污水處理廠(chǎng)抗生素處理工藝

　　近來(lái)年, 隨著(zhù)抗生素的大量使用, 人們開(kāi)始逐漸關(guān)注環(huán)境體系中的抗生素、抗性菌和抗性基因的分布及行為特點(diǎn)(Li et al., 2015).我國是抗生素生產(chǎn)與消費的大國, 抗生素的年生產(chǎn)量約為21×104 t, 年人均消費量是美國的10倍(佟娟等, 2012).抗生素的存在是導致細菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一, 細菌一旦產(chǎn)生抗藥性, 又可通過(guò)基因轉移的方式傳播, 導致環(huán)境中抗生素抗性菌的污染逐漸嚴重, 從而對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害(孔德勇, 2015).污水處理廠(chǎng)由于生活污水、醫藥廢水、養殖廢水等的排入, 使得這些污水中的抗生素抗性菌也隨之進(jìn)入.國內外的污水處理廠(chǎng)均檢測出大量抗生素抗性菌的存在, 已經(jīng)成為環(huán)境中抗生素抗性菌的儲存庫(Kim et al., 2007).但同時(shí), 污水處理也是去除抗生素抗性菌及控制抗性傳播的關(guān)鍵環(huán)節(Rijal et al., 2009).

　　目前, 國內外已經(jīng)開(kāi)展了較多關(guān)于污水處理廠(chǎng)抗生素抗性菌的調查分析, 但多集中在污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水中目標抗性菌的分布情況, 對于不同工藝及季節對抗性菌影響的分析較少.Munir等(2011)調研了MBR工藝(Membrane bioreactor, MBR)、傳統工藝(Conventional activated sludge process, CAS)等不同工藝的出水中抗生素抗性菌的數量, 發(fā)現污水處理廠(chǎng)出水中仍含大量抗性菌, 且MBR工藝去除磺胺類(lèi)抗性菌效果更好, 但在去除四環(huán)素抗性菌時(shí)MBR工藝和傳統工藝沒(méi)有顯著(zhù)性差異(p>0.05).相比于傳統工藝, MBR工藝具有運行管理方便、占地面積少、處理水質(zhì)穩定、脫氮效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn).但它對抗生素抗性菌的去除是否表現出絕對優(yōu)勢性, 目前還沒(méi)有明確結論.另外, Yuan和Mackuak等在研究不同季節抗性菌去除效果時(shí)發(fā)現, 春、夏季污水處理廠(chǎng)對抗性菌的去除效果優(yōu)于冬季(Mackuak et al., 2014; Yuan et al., 2014).

　　基于此, 本研究通過(guò)調查無(wú)錫市污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水中抗生素抗性菌的分布情況, 對比不同工藝及不同季節污水處理廠(chǎng)抗生素抗性菌的去除效果, 以了解無(wú)錫市污水處理廠(chǎng)抗生素抗性菌的現狀, 旨在為未來(lái)城市污水處理廠(chǎng)的抗生素抗性菌環(huán)境風(fēng)險評估和優(yōu)化去除提供理論依據和技術(shù)支持.

　　2 實(shí)驗部分(Experiments) 2.1 污水處理廠(chǎng)選取及樣品采集

　　為研究MBR工藝與傳統工藝在去除抗生素抗性菌效果的差異性, 本文選擇位于無(wú)錫市的6座污水處理廠(chǎng), 對其進(jìn)出水中的抗生素抗性菌進(jìn)行調查, 并依次編碼為A、B、C、D、E及F廠(chǎng), 各污水處理廠(chǎng)分別設計3個(gè)采樣點(diǎn)(F廠(chǎng)為2個(gè)采樣點(diǎn))：1號采樣點(diǎn)位為污水處理廠(chǎng)的沉砂池出水(同一個(gè)污水廠(chǎng)的2種水處理工藝進(jìn)水水質(zhì)相同), 即生化池進(jìn)水;2號采樣點(diǎn)位為MBR工藝膜池出水;3號采樣點(diǎn)位為傳統工藝出水, 其中, A廠(chǎng)出水為二沉池出水, E廠(chǎng)出水為轉盤(pán)過(guò)濾器出水, 其它廠(chǎng)均為濾布濾池出水, 且為了減少不同消毒處理工藝帶來(lái)的差異性, 所有出水未經(jīng)過(guò)消毒處理.各污水處理廠(chǎng)情況如表 1所示.其中, MBR工藝均為AAO工藝與膜反應器的組合形式, 膜生物組件采用中空纖維膜, 膜材料為常見(jiàn)的聚偏氟乙烯(PVDF), 孔徑大小 < 0.5 μm, 并采用抽吸泵抽吸的方式運行.膜組件的具體信息如表 2所示.

　　表 1(Table 1)

　　表 1 污水處理廠(chǎng)基本情況

　　表 2(Table 2)

　　表 2 膜組件信息

　　2015年夏季(9月和10月)進(jìn)行2次樣品采集, 2016年冬季(1月、2月和3月)進(jìn)行3次樣品采集.進(jìn)出水樣品各采集50 mL并儲存于無(wú)菌采樣瓶, 樣品采集后立即于4 ℃保存, 并在48 h內稀釋進(jìn)行接種培養實(shí)驗.

　　2.2 抗生素抗性菌的檢測方法

　　抗生素按其化學(xué)結構可分為β內酰胺類(lèi)、大環(huán)內酯類(lèi)、四環(huán)類(lèi)、氨基環(huán)醇類(lèi)和喹諾酮類(lèi)及其他.同時(shí), 參考我國抗生素的使用情況和抗性菌的分布情況(李振等, 2009; Łuczkiewiczet al., 2010; 陸孫琴等, 2011), 選擇氨芐霉素、紅霉素、四環(huán)素、卡那霉素及環(huán)丙沙星這5種抗生素依次代表常見(jiàn)的5類(lèi)抗生素, 從而測試無(wú)錫市污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水中抗生素抗性菌的分布.本研究利用傳統的異養菌平板培養法來(lái)檢測目標抗生素抗性菌.同時(shí)為了說(shuō)明抗生素抗性菌占總異養菌的比例, 也檢測了進(jìn)出水中的總異養菌數量.

　　首先, 依據《臨床和實(shí)驗室標準協(xié)會(huì )》(Clinical And Laboratory Standards Institute, CLSI)中抗生素對細菌的最小抑制濃度確定目標抗生素濃度, 具體如表 3所示.

　　表 3(Table 3)

　　表 3 目標抗生素基礎信息及使用濃度

　　其次, 利用培養基R2A agar(CM0906, OXOID, 配制濃度為18.1 g·L-1)制備抗生素培養基(Zhang et al., 2015), 具體操作為：R2A agar用蒸餾水配好后于121 ℃高壓滅菌20 min, 冷卻至60~70 ℃后根據表 3中抗生素的使用濃度, 加入一定量的抗生素母液(用于總異養菌計數的平板無(wú)需添加抗生素, 直接倒平板即可), 與培養基混合均勻后倒入平板中, 待冷卻至室溫后使用.

　　最后, 檢測抗生素抗性菌.具體操作為：用磷酸鹽緩沖液(PBS, pH=7.4) 將待測水樣梯度稀釋, 取50 μL接種于含抗生素的R2A瓊脂平板中, 在30℃培養箱中培養24 h, 選取菌落數為30~300的平板進(jìn)行計數, 細菌計數采用細菌活菌平板計數方法(沈萍, 2007).總異養菌的檢測方法同抗生素抗性菌檢測, 只是將接種平板更換為無(wú)抗生素平板.

　　3 結果與討論(Results and discussion) 3.1 污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中抗生素抗性菌的分布

　　如圖 1所示, 5種目標抗生素抗性菌在污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中均可檢出, 說(shuō)明污水處理廠(chǎng)中抗生素抗性菌普遍存在.進(jìn)水中總抗生素抗性菌濃度為1.01×105~2.17×105 CFU·mL-1, 各廠(chǎng)進(jìn)水中總抗生素抗性菌含量排序為D廠(chǎng)>C廠(chǎng)>E廠(chǎng)>B廠(chǎng)>A廠(chǎng)>F廠(chǎng), 5種抗生素抗性菌的含量排序為氨芐霉素抗性菌>紅霉素抗性菌>四環(huán)素抗性菌、卡那霉素抗性菌和環(huán)丙沙星抗性菌.其中, C廠(chǎng)和D廠(chǎng)氨芐霉素抗性菌分別為1.48×105 CFU·mL-1和1.66×105 CFU·mL-1;而F廠(chǎng)氨芐霉素抗性菌為8.02×104 CFU·mL-1, 僅為D廠(chǎng)的1/2.

　　圖 1(Fig. 1)

　　圖 1 抗生素抗性菌在不同污水處理廠(chǎng)的分布情況(n=5)

　　本研究調查的目標污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中, D廠(chǎng)包括兩家大型醫院的排水, E廠(chǎng)進(jìn)水中含有制藥廢水, A、B、C、F廠(chǎng)的進(jìn)水中只包含小型社區醫院的廢水排放.對照圖 1可知, D廠(chǎng)的總抗生素抗性菌數量最多, 很可能是由于進(jìn)水中含有較多醫院廢水和工業(yè)廢水導致, 醫院廢水中常常含有較高濃度的抗生素(Lindberg et al., 2004; Huang et al., 2011).研究認為, 在長(cháng)期的抗生素驅動(dòng)壓力下可能誘發(fā)細菌進(jìn)行選擇性基因突變和基因水平轉移(Heuer et al., 2007), 從而增加抗生素抗性菌的數量(Accinelli et al., 2007).E廠(chǎng)雖然工業(yè)廢水比例較低(10%), 但由于進(jìn)水中含有制藥廢水, 導致其抗生素抗性菌的濃度也較高.由此說(shuō)明抗生素抗性細菌的含量分布與區域周邊生活污水、工業(yè)廢水的排放及人類(lèi)活動(dòng)等因素密切相關(guān), 此觀(guān)點(diǎn)得到Xu等(2015)認同.

　　另外, 本研究中氨芐霉素抗性菌是目標污水處理廠(chǎng)進(jìn)水含量最多的抗生素抗性菌.國內的研究表明, 污水處理廠(chǎng)β-內酰胺類(lèi)抗性菌的比例高于其他幾種常檢測的抗性菌.例如, Yuan等(2014)研究發(fā)現, 污水處理廠(chǎng)出水和活性污泥中總異養菌對頭孢氨芐產(chǎn)生抗性的比例都超過(guò)30%, 而對慶大霉素和四環(huán)素產(chǎn)生抗性的比例都低于10%;陸孫琴等(2011)和Yin等(2013)發(fā)現, 污水處理廠(chǎng)β-內酰胺類(lèi)抗性菌濃度高于四環(huán)素類(lèi)抗性菌.其原因主要是氨芐霉素屬于β-內酰胺類(lèi)抗生素, 這類(lèi)抗生素是我國醫療抗生素中最常使用的藥物, 并且常被過(guò)量使用(Gao et al., 2012), 該類(lèi)抗生素的大量排放會(huì )引起其抗性菌的產(chǎn)生.而國外的相關(guān)研究表明, 國外的污水處理廠(chǎng)中含量最多的抗生素抗性菌并不是氨芐霉素抗性菌.例如, Reinthaler等(2003)和Watkinson等(2007)分別發(fā)現從澳大利亞某污水處理廠(chǎng)廢水中分離的大腸桿菌對四環(huán)素的抗性均高于50%.Galvin等(2010)對從愛(ài)爾蘭地區污水處理廠(chǎng)中分離出的大腸桿菌進(jìn)行研究發(fā)現, 氨芐霉素抗性菌占12.5%~24.5%, 四環(huán)素和環(huán)丙沙星抗性菌分別占12.4%~39.0%和0~7.5%.另外Guardabassi等(2002)對從丹麥的污水處理廠(chǎng)污水中分離的不動(dòng)桿菌進(jìn)行研究, 發(fā)現進(jìn)水中對氨芐青霉素的抗性最弱.由此可知, 不同地區污水處理廠(chǎng)中同種抗生素抗性菌的含量區別較大, 這很可能與不同地區消費的抗生素種類(lèi)不同有關(guān).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3.2 抗生素抗性菌占總異養菌的比例

　　污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中總異養菌(Heterotrophic plate count, HPC)濃度為1.413×105 ~2.749×105 CFU·mL-1, 出水中總異養菌濃度比進(jìn)水低1個(gè)數量級, 濃度為0.242×105 ~0.876×105 CFU·mL-1.由表 4可知, 雖然污水處理對抗生素抗性菌有一定的去除能力, 但A廠(chǎng)、D廠(chǎng)及F廠(chǎng)出水中四環(huán)素抗性菌占總異養菌的比例相對于進(jìn)水沒(méi)有明顯下降, 反而有增加趨勢, 例如, A廠(chǎng)進(jìn)水中四環(huán)素抗性菌占總異養菌的比例為2.35%, 而出水中增加至5.01%.另外, 出水中卡那霉素、環(huán)丙沙星抗性菌占總異養菌的比例相對于進(jìn)水也沒(méi)有明顯降低.

　　表 4(Table 4)

　　表 4 不同抗生素抗性菌占總異養菌的比例

Zhang等(2009)在研究中發(fā)現, 污水處理工藝能去除1~3個(gè)數量級的不動(dòng)桿菌和總異養菌, 然而出水中抗生素抗性菌的比例明顯增加.同時(shí), Figueira等(2011)發(fā)現，環(huán)丙沙星和卡那霉素占總異養菌的比例也有出水高于進(jìn)水現象.其中, 關(guān)于四環(huán)素抗生素抗性菌的研究中, Kim等(2007)認為, 增強活性污泥有機負荷和減少污泥泥齡(SRT)會(huì )導致SBR工藝處理后的四環(huán)素抗性菌增多, 而且抗生素抗性菌所占比例沒(méi)有明顯減少.該觀(guān)點(diǎn)被很多研究者認同, 劉沖等(2013)認為可能是由于污水處理工藝沒(méi)有選擇性地去除四環(huán)素抗性菌;也可能是活性污泥對四環(huán)素有較好的吸附效果造成(四環(huán)素在活性污泥上的最大吸附量為72 mg·g-1)(宋現財, 2014), 當污泥中的細菌被更多四環(huán)素包圍, 將誘導出更多的四環(huán)素抗性菌或抑制其他抗性菌生長(cháng);又有可能是污泥中的四環(huán)素抗性菌隨著(zhù)出水排出造成, 但這還需進(jìn)一步分析.

　　總體來(lái)看, 污水處理過(guò)程雖然可以消減抗生素抗性菌的總量, 但抗生素抗性菌的比例卻有增加趨勢.目標污水處理廠(chǎng)選擇性去除抗生素抗性菌的效果不佳, 出水中仍含有大量的抗生素抗性菌, 這些抗生素抗性菌進(jìn)入環(huán)境后會(huì )進(jìn)一步引起水體、土壤等污染, 進(jìn)而危害人類(lèi)健康.

　　3.3 工藝對抗生素抗性菌的影響

　　不同工藝對抗生素抗性菌的去除效果如圖 2所示, MBR工藝對氨芐霉素抗性菌、紅霉素抗性菌有較好的去除效果, 去除率分別為72.00%~91.80%和83.51%~96.50%, 傳統工藝對上述抗生素抗性菌的去除率分別約為72.56%~88.20%和74.48%~93.92%.但MBR工藝對四環(huán)素、卡那霉素和環(huán)丙沙星抗性菌的去除率沒(méi)有明顯優(yōu)勢.

　　圖 2(Fig. 2)

　　圖 2 不同工藝的抗生素抗性菌去除效果(n=5)

　　由圖 2還可知, 污水處理廠(chǎng)中MBR工藝和傳統工藝對抗生素抗性菌的去除率都比較高, 尤其是對氨芐霉素和紅霉素抗性菌的去除率最高.研究其化學(xué)結構可知, β-內酰胺類(lèi)和大環(huán)類(lèi)脂類(lèi)分別含有酰胺鍵和酯鍵等易水解的敏感化學(xué)鍵(邵一如等, 2013), 抗生素抗性菌含有消除這些脆弱化學(xué)鍵的酶而摧毀這些抗生素的活性, 從而減少抗生素抗性菌的含量.針對不同的抗生素抗性菌, 不同的處理工藝其處理抗生素抗性菌的效果也有所不同.本研究發(fā)現, MBR工藝對氨芐霉素抗性菌的去除效率普遍高于傳統工藝.主要原因有:MBR膜池MLSS濃度較高, 為了保持較高的傳氧速率需要加大曝氣強度, 有利于污泥微生物分解抗生素, 從而強化抗生素抗性菌的去除(劉陽(yáng)等, 2008); MBR膜反應器的膜孔徑均不超過(guò)0.5 μm, 在兼顧傳統活性污泥的吸附作用的基礎上強化了物理攔截作用;MBR膜反應器的水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分離, 能夠更好地實(shí)現抗生素的降解和吸附, 提高污水處理工藝對抗生素的去除率, 進(jìn)而改善抗生素抗性菌的去除率(Kim et al., 2005).這一結果也被其他學(xué)者所證實(shí), Choi等研究發(fā)現, MBR工藝對氨芐霉素抗性菌的去除率(高于90%)高于傳統工藝, 并且隨著(zhù)污泥停留時(shí)間(SRT)的延長(cháng)去除效果逐漸升高(Choi et al., 2007; Xia et al., 2012);Munir等(2011)在研究MBR工藝和傳統工藝對抗生素抗性菌的去除效果時(shí)發(fā)現, 傳統工藝對四環(huán)素抗性菌的去除效果高于MBR工藝.產(chǎn)生這種現象的原因可能是MBR工藝的生化池污泥濃度比傳統工藝高, 而活性污泥對四環(huán)素有良好的吸附性能, 從而導致MBR工藝中由于抗生素壓力或者基因轉移產(chǎn)生更多的四環(huán)素抗性菌.其次, 部分研究認為, MBR工藝去除難降解有機物如抗生素等更依賴(lài)于化合物自身結構, 如苯環(huán)個(gè)數和所含氯的數量等(韓磊等, 2009).

　　總體來(lái)說(shuō), 通過(guò)比較MBR工藝和傳統工藝對污水處理廠(chǎng)抗生素抗性菌的去除率, 發(fā)現不同工藝對不同抗生素抗性菌去除優(yōu)勢性不同.其中, MBR工藝去除氨芐霉素抗性菌和紅霉素抗性菌有一定優(yōu)勢性, 而去除四環(huán)素、卡那霉素和環(huán)丙沙星抗性菌的優(yōu)勢不明顯.

　　3.4 季節對抗生素抗性菌的影響

　　冬、夏季6個(gè)污水處理廠(chǎng)對5種抗生素抗性菌的去除量如表 5所示.由表 5可知, 在所調研的6個(gè)污水處理廠(chǎng)中, 總異養菌和多數抗生素抗性菌的夏季去除量均高于冬季去除量, 并且大部分沒(méi)有表現出冬、夏季的顯著(zhù)性差異(p>0.05), 只有環(huán)丙沙星抗性菌表現出冬、夏季的顯著(zhù)性差異(p < 0.05), 其中, 夏季環(huán)丙沙星抗性菌的去除量為1.525×103~7.12×103 CFU·mL-1, 冬季環(huán)丙沙星抗性菌的去除量為0.9×103~5.25× 103 CFU·mL-1.

　　表 5(Table 5)

　　表 5 不同季節抗生素抗性菌的去除量

　　對于總異養菌和抗生素抗性菌的夏季去除量高于冬季去除量的現象, 可能是由微生物生長(cháng)的最佳溫度導致, 夏季溫度較高時(shí)微生物活性增強, 難降解有機物(如抗生素類(lèi))在較高溫時(shí)更容易被降解.Yuan等(2014)也認為春、夏季抗生素抗性菌多于冬季, 其中, 環(huán)丙沙星去除量有明顯的季節差異(p < 0.05).環(huán)丙沙星主要用于治療敏感菌引起的呼吸道感染、胃腸道感染、傷寒等疾病, 而冬季屬于流行性感冒等疾病多發(fā)季節, 所以環(huán)丙沙星等抗生素的使用也隨之增加并表現出顯著(zhù)季節差異性.Mackuak等(2014)也研究發(fā)現，環(huán)丙沙星抗生素有明顯的季節差異性.由此看來(lái), 污水處理廠(chǎng)中抗生素抗性菌的變化與抗生素的使用量關(guān)系密切.因此, 為減少環(huán)境中抗生素抗性菌的數量, 應該嚴格控制抗生素的使用.

　　4 結論(Conclusions)

　　1)5種抗生素抗性菌在無(wú)錫市6座污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水中均可檢出, 且抗生素抗性菌濃度與各污水處理廠(chǎng)的工業(yè)廢水和醫藥廢水比例呈正比.進(jìn)水中濃度為103~105 CFU·mL-1, 出水濃度比進(jìn)水低1~2個(gè)數量級, 且氨芐霉素抗性菌數量最多, 占總異養菌的比例超過(guò)50%.同時(shí), 部分污水處理廠(chǎng)出水中抗性菌占總異養菌的比例相對于進(jìn)水有增加趨勢.

　　2) 對比MBR工藝和傳統工藝對抗性菌的去除率, 發(fā)現不同工藝對不同抗生素抗性菌去除優(yōu)勢不同.MBR工藝對去除氨芐霉素和紅霉素抗性菌表現出一定優(yōu)勢, 而MBR工藝對去除四環(huán)素、卡那霉素和環(huán)丙沙星沒(méi)有表現出一定的優(yōu)勢性.

　　3) 通過(guò)比較不同季節對抗性菌去除量的影響, 發(fā)現夏季抗性菌的去除量略多于冬季, 且只有環(huán)丙沙星抗性菌的去除量表現出顯著(zhù)的季節性差異(p < 0.05).