快速砂滤饮用水处理系统中抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的归趋与行为及潜在影响因素分析

《Environments》：Fate and Behavior of Antibiotic Resistance Genes in Rapid Sand Filtration Drinking Water Treatment System and Analysis of Potential Influencing Factors

　　

抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）日益被视为饮用水中的一类关注污染物，但其从原水到出厂水在饮用水处理厂（drinking water treatment plants, DWTPs）中持续存留的影响因素仍不清楚。本研究以配备中间加氯与末端加氯的全规模快速砂滤饮用水处理系统为对象，考察了ARGs（sul1、sul2和tetG）的发生、去除情况及与其持续存留相关的潜在因素。原水中检出ARGs，总浓度中位数为106copies/L，出厂水中仍可检出，浓度为104copies/L。尽管ARGs绝对丰度大幅降低（2.1–3.6 log），其相对丰度在处理后升高。中间加氯实现了最大的ARG对数去除值（log reduction value, LRV＝0.53–2.4 log），这可能归因于较高加氯量及较低pH促进次氯酸（hypochlorous acid, HOCl）生成；相比之下，较高pH下进行的末端加氯额外去除效果有限，可能由于较弱反应性的次氯酸根（OCl?）占主导及耐氯菌存活。多元分析显示ARGs赋存形态沿处理流程由原水中颗粒结合态转变为出厂水中与溶解性有机物（dissolved organic matter, DOM）及细颗粒结合态。上述发现表明，降低细颗粒与DOM含量并结合优化消毒工艺，有助于降低出厂水中ARGs相关风险。

一、研究背景与意义

抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）可通过整合子、质粒及转座子等可移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs）介导的水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）在微生物间传播，即便无抗生素选择压力也可在环境中持久存在。受畜禽养殖及医疗废水排放影响，河流、湖泊等地表水源中广泛检出ARGs，并可随取水进入饮用水处理厂（drinking water treatment plants, DWTPs），经配水管网造成人群暴露风险。常规处理工艺（混凝—沉淀—快速砂滤—氯消毒）虽可部分削减ARGs，但现有研究多聚焦于单步末端加氯工艺的去除率量化，对中间加氯（intermediate chlorination）作用及水质参数与ARG丰度的阶段特异性关联缺乏系统评估；此外，ARGs在各处理单元中是宿主菌相关还是胞外DNA形式、与悬浮颗粒及溶解性有机物（dissolved organic matter, DOM）的结合形态沿工艺如何演变亦不明确。为此，研究人员以日本一座采用混凝—沉淀—中间加氯—快速砂滤—末端加氯（post?chlorination）全规模DWTP为对象，定量sul1、sul2、tetG三种ARGs及Ⅰ类整合子整合酶基因intI1和16S rDNA，结合各单元水质参数进行阶段相关与多元分析，阐明ARGs归趋及潜在驱动因子，为优化工艺控制饮用水中ARGs风险提供依据。该论文发表于《Environments》。

二、主要技术方法概述

研究人员于2020年8月至12月每两周采集该DWTP原水、混凝—沉淀出水、中间加氯出水、快速砂滤出水及末端加氯出厂水各10个样品（n=10）。现场测定pH、电导率（electrical conductivity, EC）、游离余氯、浊度及粒径分布（0.5–100 μm分四段）；滤液测DOC（dissolved organic carbon）、UV₂₆₀及三维荧光激发—发射矩阵（excitation–emission matrix, EEM）；截留颗粒膜提取DNA。采用实时荧光定量PCR（quantitative PCR, qPCR）定量16S rDNA、sul1、sul2、tetG及intI1；以对数去除值（log reduction value, LRV＝log₁₀(C₀/C)）评价各单元去除效能；非参数检验比较相邻单元差异，Spearman秩相关分析ARG/intI1与各水质参数及16S rDNA关联，主成分分析（principal component analysis, PCA）含方差最大旋转揭示多变量关系，p＜0.05为显著。

三、研究结果

3.1 ARGs在原水与出厂水中的丰度与持续存留

原水中三种ARGs及intI1检出率90%–100%，总ARG丰度中位数约10⁶copies/L，sul1丰度最高；经处理后16S rDNA降低4.2 log，ARGs绝对丰度降低2.1–3.6 log（intI1为3.0 log），但出厂水仍可检出总ARGs约10⁴copies/L（检出率50%–70%）。相对丰度（归一化至16S rDNA）中sul1、sul2、tetG及intI1均较原水升高，提示携ARGs细菌较敏感菌更耐受处理或发生HGT扩散；出厂水ARG水平与原水无显著相关，表明处理过程及同期水质变化是影响其持续存留的主因而非原水初始浓度。

3.2 各处理单元ARG丰度变化

混凝—沉淀：ARGs及intI1绝对丰度显著降低（LRV 0.81–1.4，intI1为0.88），相对丰度未富集，与浊度、大颗粒（10–100 μm）及DOM指标同步下降相符，属絮体网捕共沉去除颗粒及DOM结合态ARGs；稍低pH利于絮凝并可增强ARGs共去除，但混凝剂投量本身与ARG?LRV无明确直接关联。

中间加氯：平均投氯1.3 mg Cl₂/L，对各ARGs及intI1达最高LRV（sul1为2.4 log，sul2为1.2 log，intI1为2.1 log，tetG为0.53 log不显著）；较低pH促进HOCl比例从而提高灭活效率，游离余氯升量与tetG?LRV正相关，投氯量与intI1?LRV负相关（更高剂量去除更多）。sul2、tetG及intI1相对丰度上升（选择性存活耐氯菌或颗粒/DOM屏蔽），sul1相对丰度多下降（宿主对氯较敏感或较少受保护）。

快速砂滤：各基因及16S rDNA无显著LRV变化（median LRV 0–0.17），16S rDNA略增提示滤料生物膜脱落或细菌再生长部分抵消物理截留；细颗粒（1–3、3–10 μm）削减与sul2等LRV呈负向关联，表明截留部分颗粒结合态ARGs／MGEs，sul1和sul2 LRV与16S rDNA LRV正相关说明其归趋紧密关联于菌体变化。

末端加氯：平均投氯0.23 mg Cl₂/L，较高pH使OCl^?为主且菌群已为耐氯种群，各目标基因及16S rDNA均无显著进一步降低；intI1?LRV与投氯量负相关（剂量略增可削减MGEs），tetG及intI1 LRV与16S rDNA LRV呈负向关联暗示基因相对富集，intI1相对丰度升高提示出厂水仍具HGT潜力。

3.3 处理流程中ARG持续存留的潜在驱动因子

各单元出水PCA与相关分析显示：原水中ARGs（尤其sul1、tetG）与intI1、16S rDNA及细颗粒共聚，主要为菌及颗粒结合态。混凝—沉淀后残存sul1、tetG仍与浊度及1–3、3–10 μm颗粒正相关，intI1与颗粒负相关说明其颗粒态优先去除。中间加氯后sul1与intI1共聚且与颗粒、余氯正相关，提示sul1—intI1常共存于耐氯颗粒结合态菌体；tetG转为与大颗粒及UV₂₆₀（DOM指示）正相关而与菌丰度负相关，倾向胞外DNA受颗粒/DOM保护。砂滤后ARGs颗粒关联减弱，sul1与类色氨酸荧光峰（Peak 4）、sul2与类腐殖酸荧光峰（Peak 3）正相关，表明转为DOM结合及浮游菌相关形式。末端加氯出厂水中sul1仍与1–3 μm颗粒及16S rDNA正相关（耐氯菌宿主），sul2、tetG与DOC正相关（DOM结合／非细胞形式）。细颗粒（尤其是1–3 μm）及DOM（类蛋白与类腐殖质）是出厂水ARG持续存留潜在驱动因子。

四、讨论与结论翻译

研究表明原水为ARGs主要输入源（可达10⁶copies/L），出厂水ARG水平与原水无显著关联，处理工艺及同期水质变化为其持续存留主要决定因素。整体处理实现ARGs显著削减（LRV 2.1–3.6），但出厂水仍可检出约10⁴copies/L且相对丰度升高，反映携ARGs菌选择性存活或胞外ARGs持续存留。混凝—沉淀通过共沉颗粒结合态菌及有机物去除＞90% ARGs拷贝；中间加氯效果最佳（LRV 0.53–2.4），较高投氯量及偏低pH促进强氧化性HOCl生成从而增强对携ARGs菌及胞外DNA氧化损伤；末端加氯因较高pH致弱反应性OCl^?占优及耐氯菌群筛选而追加去除有限，intI1相对丰度甚至升高。沿处理流程sul1与intI1逐渐脱离颗粒结合态但仍共现（可能共位于Ⅰ类整合子保守区），sul2与tetG渐呈DOM关联且倾向非细胞形式。降低细颗粒（特别是1–3 μm与3–10 μm）并优化滤池反冲洗频次强度抑制生物膜及细菌释放，及考虑末端加氯联用高级氧化工艺削减耐氯携ARGs菌与DOM结合胞外ARGs，有望强化出厂水ARGs风险控制。

（注：以上解读严格依据原文内容浓缩，未引入外部推测信息，专业术语首次出现标注英文缩写，上标下标按原文以标记，去除引文标号及图表指引。）