硝化污泥對抗菌藥物共代謝去除的研究進展*

劉夢夢 郭 寧 劉雨昊 朱兆亮

(山東建筑大學市政與環境工程學院,山東 濟南 250101)

隨著經濟技術的發展,抗菌藥物濫用問題日益嚴峻,由此引起的耐藥細菌和耐藥基因的污染等問題也備受矚目。目前,污水中抗菌藥物的去除主要通過生物降解法、物理化學法和高級氧化法,其中生物降解法在污水處理廠中應用較廣泛,具有處理效率高、運行成本低等優點。國內外專家對抗菌藥物生物降解已開展了大量研究。研究表明,污水處理工藝中的活性污泥法對抗菌藥物的去除效果有限[1],甚至存在負去除率的情況。近期有研究發現,硝化污泥可實現抗菌藥物的共代謝[2]5442,[3]275。然而,硝化污泥對抗菌藥物的共代謝過程較復雜,功能菌的作用還沒有形成共識,機理還有待進一步研究。本研究系統闡述了硝化污泥中不同類型抗菌藥物的共代謝去除作用,結合國內外研究進展,總結了氨氧化微生物在抗菌藥物共代謝中的作用,闡述了抗菌藥物共代謝過程中耐藥基因的歸趨,以期為有效去除抗菌藥物提供科學的理論依據。

1 抗菌藥物的共代謝

硝化污泥中氨氧化微生物氨單加氧酶亞基A(amoA)編碼的非特異性氨單加氧酶(AMO)基質利用范圍較廣,可在生長底物存在的條件下,提高非生長底物的降解速率,實現難降解污染物的共代謝[4-5]。抗菌藥物通常以微量濃度存在于生物處理系統中[6],對氨氧化微生物的抑制作用有限,使得共代謝作為硝化污泥中抗菌藥物降解的主要途徑成為可能。近年來,很多研究表明,硝化污泥可有效促進多種抗菌藥物降解[7-9],并且操作因素對抗菌藥物的去除效果有顯著影響。本研究主要綜述了大環內酯類、磺胺類、β-內酰胺類抗菌藥物的共代謝去除效果及其影響因素。

1.1 大環內酯類

大環內酯類抗菌藥物包括紅霉素、羅紅霉素等。MARTINEZ QUINTELA等[10]研究表明,硝化污泥中紅霉素、羅紅霉素生物降解的主要機制是共代謝。據報道,硝化污泥中影響大環內酯類抗菌藥物共代謝的因素有溫度、水力停留時間(HRT)。FERNANDEZ FONTAINA等[2]5441認為,硝化污泥中紅霉素、羅紅霉素的生物降解率較低與采樣期較低的溫度(17～20 ℃)、過長的HRT有關。不同類型抗菌藥物的適宜溫度不同,而適宜溫度會促進抗菌藥物的溶解、提高微生物的活性、改變微生物的生長速率及群落結構[11-12],從而影響抗菌藥物的去除。

1.2 磺胺類

磺胺類抗菌藥物包括磺胺甲惡唑、磺胺嘧啶等。研究表明,硝化污泥中氨氧化微生物能共代謝磺胺類抗菌藥物。如通過硝化污泥的共代謝作用,磺胺甲惡唑被降解為N4-乙酰基-磺胺甲惡唑、4-硝基-磺胺甲惡唑和脫氨基-磺胺甲惡唑,磺胺嘧啶的去除率高達99%[13]。另外,溫度、pH、污泥停留時間(SRT)、HRT是影響磺胺類抗菌藥物降解的重要因素。SUAREZ等[14]發現,與14～18 ℃相比,磺胺甲惡唑在18～23 ℃下的降解率提高了30%。pH通過影響微生物的生理特性、污染物的理化性質等進而影響抗菌藥物的降解程度。TADKAEW等[15]發現,當pH為5～7時,磺胺甲惡唑去除率高達90%,之后隨pH的增加而降低。SRT表示微生物在硝化污泥中的平均停留時間,與微生物的生長速率有關,控制微生物群落的多樣性。XIA等[16]36研究SRT對抗菌藥物去除和微生物群落結構的影響時發現,較長的SRT(30 d以上)是去除磺胺甲惡唑、磺胺嘧啶的適宜操作條件。PENG等[17]470證實,隨著HRT從8 h延長到96 h,出水磺胺甲惡唑濃度提高。產生這種現象的原因可歸因于較長的HRT導致底物氨氮負荷率降低,從而造成磺胺甲惡唑的去除率降低。此外,SRT和HRT是緊密聯系的,尋找去除硝化污泥中磺胺類抗菌藥物的最佳SRT和HRT也是一個很大的挑戰。

生長底物是為氨氧化微生物提供能量來源的物質(主要為氨氮),其對磺胺類抗菌藥物共代謝的影響也早有研究。如PENG等[17]465發現,磺胺甲惡唑的去除率隨進水氨氮濃度的增加而提高。然而,過高濃度的氨氮會抑制抗菌藥物的共代謝[2]5434,[18]。共代謝過程中生長底物和非生長底物會發生競爭(即氨氮和抗菌藥物的競爭),當生長底物的濃度遠高于非生長底物時,非生長底物的去除會受到明顯的抑制,因此非生長底物與生長底物的濃度比保持在一定范圍內有助于獲得最高的共代謝效能。

1.3 β-內酰胺類

β-內酰胺類抗菌藥物主要有頭孢氨芐、氨芐青霉素、阿莫西林等。WANG等[3]280發現,強化硝化污泥中頭孢氨芐的去除歸功于氨氧化微生物的共代謝。SRT是影響β-內酰胺類抗菌藥物共代謝的重要因素。如XIA等[16]39發現,較長的SRT(30 d以上)可有效去除氨芐青霉素,當SRT從30 d調整為10 d時,氨芐青霉素的去除率下降。因此,明確硝化污泥中抗菌藥物共代謝過程的關鍵影響因素,可優化抗菌藥物去除效果,從而減少抗菌藥物及其降解產物對環境的危害。

1.4 影響因素

硝化污泥中抗菌藥物共代謝去除的主要影響因素見表1。

2 氨氧化微生物在抗菌藥物共代謝去除過程中的作用

氨氧化微生物包括氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細菌(AOB)。目前,AOB和AOA共存已在水處理系統中得到了證實,但它們在污染物去除過程中的貢獻和作用仍存在爭議。如在各種類型的濕地中發現,AOA豐度往往超過AOB一個數量級,并且一些AOA菌株的氨氮的半飽和常數遠低于AOB,表明AOA對基質有更大的親和力,比AOB具有競爭優勢[21-24]。相比之下,在大多數污水處理廠中,AOB作為氨氧化作用的驅動力,其豐度比AOA高3個數量級。以上差異可能是由于AOA比AOB更能適應極端條件,如低氨氮、低pH、高毒性等。硝化污泥中以AOB為主要驅動力的氨氧化微生物已被證實共代謝各種抗菌藥物[25]。如KASSOTAKI等[26]115證實,AOB分泌的AMO能共代謝去除磺胺甲惡唑。硝化污泥中抗菌藥物的共代謝與AOB的硝化速率存在著顯著關系[27]。FERNANDEZ FONTAINA等[2]5439觀察到,在硝化污泥中抗菌藥物受硝化速率的影響較大,當最低比硝化速率為0.12 g/(g·d)時,抗菌藥物的生物降解率最低。這是因為AOB硝化速率的提高增強了AOB的生物活性,從而促進AOB產生更多AMO,更多的AMO在進行氨氧化時能更有效促進抗菌藥物的共代謝[2]5442,[26]111。

以AOA為主要驅動力的系統也可共代謝抗菌藥物。在海岸濕地中,AOA可促進氨基糖苷類(鏈霉素)和青霉素的共代謝,且受到的影響較弱,相比之下,抗菌藥物的存在顯著抑制了AOB的活性[28]。另外,有研究發現,AOA促進了四環素的共代謝,而AOB的amoA基因在低濃度四環素下豐度較高,在高濃度四環素下豐度較低,這說明高濃度四環素產生了較強的毒性,抑制了AOB的活性,而AOA具有更強的毒性抗壓能力[29]。值得注意的是,廢水處理系統中AOA或AOB的高豐度不一定反映它們在氨氧化作用中的優勢。如JIA等[30]發現,AOA的amoA基因豐度比AOB更高,但借助分子生物學技術發現,AOB在氨氧化中起主導作用,而不是AOA。同樣DI等[31]觀察到,AOA的豐度與AOB幾乎相等,但隨著氨氮濃度的增加,只有AOB的amoA基因豐度增加了3～10倍。AOA和AOB中amoA基因的表達量可作為AOA和AOB活性的生物標志物,因此可通過測定amoA基因的表達量確定抗菌藥物共代謝過程中AOA和AOB的作用。如WANG等[3]275發現,加入低濃度的頭孢氨芐,AOB的amoA基因表達量上升,頭孢氨芐去除后,amoA基因表達量恢復正常,這說明AOB促進了頭孢氨芐的去除。

表1 硝化污泥中抗菌藥物共代謝去除的主要影響因素Table 1 Major factors influencing the co-metabolic removal of antimicrobial agents in nitrifying sludge systems

綜上,硝化污泥中AOA和AOB共存,在不同條件下共代謝抗菌藥物,但共代謝機理還有待進一步研究,如AOA和AOB分泌的AMO針對不同的抗菌藥物的活性位點、所參與的基團等,這對于深入了解抗菌藥物的共代謝去除和污水處理廠的穩定運行具有重要意義。

3 抗菌藥物共代謝過程中耐藥基因的歸趨

耐藥基因作為一種新興環境污染物,能在不同環境介質及物種間傳播、擴散,其存在的潛在環境風險遠高于抗菌藥物。WANG等[32]考察了硝化污泥中三氯生對耐藥基因的歸趨影響,并測定了移動基因元件的豐度。移動基因元件可促進耐藥基因在微生物之間的水平轉移,而水平轉移是耐藥基因傳播的重要途徑。結果發現,三氯生的加入促進了多種耐藥基因的富集,包括烯酰酰基載體蛋白還原酶編碼基因(fabI、fabI1)和外排泵編碼基因(mexF)。另外三氯生的投加還提高了移動基因元件整合子基因(intI1、intI3)和轉座子基因(IS613)的豐度,從而會促進耐藥基因的水平轉移。同樣WANG等[33]研究了四環素對硝化污泥中四環素抗性基因(tetA、tetM、tetX)的影響,結果表明：加入20 mg/L的四環素后,tetA、tetM、tetX基因的豐度提高了2～4個數量級,并且intI1基因的豐度也顯著提高;通過將耐藥基因豐度與微生物菌屬豐度進行相關性分析發現,硝化螺旋菌屬(Nitrospira)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)是攜帶耐藥基因的耐藥菌,維持了系統的穩定運行。SHENG等[34]發現,四環素的加入提高了四環素抗性基因(tetD、tetG、tetQ、tetO)和intI1基因的豐度,并且只有在較高質量濃度(1、10 mg/L)的四環素下,tetO基因才被檢測出來,說明四環素促進了耐藥基因的富集。

綜上,硝化污泥中抗菌藥物的加入會促進耐藥基因的富集,提高耐藥基因轉移傳播的風險。但在抗菌藥物共代謝去除過程中,耐藥基因的轉移機制仍不明確,耐藥基因傳播可通過垂直和水平轉移,目前關于兩者在耐藥基因傳播過程中的作用和貢獻的研究較少,需要對硝化污泥共代謝去除抗菌藥物過程中耐藥基因的轉移機制進行研究,才能為耐藥基因的控制提供科學參考。

4 總結及展望

系統綜述了硝化污泥中不同類型抗菌藥物的共代謝去除,結合國內外研究進展,介紹了氨氧化微生物在抗菌藥物共代謝中的作用,并闡述了抗菌藥物共代謝過程中耐藥基因的歸趨。然而,硝化污泥共代謝去除抗菌藥物機制較復雜,硝化污泥出水中含有大量的耐藥基因,因此實現有效的抗菌藥物去除和去除過程中減少耐藥基因的產生依然存在問題和挑戰。為有效去除抗菌藥物和耐藥基因,今后的研究應集中在以下方面：(1)探究AOA/AOB分泌的AMO和抗菌藥物反應的活性位點,確認反應所參與的基團,優化反應條件,提高共代謝效能。(2)研究硝化污泥中抗菌藥物的共代謝產物,明確降解路徑,揭示抗菌藥物的共代謝機理。(3)探討硝化污泥中水平和垂直轉移對耐藥基因豐度的影響,開展耐藥基因在污水和活性污泥微生物間轉移機制的研究,總結影響耐藥基因豐度的主要因素,并優化共代謝過程,保證抗菌藥物高效去除的前提下減少耐藥基因的產生。(4)對硝化污泥出水中的耐藥基因進行監測,并開發有效的技術去除出水中的耐藥基因。