硝化污泥对抗菌药物共代谢去除的研究进展*

刘梦梦 郭 宁 刘雨昊 朱兆亮

(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东 济南 250101)

随着经济技术的发展,抗菌药物滥用问题日益严峻,由此引起的耐药细菌和耐药基因的污染等问题也备受瞩目。目前,污水中抗菌药物的去除主要通过生物降解法、物理化学法和高级氧化法,其中生物降解法在污水处理厂中应用较广泛,具有处理效率高、运行成本低等优点。国内外专家对抗菌药物生物降解已开展了大量研究。研究表明,污水处理工艺中的活性污泥法对抗菌药物的去除效果有限[1],甚至存在负去除率的情况。近期有研究发现,硝化污泥可实现抗菌药物的共代谢[2]5442,[3]275。然而,硝化污泥对抗菌药物的共代谢过程较复杂,功能菌的作用还没有形成共识,机理还有待进一步研究。本研究系统阐述了硝化污泥中不同类型抗菌药物的共代谢去除作用,结合国内外研究进展,总结了氨氧化微生物在抗菌药物共代谢中的作用,阐述了抗菌药物共代谢过程中耐药基因的归趋,以期为有效去除抗菌药物提供科学的理论依据。

1 抗菌药物的共代谢

硝化污泥中氨氧化微生物氨单加氧酶亚基A(amoA)编码的非特异性氨单加氧酶(AMO)基质利用范围较广,可在生长底物存在的条件下,提高非生长底物的降解速率,实现难降解污染物的共代谢[4-5]。抗菌药物通常以微量浓度存在于生物处理系统中[6],对氨氧化微生物的抑制作用有限,使得共代谢作为硝化污泥中抗菌药物降解的主要途径成为可能。近年来,很多研究表明,硝化污泥可有效促进多种抗菌药物降解[7-9],并且操作因素对抗菌药物的去除效果有显著影响。本研究主要综述了大环内酯类、磺胺类、β-内酰胺类抗菌药物的共代谢去除效果及其影响因素。

1.1 大环内酯类

大环内酯类抗菌药物包括红霉素、罗红霉素等。MARTINEZ QUINTELA等[10]研究表明,硝化污泥中红霉素、罗红霉素生物降解的主要机制是共代谢。据报道,硝化污泥中影响大环内酯类抗菌药物共代谢的因素有温度、水力停留时间(HRT)。FERNANDEZ FONTAINA等[2]5441认为,硝化污泥中红霉素、罗红霉素的生物降解率较低与采样期较低的温度(17～20 ℃)、过长的HRT有关。不同类型抗菌药物的适宜温度不同,而适宜温度会促进抗菌药物的溶解、提高微生物的活性、改变微生物的生长速率及群落结构[11-12],从而影响抗菌药物的去除。

1.2 磺胺类

磺胺类抗菌药物包括磺胺甲恶唑、磺胺嘧啶等。研究表明,硝化污泥中氨氧化微生物能共代谢磺胺类抗菌药物。如通过硝化污泥的共代谢作用,磺胺甲恶唑被降解为N4-乙酰基-磺胺甲恶唑、4-硝基-磺胺甲恶唑和脱氨基-磺胺甲恶唑,磺胺嘧啶的去除率高达99%[13]。另外,温度、pH、污泥停留时间(SRT)、HRT是影响磺胺类抗菌药物降解的重要因素。SUAREZ等[14]发现,与14～18 ℃相比,磺胺甲恶唑在18～23 ℃下的降解率提高了30%。pH通过影响微生物的生理特性、污染物的理化性质等进而影响抗菌药物的降解程度。TADKAEW等[15]发现,当pH为5～7时,磺胺甲恶唑去除率高达90%,之后随pH的增加而降低。SRT表示微生物在硝化污泥中的平均停留时间,与微生物的生长速率有关,控制微生物群落的多样性。XIA等[16]36研究SRT对抗菌药物去除和微生物群落结构的影响时发现,较长的SRT(30 d以上)是去除磺胺甲恶唑、磺胺嘧啶的适宜操作条件。PENG等[17]470证实,随着HRT从8 h延长到96 h,出水磺胺甲恶唑浓度提高。产生这种现象的原因可归因于较长的HRT导致底物氨氮负荷率降低,从而造成磺胺甲恶唑的去除率降低。此外,SRT和HRT是紧密联系的,寻找去除硝化污泥中磺胺类抗菌药物的最佳SRT和HRT也是一个很大的挑战。

生长底物是为氨氧化微生物提供能量来源的物质(主要为氨氮),其对磺胺类抗菌药物共代谢的影响也早有研究。如PENG等[17]465发现,磺胺甲恶唑的去除率随进水氨氮浓度的增加而提高。然而,过高浓度的氨氮会抑制抗菌药物的共代谢[2]5434,[18]。共代谢过程中生长底物和非生长底物会发生竞争(即氨氮和抗菌药物的竞争),当生长底物的浓度远高于非生长底物时,非生长底物的去除会受到明显的抑制,因此非生长底物与生长底物的浓度比保持在一定范围内有助于获得最高的共代谢效能。

1.3 β-内酰胺类

β-内酰胺类抗菌药物主要有头孢氨苄、氨苄青霉素、阿莫西林等。WANG等[3]280发现,强化硝化污泥中头孢氨苄的去除归功于氨氧化微生物的共代谢。SRT是影响β-内酰胺类抗菌药物共代谢的重要因素。如XIA等[16]39发现,较长的SRT(30 d以上)可有效去除氨苄青霉素,当SRT从30 d调整为10 d时,氨苄青霉素的去除率下降。因此,明确硝化污泥中抗菌药物共代谢过程的关键影响因素,可优化抗菌药物去除效果,从而减少抗菌药物及其降解产物对环境的危害。

1.4 影响因素

硝化污泥中抗菌药物共代谢去除的主要影响因素见表1。

2 氨氧化微生物在抗菌药物共代谢去除过程中的作用

氨氧化微生物包括氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)。目前,AOB和AOA共存已在水处理系统中得到了证实,但它们在污染物去除过程中的贡献和作用仍存在争议。如在各种类型的湿地中发现,AOA丰度往往超过AOB一个数量级,并且一些AOA菌株的氨氮的半饱和常数远低于AOB,表明AOA对基质有更大的亲和力,比AOB具有竞争优势[21-24]。相比之下,在大多数污水处理厂中,AOB作为氨氧化作用的驱动力,其丰度比AOA高3个数量级。以上差异可能是由于AOA比AOB更能适应极端条件,如低氨氮、低pH、高毒性等。硝化污泥中以AOB为主要驱动力的氨氧化微生物已被证实共代谢各种抗菌药物[25]。如KASSOTAKI等[26]115证实,AOB分泌的AMO能共代谢去除磺胺甲恶唑。硝化污泥中抗菌药物的共代谢与AOB的硝化速率存在着显著关系[27]。FERNANDEZ FONTAINA等[2]5439观察到,在硝化污泥中抗菌药物受硝化速率的影响较大,当最低比硝化速率为0.12 g/(g·d)时,抗菌药物的生物降解率最低。这是因为AOB硝化速率的提高增强了AOB的生物活性,从而促进AOB产生更多AMO,更多的AMO在进行氨氧化时能更有效促进抗菌药物的共代谢[2]5442,[26]111。

以AOA为主要驱动力的系统也可共代谢抗菌药物。在海岸湿地中,AOA可促进氨基糖苷类(链霉素)和青霉素的共代谢,且受到的影响较弱,相比之下,抗菌药物的存在显著抑制了AOB的活性[28]。另外,有研究发现,AOA促进了四环素的共代谢,而AOB的amoA基因在低浓度四环素下丰度较高,在高浓度四环素下丰度较低,这说明高浓度四环素产生了较强的毒性,抑制了AOB的活性,而AOA具有更强的毒性抗压能力[29]。值得注意的是,废水处理系统中AOA或AOB的高丰度不一定反映它们在氨氧化作用中的优势。如JIA等[30]发现,AOA的amoA基因丰度比AOB更高,但借助分子生物学技术发现,AOB在氨氧化中起主导作用,而不是AOA。同样DI等[31]观察到,AOA的丰度与AOB几乎相等,但随着氨氮浓度的增加,只有AOB的amoA基因丰度增加了3～10倍。AOA和AOB中amoA基因的表达量可作为AOA和AOB活性的生物标志物,因此可通过测定amoA基因的表达量确定抗菌药物共代谢过程中AOA和AOB的作用。如WANG等[3]275发现,加入低浓度的头孢氨苄,AOB的amoA基因表达量上升,头孢氨苄去除后,amoA基因表达量恢复正常,这说明AOB促进了头孢氨苄的去除。

表1 硝化污泥中抗菌药物共代谢去除的主要影响因素Table 1 Major factors influencing the co-metabolic removal of antimicrobial agents in nitrifying sludge systems

综上,硝化污泥中AOA和AOB共存,在不同条件下共代谢抗菌药物,但共代谢机理还有待进一步研究,如AOA和AOB分泌的AMO针对不同的抗菌药物的活性位点、所参与的基团等,这对于深入了解抗菌药物的共代谢去除和污水处理厂的稳定运行具有重要意义。

3 抗菌药物共代谢过程中耐药基因的归趋

耐药基因作为一种新兴环境污染物,能在不同环境介质及物种间传播、扩散,其存在的潜在环境风险远高于抗菌药物。WANG等[32]考察了硝化污泥中三氯生对耐药基因的归趋影响,并测定了移动基因元件的丰度。移动基因元件可促进耐药基因在微生物之间的水平转移,而水平转移是耐药基因传播的重要途径。结果发现,三氯生的加入促进了多种耐药基因的富集,包括烯酰酰基载体蛋白还原酶编码基因(fabI、fabI1)和外排泵编码基因(mexF)。另外三氯生的投加还提高了移动基因元件整合子基因(intI1、intI3)和转座子基因(IS613)的丰度,从而会促进耐药基因的水平转移。同样WANG等[33]研究了四环素对硝化污泥中四环素抗性基因(tetA、tetM、tetX)的影响,结果表明：加入20 mg/L的四环素后,tetA、tetM、tetX基因的丰度提高了2～4个数量级,并且intI1基因的丰度也显著提高;通过将耐药基因丰度与微生物菌属丰度进行相关性分析发现,硝化螺旋菌属(Nitrospira)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)是携带耐药基因的耐药菌,维持了系统的稳定运行。SHENG等[34]发现,四环素的加入提高了四环素抗性基因(tetD、tetG、tetQ、tetO)和intI1基因的丰度,并且只有在较高质量浓度(1、10 mg/L)的四环素下,tetO基因才被检测出来,说明四环素促进了耐药基因的富集。

综上,硝化污泥中抗菌药物的加入会促进耐药基因的富集,提高耐药基因转移传播的风险。但在抗菌药物共代谢去除过程中,耐药基因的转移机制仍不明确,耐药基因传播可通过垂直和水平转移,目前关于两者在耐药基因传播过程中的作用和贡献的研究较少,需要对硝化污泥共代谢去除抗菌药物过程中耐药基因的转移机制进行研究,才能为耐药基因的控制提供科学参考。

4 总结及展望

系统综述了硝化污泥中不同类型抗菌药物的共代谢去除,结合国内外研究进展,介绍了氨氧化微生物在抗菌药物共代谢中的作用,并阐述了抗菌药物共代谢过程中耐药基因的归趋。然而,硝化污泥共代谢去除抗菌药物机制较复杂,硝化污泥出水中含有大量的耐药基因,因此实现有效的抗菌药物去除和去除过程中减少耐药基因的产生依然存在问题和挑战。为有效去除抗菌药物和耐药基因,今后的研究应集中在以下方面：(1)探究AOA/AOB分泌的AMO和抗菌药物反应的活性位点,确认反应所参与的基团,优化反应条件,提高共代谢效能。(2)研究硝化污泥中抗菌药物的共代谢产物,明确降解路径,揭示抗菌药物的共代谢机理。(3)探讨硝化污泥中水平和垂直转移对耐药基因丰度的影响,开展耐药基因在污水和活性污泥微生物间转移机制的研究,总结影响耐药基因丰度的主要因素,并优化共代谢过程,保证抗菌药物高效去除的前提下减少耐药基因的产生。(4)对硝化污泥出水中的耐药基因进行监测,并开发有效的技术去除出水中的耐药基因。