁之一。城市污水与污水处理厂（wastewater treatment plants，WWTPs）被认为是ARGs的重要储库，处理后的出水与污泥若处置不当，可导致ARGs进入受纳水体，增加环境中微生物群落获得耐药性的风险。然而，现有污水处理工艺的设计初衷并非针对ARGs去除，其实际去除效率仍不明确。

与此同时，非结核分枝杆菌（non-tuberculous mycobacteria，NTM）作为新兴机会性病原体，广泛存在于市政污水、处理厂出水、地表水乃至饮用水管网中。由于其细胞壁富含分枝菌酸，NTM对常规消毒工艺（包括臭氧）表现出较强耐受性，因此被视为评估消毒抗性机会性病原体传播风险的有用指示生物。然而，目前尚缺乏在全规模条件下同时考察活性污泥生物处理与臭氧深度处理对NTM及ARGs影响的系统研究。为此，本研究旨在填补这一空白，评估全规模市政污水处理厂中完整处理流程（活性污泥+臭氧消毒）对NTM与ARGs的去除效果，并探讨环境因子与微生物指标之间的关联。

研究设计与技术方法

研究依托加拿大魁北克省一座服务约10万人口、日处理量约6.5万立方米的市政污水处理厂开展。该厂采用活性污泥法（污泥龄8天）进行二级生物处理，并于夏季（5月至10月）对出水进行臭氧消毒，平均臭氧投加量为1.81 mg/L。采样周期为2023年8月28日至11月21日，共13周，每周采集进水（IN）、二级出水（EF_S）、臭氧消毒后最终出水（EF_F）或未消毒最终出水（EF_FP）以及脱水污泥（SL）样品，总计50份。臭氧消毒运行9周，停运4周。

关键技术方法包括：采用高通量定量PCR（high-throughput quantitative PCR，HT-qPCR）对16S rRNA基因、I型整合子整合酶基因（intI1）及22种ARGs进行定量；采用实时荧光定量PCR（qPCR）针对rpoB基因定量NTM；同时依据魁北克环境分析卓越中心（CEAEQ）标准方法测定pH、温度、电导率、碱度、浊度、总悬浮固体（TSS）、挥发性悬浮固体（VSS）、化学需氧量（COD）、亚硝酸盐及硫化物等理化指标。数据分析采用Mann-Whitney U检验、Wilcoxon检验、Spearman秩相关分析及主成分分析（PCA）。

研究结果

3.1 全规模处理对污水理化特性的影响

整个处理流程对TSS、VSS、COD和浊度的去除率均超过95%，其中活性污泥工艺单独承担了TSS、VSS、COD和浊度总去除率的97.7%、97.4%、97.4%和99.8%。臭氧投加量与TSS（ρ=?0.59，p<0.001）、VSS（ρ=?0.63，p<0.001）、COD（ρ=?0.59，p<0.001）、浊度（ρ=?0.47，p<0.01）及碱度（ρ=?0.49，p<0.01）均呈显著负相关，表明臭氧可有效降低出水悬浮固体与有机物负荷。

3.2 全规模处理对微生物浓度的影响

进水中NTM与16S rRNA平均浓度分别为1.6×10⁶ GC/mL和1×10⁸ GC/mL。从进水至二级出水，NTM与16S rRNA浓度分别平均降低2.94±0.76 log和3.25±1.26 log，且差异具有统计学显著性。然而，从二级出水至最终出水（无论是否经臭氧消毒），NTM与16S rRNA浓度均无显著差异，表明臭氧对总细菌与NTM的额外去除作用有限。值得注意的是，NTM相对丰度（NTM浓度/16S rRNA浓度）从进水的2%上升至二级出水的13%和臭氧消毒最终出水的19%，增幅分别达0.51 log和0.73 log，均具有统计学显著性，表明NTM比总细菌群落在处理过程中更具持久性。脱水污泥中NTM相对丰度亦上升0.31 log，提示NTM在活性污泥中发生富集。

3.3 全规模处理对抗性基因相对丰度的影响

所有22种ARGs与intI1均在至少一个样品中被检出。进水样品中检出的ARG种类最多，而臭氧消毒最终出水中检出种类最少，其中3个臭氧消毒出水样品未检出任何ARGs或intI1。intI1在进水样品中相对丰度最高，且在臭氧消毒最终出水中完全未被检出。在进水样品中，MLSB类（ermB、mefA）与磺胺类（sul1、sul2）抗性基因最为普遍。与进水相比，bla_IMP、bla_SHV、bla_TEM、bla_VIM、mcr-1、vanA和sul1共7种ARGs在污泥中相对丰度上升1.5至30倍，其中bla_SHV、sul1和vanA在污泥中平均相对丰度最高。

臭氧消毒对ARGs的影响因基因而异。bla_OXA-1和bla_VIM在臭氧消毒最终出水中完全未被检出，tetM仅在1个臭氧消毒样品中检出。然而，β-内酰胺类、MLSB类、磺胺类及万古霉素类抗性基因仍分别在44%、67%、33%和44%的臭氧消毒最终出水样品中被检出。ermF在臭氧消毒出水中检出率最高，提示其对臭氧具有较强耐受性。aadA1基因在进水中有4次检出（浓度介于4×10⁵至1×10⁶ GC/mL），但在所有出水与污泥样品中均未被检出，表明活性污泥工艺可有效去除该基因。

3.4 生物处理对ARGs与微生物负荷去除的贡献

在臭氧运行期间，活性污泥工艺承担了ARGs总对数去除量的88%至100%。二级生物处理对所有目标基因的去除率均不低于1.5 log，其中86%的ARGs去除率达到3 log及以上。臭氧消毒的额外去除贡献有限，68%的ARGs去除率低于0.5 log，最大去除率仅为0.7 log（针对vanA）。尽管如此，bla_SHV、ermB、ermF、mefA、sul1、sul2、tetQ和vanA在臭氧消毒最终出水中的平均浓度仍≥10² GC/mL。NTM浓度经臭氧消毒后未进一步降低，再次印证其较强的消毒耐受性。

3.5 污水特性、处理工艺、细菌指示物与ARGs之间的相关性

主成分分析（PCA）显示，臭氧日投加量向量主导了臭氧消毒最终出水样品在图中的分离，而进水样品与所有出水样品沿第一主轴明显区分，二级出水与臭氧/非臭氧最终出水在图中混叠，表明二级生物处理对整体处理效果贡献最大。NTM与总细菌浓度同多数理化指标（除温度外）呈显著正相关（ρ介于0.49至0.75）。tetM、sul1、sul2与ermB之间呈现强正相关（ρ介于0.64至0.91，p<0.001），提示这些基因可能存在共选择或共现现象，增加多重耐药风险。此外，除ermF外，丰度最高的10种ARGs均与NTM和16S rRNA浓度呈显著正相关（ρ介于0.62至0.89，p<0.001）。

讨论与结论

本研究结果表明，活性污泥生物处理是全流程ARGs去除的主要贡献者，而臭氧消毒的额外去除作用有限且波动较大。污泥中NTM、intI1及多种高风险ARGs（如bla_CTX、bla_SHV、bla_TEM、bla_VIM、mcr-1、ermB、tetM）的相对丰度上升，若污泥生物固体用于农业土地施用，可能增加土壤环境中耐药基因的传播风险。臭氧消毒虽能改善出水理化质量，但无法完全清除ARGs，且细菌在臭氧暴露后可进入活的非可培养状态并在后续恢复增殖。研究人员建议，应联合高级氧化工艺或将臭氧与过滤工艺结合，以更有效降低出水中ARGs浓度，同时避免溴酸盐和亚硝胺等消毒副产物的生成。研究同时指出，qPCR方法无法区分活菌、死菌与游离DNA，可能高估ARGs的潜在传播风险。最终，bla_SHV与ermB这两种被列为公共卫生高风险等级的ARGs在臭氧消毒出水中仍以高于100 GC/mL的浓度存在，提示需持续关注处理后出水向环境排放所引发的耐药性扩散风险。