消毒工藝對(duì)水體中抗生素抗性基因的去除效果

　　抗生素及其殘留會(huì)引發(fā)抗生素抗性基因污染?？股乜剐曰虮灰暈橐环N新型的環(huán)境污染物，在環(huán)境科研領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，其分布情況和傳播機(jī)制成為現(xiàn)今研究的焦點(diǎn)。通過總結(jié)水環(huán)境中抗生素抗性細(xì)菌和抗性基因的分布以及消毒工藝對(duì)抗生素抗性基因的去除效果，認(rèn)為氯消毒相對(duì)其他消毒方法在去除抗生素抗性基因中更經(jīng)濟(jì)可行，且消毒處理可以影響抗性基因的接合轉(zhuǎn)移率，從而對(duì)抗性基因的水平轉(zhuǎn)移起到抑制作用，并可能進(jìn)一步影響到抗生素抗性基因的傳播和擴(kuò)散。

　　抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）是能對(duì)抗生素產(chǎn)生抗性的基因，是微生物，包括病原微生物，耐藥性形成和擴(kuò)散的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一類新型環(huán)境污染物。它能在微生物包括病原微生物間傳播，還可從細(xì)菌、人類散播源和動(dòng)物源等傳播擴(kuò)散到自然環(huán)境和飲用水系統(tǒng)中。甚至ARGs能通過攜帶抗性基因的質(zhì)粒等可移動(dòng)遺傳元件進(jìn)入人體，致使抗生素療效下降，細(xì)菌感染的治療更加棘手。有報(bào)道世界上每年因抗結(jié)核桿菌受影響人數(shù)達(dá)50萬，歐盟每年約2.5萬人死于感染多重抗性細(xì)菌，美國(guó)每年約6.3萬人死于醫(yī)院獲得性細(xì)菌感染。目前臨床上使用的所有抗生素幾乎都存在其抗性細(xì)菌（antibiotic resistance bacteria, ARB），甚至出現(xiàn)“超級(jí)細(xì)菌”，如“新德里。梅塔洛一號(hào)”（New Delhi-Metallo-1, NDM-1）。因此，ARGs極可能引發(fā)公共健康危機(jī)。

　　環(huán)境中ARGs主要產(chǎn)生于醫(yī)療和畜牧業(yè)長(zhǎng)期濫用或誤用抗生素，從而使水體、土壤、活性污泥等環(huán)境介質(zhì)成為ARB或ARGs的源和匯。目前，已有大量報(bào)道在水環(huán)境、土壤、沉積物中檢測(cè)到ARGs，甚至空氣中也檢測(cè)到ARGs。這些ARGs可持久存在于環(huán)境中，并且在攜帶ARGs的微生物死亡后，釋放到環(huán)境中的裸露的DNA分子最終又可通過基因重組轉(zhuǎn)入其它微生物而使其具有抗性，給人類和動(dòng)物安全帶來潛在威脅。特別是水環(huán)境已成為ARGs散播的重要介質(zhì)，也是ARGs的重要貯存庫(kù)之一。本文闡述了ARGs在水環(huán)境中的分布，總結(jié)了目前水處理工藝中消毒對(duì)ARGs的去除效果，并探討了消毒處理對(duì)其傳播擴(kuò)散的影響機(jī)制。

　　1 ARGs在水環(huán)境中的分布及傳播擴(kuò)散

　　ARGs和ARB已被證明在地表水、市政污水、污水處理廠出水以及飲用水中普遍存在，且種類繁多，迄今已在各種水體中檢測(cè)出上百種ARGs。例如在北美、歐洲、東亞和東南亞等地區(qū)的9個(gè)國(guó)家的飲用水、海水、地表水、醫(yī)療廢水、化糞池及污水處理廠檢測(cè)出大環(huán)內(nèi)酯類（如aphA1、aphA2、aadA1）、磺胺類（如dfrA12、dfrA17、sulI）、βu內(nèi)酰胺類（如blaTEM-1、blaOXA-1、blaPSE-1）、四環(huán)素類（如tetA、tetH、tetJ、tetY、tetZ）、青霉素類（如mecA、penA）和大環(huán)內(nèi)酯類（如ermA、mphA）等多達(dá)50種ARGs（表1）。一般認(rèn)為水環(huán)境中的這些ARGs主要通過醫(yī)療和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水直接進(jìn)入地表水體，也可由糞便施肥使其先進(jìn)入到土壤環(huán)境，再隨雨水等地表徑流滲透到地下水中。因此，ARGs在水環(huán)境中廣泛分布，特別是污水處理廠，由于含抗生素和ARB的廢水直接排入其中而富集大量ARGs，成為ARGs集聚和傳播的一個(gè)重要媒介。如Su等從污水廠分離到的98.4%的菌株對(duì)檢測(cè)的抗生素具有抗性，90.6%的菌株至少對(duì)3種抗生素表現(xiàn)出抗性。水體環(huán)境中這些ARB和ARGs的存在不僅會(huì)威脅到飲用水安全，也可能影響到水資源的循環(huán)利用。研究發(fā)現(xiàn)，用淡水和處理后廢水灌溉過的土壤均檢測(cè)出高水平的抗生素抗性?？梢?，水環(huán)境中ARGs普遍存在且可能對(duì)人類健康和環(huán)境生態(tài)帶來影響。

　　ARGs主要通過垂直基因轉(zhuǎn)移（vertical gene transfer, VGT）和水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer, HGT）兩種方式進(jìn)行傳播擴(kuò)散。垂直基因轉(zhuǎn)移是依靠微生物親代之間的分裂生殖進(jìn)行;水平基因轉(zhuǎn)移則是ARGs通過接合 （conjugation） 、轉(zhuǎn)化 （transformation ） 、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction） 、轉(zhuǎn)座以及細(xì)菌溶源性基因轉(zhuǎn)移等過程發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使另一菌株獲得抗性的過程，它是水體環(huán)境中ARGs轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的重要方式。早在20世紀(jì)40年代就有微生物水平基因轉(zhuǎn)移的描述，并提出HGT的發(fā)生是由選擇性壓力和生物進(jìn)化產(chǎn)生的一種普遍現(xiàn)象。如有研究發(fā)現(xiàn)攜帶四環(huán)素類抗性基因的質(zhì)粒在大腸埃希氏菌（Escherichia coli）和氣單胞菌（Aeromonas spp.）之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，另外，還觀察到耐萬古霉素腸球菌（vancomycin-resistant Enterococcus, VRE）與耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA）間抗性基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。其中，HGT對(duì)ARGs通過水傳微生物進(jìn)行傳播擴(kuò)散起到重要作用。正是由于水平基因轉(zhuǎn)移的存在致使 ARGs不僅可以在水體環(huán)境中從親代傳遞給子代，還可以在同種屬或不同種屬微生物間進(jìn)行基因傳遞。甚至在細(xì)菌、真菌、病毒和真核生物基因組均觀察到基因的水平轉(zhuǎn)移。因此，水體環(huán)境中ARGs的存在及其通過水傳微生物的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散給人體健康和水的生物安全性帶來隱患。

　　ARGs作為新型的環(huán)境污染物在水環(huán)境中可通過水傳微生物進(jìn)行散播。研究發(fā)現(xiàn)，在水處理過程中水傳微生物攜帶ARGs不僅會(huì)使水體中ARGs的濃度增加，還可能進(jìn)入到水源水和給水系統(tǒng)。Zhang等已在飲用水系統(tǒng)中廣泛檢測(cè)到ARB和ARGs，也有報(bào)道在大型給水廠中檢測(cè)到9個(gè)種或?qū)俚?ARGs且出現(xiàn)較高豐度。而參與城市水循環(huán)的地表水更是擴(kuò)散致病微生物和ARGs的重要載體之一。因此，如何有效去除和控制水環(huán)境中的ARGs需要重點(diǎn)關(guān)注。而消毒是殺滅水中對(duì)人體健康有害的致病微生物的重要方式，可防止通過飲用水傳播疾病。也是生活飲用水安全、衛(wèi)生的最后保障。特別是氯消毒因其具有經(jīng)濟(jì)和高效的特性，因而被廣泛應(yīng)用于廢水和飲用水消毒。

　　2 消毒對(duì)ARGs和（或）ARB豐度的影響

　　消毒通?？梢越档统鏊械募?xì)菌總量，從而對(duì)ARGs的削減起到一定作用。但對(duì)ARGs的去除效果還會(huì)受消毒方式等影響。目前，國(guó)內(nèi)外使用的消毒方法包括化學(xué)消毒法（如鹵素消毒劑、臭氧和過氧乙酸等）、物理消毒法（如膜過濾截留微生物）和光化學(xué)消毒法（如紫外線）以及電化學(xué)消毒法。廣泛應(yīng)用的主要有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧殺菌和紫外線照射及氧化消毒等，盡管這些消毒方法一般都能在水處理過程中去除部分ARB或ARGs，但在污水處理廠的出水中它們的檢出率仍然較高，且相對(duì)總量和種類在出水中變化不大（表2），甚至出現(xiàn)ARGs相對(duì)豐度升高現(xiàn)象。例如氧化和UV消毒對(duì)ARGs的去除幾乎沒有效果，對(duì)少數(shù)ARGs去除率能達(dá)到1——2個(gè)數(shù)量級(jí)，但氯消毒對(duì)ARGs的去除可以達(dá)到2——3個(gè)數(shù)量級(jí)，而消化處理、人工濕地及其它非消毒處理對(duì)ARGs的去除最多達(dá)到1個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　由于 ARGs的去除率不僅受消毒方法的影響，還會(huì)受到細(xì)菌攜帶抗性類型、消毒劑量和多種消毒方法結(jié)合使用等多種因素影響，因此很難明顯降低或徹底清除ARGs污染。如Xu等用高通量定量PCR檢測(cè)不同水處理工藝的給水廠出水時(shí)發(fā)現(xiàn)兩給水處理廠經(jīng)消毒處理的出水中ARGs的相對(duì)豐度都提高了。因?yàn)橐话愕慕o水廠或污水廠處理過程基本沒有專門針對(duì)去除ARGs而設(shè)計(jì)的工藝，且水體中ARGs的含量還可能受補(bǔ)給、水量、季節(jié)變化、用途及流經(jīng)地區(qū)等因素影響，因此物理法、化學(xué)法和生物法對(duì)ARGs的去除效果并不明顯。由于目前消毒工藝對(duì)ARB和ARGs的控制效應(yīng)數(shù)據(jù)也還較少，所以難以提出較有效的方法和途徑來遏制ARGs的散播。

表 2 不同處理方法對(duì)ARB、ARGs的去除效果

　　3 消毒對(duì)ARGs水平轉(zhuǎn)移的影響機(jī)制

　　消毒可對(duì)細(xì)菌的接合效率產(chǎn)生作用而影響到ARGs水平轉(zhuǎn)移。如Guo等發(fā)現(xiàn)低UV劑量（達(dá)到8 mJ/cm2）對(duì)接合轉(zhuǎn)移頻率能產(chǎn)生影響，但影響很小，而低氯消毒劑量（達(dá)到 40 mg Cl min/L）能明顯提高接合轉(zhuǎn)移的頻率2到5倍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高劑量的UV（>10 mJ/cm2）或氯消毒（>80 mg Cl min/L）下ARGs轉(zhuǎn)移的頻率均相對(duì)降低。Lin 等也對(duì)UV和氯處理對(duì)ARGs的轉(zhuǎn)移率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)UV和低水平氯消毒處理都能降低接合效率。表現(xiàn)為當(dāng)UV劑量（5——20 mJ/cm2）逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)移率逐漸降低，而氯消毒處理時(shí)，轉(zhuǎn)移率沒有變化（氯劑量為0.05——0.2 mg/L）或轉(zhuǎn)移率較低甚至低于檢出限（氯劑量為0.3——0.5 mg/L）。可見，UV和氯劑量較低對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移幾乎沒有影響，當(dāng)UV劑量在10——20 mJ/cm2隨著劑量的增加能使ARGs的轉(zhuǎn)移率逐漸降低。

　　消毒對(duì)ARGs水平轉(zhuǎn)移影響的具體機(jī)制有：一是通過降低供體細(xì)菌的存活率，從而降低接合轉(zhuǎn)移率;二是使細(xì)胞滲透性發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)氯消毒產(chǎn)生的氯胺能刺激細(xì)菌改變細(xì)胞滲透性，使接合細(xì)胞的表面會(huì)出現(xiàn)更多的菌毛，提高ARGs的接合轉(zhuǎn)移率，從而促進(jìn)ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移;三是抑制相關(guān)轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)。如在較低余氯（0.05——0.2 mg/L）可能對(duì)鞭毛基因（ flagellar gene，flgC）、膜外蛋白基因（an outer membrane porin gene, ompF）和DNA轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因（ a DNA transport-related gene, traG）的表達(dá)產(chǎn)生抑制，從而降低水平基因轉(zhuǎn)移率;四是通過集聚不同質(zhì)粒、插入序列和整合子，從而提高ARGs水平基因轉(zhuǎn)移的發(fā)生。如Shi等在給水廠發(fā)現(xiàn)ampC、aphA2、blaTEM-1、tetA、tetG、ermA和ermB基因氯消毒后發(fā)生了富集，并通過宏基因組分析認(rèn)為飲用水氯化處理確實(shí)能富集多種ARGs，同時(shí)質(zhì)粒、插入序列和整合子等與ARGs的水平轉(zhuǎn)移相關(guān)的可移動(dòng)遺傳元件也會(huì)發(fā)生集聚?？梢姡咎幚頃r(shí)消毒劑的類型及劑量對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移能起到促進(jìn)作用也可能產(chǎn)生抑制，同時(shí)，消毒時(shí)間也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。并且，消毒處理對(duì)ARGs和可移動(dòng)遺傳元件的富集作用也能進(jìn)一步促進(jìn)ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移。

　　4 總結(jié)與展望

　　研究發(fā)現(xiàn)，ARGs污染通過HGT進(jìn)行傳播擴(kuò)散對(duì)我們?nèi)祟惡蛣?dòng)物的影響甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗生素殘留本身產(chǎn)生的影響。因?yàn)榛蛭廴静煌谝话悱h(huán)境污染物，其具有遺傳性且一旦散播到環(huán)境中難以控制和消除，對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境的影響將是長(zhǎng)期的和不可逆的。因此，如何有效預(yù)防和降低其轉(zhuǎn)移擴(kuò)散帶來的環(huán)境影響是一項(xiàng)重要課題。本文分析了水環(huán)境中ARGs的廣泛分布，指出水體已成為ARGs匯聚和擴(kuò)散的重要介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)消毒在水處理中對(duì)ARGs的去除能起到一定作用，但效果不明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)消毒處理后ARGs相對(duì)豐度升高現(xiàn)象，即消毒能降低ARGs的絕對(duì)量，但相對(duì)豐度會(huì)增加。并認(rèn)為消毒能通過影響細(xì)菌的接合效率、使細(xì)胞滲透性發(fā)生變化和抑制相關(guān)轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)以及對(duì)ARGs和可移動(dòng)遺傳元件富集而對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移產(chǎn)生作用。表現(xiàn)為UV劑量低于20 mJ/cm2時(shí)，對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移影響較小，甚至出現(xiàn)降低水平基因轉(zhuǎn)移率;而氯消毒劑量達(dá)到40——80 mg Cl min/L時(shí)，能對(duì)ARGs的水平轉(zhuǎn)移起到促進(jìn)作用。

　　目前，針對(duì)水環(huán)境中ARGs的去除，較多已有的研究只是檢測(cè)水環(huán)境中消毒后ARB或ARGs的豐度變化，很少報(bào)道消毒對(duì)水環(huán)境中ARGs去除影響的具體機(jī)制。雖然也有關(guān)于多種消毒方法對(duì)ARGs去除的對(duì)比及機(jī)制探討，但還是難以很好揭示水中較高的ARB或ARGs比例，特別是在實(shí)際消毒過程中消毒及其副產(chǎn)物對(duì)ARGs的作用規(guī)律仍需進(jìn)一步探究。另外，對(duì)于不同環(huán)境介質(zhì)中ARB、ARGs及可移動(dòng)遺傳元件的檢測(cè)與表征大體包括傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)法和分子生物學(xué)方法，但相關(guān)采樣、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果表達(dá)等需要進(jìn)一步建立和完善，使其更加標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，也方便在不同方法和實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)所得研究結(jié)果進(jìn)行比較。