水廠處理工藝對(duì)典型抗性細(xì)菌和抗性基因的去除效能分析

彭愛(ài)倫,徐祖鈞,高明昌,李紅蘭,邱立平

(1.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院,山東濟(jì)南 250022;2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,山東濟(jì)南 250022;3.山東省功能材料水質(zhì)凈化工程技術(shù)研究中心,山東濟(jì)南 250022;4.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)

抗生素的頻繁使用導(dǎo)致其在不同水體中均有不同程度的檢出[1-2]。由于抗生素的過(guò)度使用和不完全代謝,誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗性細(xì)菌和抗性基因可以在環(huán)境持久留存并擴(kuò)散傳播,嚴(yán)重危害飲用水安全和公共健康[3-4],抗性細(xì)菌和抗性基因的潛在風(fēng)險(xiǎn)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。

黃河中下游由于周邊農(nóng)業(yè)[6]、養(yǎng)殖業(yè)[7]等快速發(fā)展,黃河中下游流域抗生素被頻繁檢出[8]。當(dāng)?shù)厮畯S以黃河水作為飲用水原水,導(dǎo)致抗生素可能會(huì)進(jìn)入水廠。水廠作為保障居民用水安全的主要屏障之一[9],了解水廠對(duì)抗性細(xì)菌和抗性基因的去除效果十分必要。因此,本研究選取黃河中下游地區(qū)某市以黃河水為原水的A、B兩個(gè)水廠為研究對(duì)象,分析水廠不同處理單元對(duì)典型抗性細(xì)菌和抗性基因的去除效果,主要包括:對(duì)比分析可培養(yǎng)總細(xì)菌、阿莫西林(AMX)抗性細(xì)菌和磺胺甲惡唑(SMZ)抗性細(xì)菌,以及2種磺胺類(lèi)抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)、1種β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗性基因(blaCTX-M)、整合子基因(intⅠ1)、16S rDNA基因在不同水處理單元中的去除效果。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可以為水廠的優(yōu)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑

試驗(yàn)所用SMZ(USP)、AMX(USP)、酪蛋白氨基酸(BR)和丙酮酸鈉(BR)均購(gòu)于源葉生物科技,葡萄糖(AR)購(gòu)于天津大茂化學(xué)試劑,可溶性淀粉(GR)購(gòu)于天津科密歐化學(xué)試劑,瓊脂粉(BR)、牛肉膏(BR)和蛋白胨(BR)購(gòu)于北京奧博星,酵母提取物(AR)和胰蛋白胨(BR)購(gòu)于英國(guó)OXOID,E.Z.N.A Soil DNA Kit(50 preps)購(gòu)于美國(guó)Omega,pGM-T克隆試劑盒(20 preps)和質(zhì)粒小提中量試劑盒(50 preps)購(gòu)于中國(guó)天根生化科技,TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0(50 preps)購(gòu)于日本TaKaRa。

1.2 水廠工藝與采樣方案

1.2.1 水廠工藝

本研究選取黃河下游某市A、B兩水廠為研究對(duì)象,兩水廠的水源水都來(lái)自于黃河某調(diào)蓄水庫(kù)。A、B兩水廠處理工藝如圖1所示。A水廠采用包括混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒的飲用水常規(guī)處理工藝,B水廠除常規(guī)處理工藝外,還在V型濾池前設(shè)置了臭氧+活性炭池工藝。兩水廠的最終出水水質(zhì)均可穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)的要求。

圖1 A、B水廠處理工藝

1.2.2 采樣方案

本試驗(yàn)的采樣時(shí)間為6月(夏季)、10月(秋季)及12月(冬季),避開(kāi)雨天及溫差較大的時(shí)間。選用10 L聚乙烯塑料桶作為采樣容器,消毒并用自來(lái)水沖洗,采樣前用待采水反復(fù)沖洗。取樣點(diǎn)分別為兩水廠混凝沉淀單元(A水廠折板絮凝+平流沉淀池,B水廠中置式高密度沉淀池)、臭氧氧化單元(B水廠臭氧接觸池)、過(guò)濾單元(A水廠V型濾池,B水廠活性炭池+V型濾池)、消毒單元(A水廠加氯消毒單元,B水廠加氯消毒單元)進(jìn)出水口。

1.3 試驗(yàn)檢測(cè)方法

1.3.1 細(xì)菌檢測(cè)方法

SMZ抗性細(xì)菌和AMX抗性細(xì)菌含量檢測(cè)方法:取50～100 μL稀釋后的水樣均勻涂布于64 mg/L SMZ R2A培養(yǎng)基和16 mg/L AMX R2A培養(yǎng)基[10],37 ℃下培養(yǎng)72 h,試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值,分別計(jì)算AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌在水中的含量。

可培養(yǎng)總細(xì)菌量檢測(cè)方法:取50～100 μL稀釋后的水樣均勻涂布于無(wú)抗生素R2A培養(yǎng)基,在37 ℃下培養(yǎng)72 h,試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值,計(jì)算總細(xì)菌在水中的含量。

1.3.2 抗性基因檢測(cè)方法

本試驗(yàn)選取sulⅠ、sulⅡ和blaCTX-M為目標(biāo)基因,選取16S rDNA為參照基因。因?yàn)榛前奉?lèi)和blaCTX-M的傳播與Ⅰ型整合子顯著相關(guān)[11-12],所以試驗(yàn)測(cè)試intⅠ1作為參考。目標(biāo)引物序列如表1所示[11,13-14]。PCR反應(yīng)結(jié)束后采用超微量分光光度測(cè)定濃度并分析。

表1 目標(biāo)引物序列

水樣中抗性基因的絕對(duì)定量和相對(duì)定量計(jì)算如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中:C——水樣中抗性基因的絕對(duì)量,mL-1;

C1——模板拷貝數(shù),μL-1;

V1——DNA模板總量,μL;

V2——水樣體積,mL;

C2——16S rDNA的絕對(duì)量,μL-1;

C′——水樣中抗性基因的相對(duì)量。

2 常規(guī)給水處理單元對(duì)抗性細(xì)菌和抗性基因去除效果

2.1 混凝沉淀單元

2.1.1 對(duì)抗性細(xì)菌的去除效果

水廠混凝沉淀過(guò)程可以通過(guò)絮體包裹和直接凝聚等作用實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌的有效去除[15-16]。如圖2所示,兩水廠混凝單元對(duì)3類(lèi)細(xì)菌均具有一定去除效果,去除率為8.00%～52.85%,但是整體去除效能有限,且去除效能受季節(jié)變化影響明顯。A水廠對(duì)總細(xì)菌和AMX抗性細(xì)菌的去除效率在秋季明顯高于夏冬季節(jié),但是對(duì)SMZ抗性細(xì)菌的去除效率隨溫度降低逐漸降低。B水廠中置式高密度沉淀池在夏冬季節(jié)對(duì)各類(lèi)細(xì)菌的去除率明顯優(yōu)于秋季,特別是夏季對(duì)SMZ抗性細(xì)菌的去除率達(dá)到78.54%。上述結(jié)果與原水在沉淀池的停留時(shí)間以及絮凝劑的種類(lèi)和投加量有關(guān)[17]。類(lèi)似的研究結(jié)果在劉善培等[15]的研究中也有報(bào)道,研究發(fā)現(xiàn)北方某水廠沉淀單元對(duì)細(xì)菌總數(shù)的去除率在50%～70%,說(shuō)明常規(guī)混凝沉淀工藝對(duì)抗性細(xì)菌的去除效能有限。

圖2 混凝沉淀單元對(duì)抗性細(xì)菌去除效果

2.1.2 對(duì)抗性基因的去除效果

A、B水廠混凝沉淀單元對(duì)sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果如圖3所示,兩種混凝單元對(duì)抗性基因的去除效果不明顯,基本低于0.3log。兩水廠混凝沉淀對(duì)sulⅠ與blaCTX-M的去除率隨著溫度的降低呈下降的趨勢(shì),對(duì)sulⅡ的去除率隨著溫度的降低呈先下降后上升的趨勢(shì),B水廠對(duì)這3種抗性基因的去除效果略?xún)?yōu)于A水廠,但去除率仍在0.3log以下。兩水廠混凝沉淀對(duì)intⅠ1的去除率較低,年平均去除率分別為0.09log與0.01log。16S rDNA基因的去除率均隨著溫度的降低呈先降低后升高的趨勢(shì),A水廠冬季時(shí)去除率最高,為0.22 log,B水廠夏季時(shí)去除率最高,為0.43 log。Zhang等[18]研究了實(shí)際水廠混凝沉淀單元對(duì)抗性基因的去除情況,發(fā)現(xiàn)抗性基因去除效率不足1log,證明了混凝沉淀單元對(duì)抗性基因不能實(shí)現(xiàn)有效去除。

圖3 混凝沉淀單元對(duì)抗性基因去除效果

2.2 臭氧氧化單元

2.2.1 對(duì)典型抗性細(xì)菌的去除效果

試驗(yàn)中還對(duì)B水廠中間臭氧氧化單元對(duì)典型抗性細(xì)菌及抗性基因的去除效果進(jìn)行探究。如圖4所示,臭氧氧化單元對(duì)可培養(yǎng)總細(xì)菌、AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌都有一定的去除效果,且受季節(jié)影響,秋季這3類(lèi)細(xì)菌的去除率均高于夏冬兩季,最高去除率分別為56.35%、71.70%和46.58%。已有文獻(xiàn)[19]報(bào)道臭氧能夠破壞分解胞內(nèi)大分子聚合物,致使細(xì)菌生長(zhǎng)代謝和繁殖遭到破壞。但是由于原水中含有大量有機(jī)物會(huì)競(jìng)爭(zhēng)消耗臭氧[20],B水廠臭氧氧化單元不能完全去除3類(lèi)抗性細(xì)菌。

圖4 臭氧氧化單元對(duì)抗性細(xì)菌去除效果

2.2.2 對(duì)典型抗性基因的去除效果

B水廠臭氧單元對(duì)5類(lèi)抗性基因的去除效果如圖5所示。臭氧氧化單元對(duì)5種基因的去除率為0.22log～0.71log。sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率隨溫度的降低而降低,而sulⅠ的去除率隨著溫度的降低呈先降低后升高的趨勢(shì),在冬季達(dá)到最高,為0.71log。Xia等[21]也探究了臭氧預(yù)處理對(duì)抗性基因去除效果,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對(duì)照反應(yīng)器相比,采用臭氧預(yù)處理技術(shù)的反應(yīng)器抗性基因相對(duì)豐度降低了70%以上。上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明臭氧氧化單元可以有效去除進(jìn)水中抗性基因。

圖5 臭氧氧化單元對(duì)抗性基因去除效果

2.3 過(guò)濾單元

2.3.1 對(duì)抗性細(xì)菌的去除效果

已有文獻(xiàn)[22-23]報(bào)道顯示,水廠過(guò)濾單元對(duì)細(xì)菌去除效果受濾料、溫度等因素影響較大。兩水廠各濾池在不同取樣季節(jié)對(duì)3種可培養(yǎng)細(xì)菌的去除效果如圖6所示,對(duì)3類(lèi)細(xì)菌的去除效果均較差。A水廠可培養(yǎng)總細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌在夏季的去除率最高,AMX抗性細(xì)菌只在秋季具有去除效果,去除率為20.33%。在不同取樣季節(jié),B水廠對(duì)3類(lèi)細(xì)菌都沒(méi)有去除效果。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要有以下兩點(diǎn):(1)濾料上會(huì)吸附有機(jī)物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖,濾料上細(xì)菌生長(zhǎng)率大于濾料截留率,出水細(xì)菌數(shù)量增加;(2)濾池濾料在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)形成生物膜,生物膜脫落后使水中的細(xì)菌數(shù)量增高[24]。Haig等[25]的試驗(yàn)也表明了大腸桿菌的去除率與濾料的使用年限存在顯著負(fù)相關(guān)。同時(shí),B水廠中活性炭池可能存在生物泄漏現(xiàn)象[26],導(dǎo)致出水中抗性細(xì)菌和抗性基因的數(shù)量明顯上升,后續(xù)的V型濾池的處理效果略?xún)?yōu)于活性炭池。

圖6 過(guò)濾單元對(duì)抗性細(xì)菌去除效果

2.3.2 對(duì)抗性基因的去除效果

A、B水廠的過(guò)濾單元中進(jìn)出水抗性基因總數(shù)與去除效果如圖7所示。A水廠過(guò)濾單元對(duì)sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率均隨溫度降低逐漸減少,在冬季基本無(wú)去除效果。B水廠3個(gè)季對(duì)5類(lèi)基因基本無(wú)去除效能。總體而言,兩水廠過(guò)濾單元對(duì)抗性基因去除效果較差,其中B水廠出水中基因數(shù)均超過(guò)進(jìn)水。Guo等[27]的試驗(yàn)也檢測(cè)到砂濾后四環(huán)素類(lèi)抗性基因(tetA和tetO)有所增加。以上現(xiàn)象與抗性細(xì)菌去除效果相類(lèi)似,基因絕對(duì)量隨著宿主細(xì)菌的增加而增加,即基因的子代縱向遺傳和基因的水平轉(zhuǎn)移[28],抗性細(xì)菌的保留也導(dǎo)致了抗性基因的去除效能較差,B水廠中活性炭池和V型濾池對(duì)抗性基因均無(wú)明顯去除效果。

圖7 過(guò)濾單元對(duì)抗性基因去除效果

2.4 消毒單元

2.4.1 對(duì)典型抗性細(xì)菌的去除效果

飲用水廠消毒單元可有效破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu),對(duì)保障飲用水安全具有重要意義[29]。如圖8所示,兩水廠氯消毒單元對(duì)3類(lèi)細(xì)菌均具有良好的去除效果。在不同的取樣季節(jié),A水廠均能對(duì)3類(lèi)細(xì)菌實(shí)現(xiàn)完全去除。B水廠在不同的取樣季節(jié)對(duì)SMZ抗性細(xì)菌去除率為100%,可培養(yǎng)總細(xì)菌和AMX抗性細(xì)菌在秋冬兩季基本實(shí)現(xiàn)完全去除。由此可見(jiàn),消毒單元作為水廠的末端保障,可以有效消殺出廠水中的細(xì)菌[30]。

圖8 消毒單元對(duì)抗性細(xì)菌去除效果

2.4.2 對(duì)典型抗性基因的去除效果

氯消毒單元可有效去除水中細(xì)菌類(lèi)污染,但對(duì)抗性基因類(lèi)去除效能尚未可知,因此,考察了A、B兩水廠對(duì)sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果,結(jié)果如圖9所示。隨溫度下降,A水廠5類(lèi)基因去除率呈先下降后上升趨勢(shì),B水廠除16S rDNA和blaCTX-M外呈上升趨勢(shì),且B水廠的去除效能略?xún)?yōu)于A水廠,抗性基因平均去除率在0.80log以上。由于基因的基礎(chǔ)量不同,消毒單元對(duì)16S rDNA的去除率顯著高于其他基因。已有文獻(xiàn)也證實(shí)消毒單元對(duì)抗性基因具有較好的去除效果,Xu等[23]發(fā)現(xiàn)錢(qián)塘江飲用水處理廠一和廠二加氯消毒單元對(duì)抗性基因的平均去除率分別為95.2%和96.63%。

圖9 消毒單元對(duì)抗性基因去除效果

從上述分析可知,經(jīng)過(guò)水廠全工藝流程的處理后,A、B兩水廠進(jìn)水中3類(lèi)細(xì)菌采用純培養(yǎng)的方法基本檢測(cè)不到,抗性基因的總絕對(duì)豐度從1.64×105～8.29×107mL-1降低到1.76×104～3.50×105mL-1,兩水廠3個(gè)季節(jié)均能使抗性基因的總絕對(duì)豐度降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí),而且B水廠處理效果略?xún)?yōu)于A水廠。A、B兩水廠對(duì)抗性細(xì)菌基本可以實(shí)現(xiàn)完全去除,對(duì)抗性基因也具有良好的去除效果,有效地保障了飲用水安全。

3 結(jié)論

(1)黃河中下游兩飲用水廠混凝沉淀單元對(duì)可培養(yǎng)總細(xì)菌、AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌3類(lèi)細(xì)菌去除率較低,對(duì)sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率基本低于0.3log。過(guò)濾單元受濾池中生物膜影響,對(duì)可培養(yǎng)總細(xì)菌、AMX抗性細(xì)菌和SMZ抗性細(xì)菌,以及sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因基本無(wú)去除效果。

(2)中間臭氧氧化單元對(duì)抗性細(xì)菌和抗性基因具有良好的去除效果,但是在實(shí)際運(yùn)行中由于有機(jī)物對(duì)臭氧的競(jìng)爭(zhēng)消耗,臭氧不能完全去除抗性細(xì)菌和抗性基因。

(3)水廠中的消毒單元對(duì)抗性細(xì)菌和抗性基因具有較好的去除效果,是保障居民飲用水安全的重要工藝。