水厂处理工艺对典型抗性细菌和抗性基因的去除效能分析

彭爱伦,徐祖钧,高明昌,李红兰,邱立平

(1.济南大学土木建筑学院,山东济南 250022;2.济南大学水利与环境学院,山东济南 250022;3.山东省功能材料水质净化工程技术研究中心,山东济南 250022;4.山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101)

抗生素的频繁使用导致其在不同水体中均有不同程度的检出[1-2]。由于抗生素的过度使用和不完全代谢,诱导产生的抗性细菌和抗性基因可以在环境持久留存并扩散传播,严重危害饮用水安全和公共健康[3-4],抗性细菌和抗性基因的潜在风险成为人们关注的焦点[5]。

黄河中下游由于周边农业[6]、养殖业[7]等快速发展,黄河中下游流域抗生素被频繁检出[8]。当地水厂以黄河水作为饮用水原水,导致抗生素可能会进入水厂。水厂作为保障居民用水安全的主要屏障之一[9],了解水厂对抗性细菌和抗性基因的去除效果十分必要。因此,本研究选取黄河中下游地区某市以黄河水为原水的A、B两个水厂为研究对象,分析水厂不同处理单元对典型抗性细菌和抗性基因的去除效果,主要包括:对比分析可培养总细菌、阿莫西林(AMX)抗性细菌和磺胺甲恶唑(SMZ)抗性细菌,以及2种磺胺类抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)、1种β-内酰胺类抗性基因(blaCTX-M)、整合子基因(intⅠ1)、16S rDNA基因在不同水处理单元中的去除效果。相关试验结果可以为水厂的优化运行提供数据支撑和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试剂

试验所用SMZ(USP)、AMX(USP)、酪蛋白氨基酸(BR)和丙酮酸钠(BR)均购于源叶生物科技,葡萄糖(AR)购于天津大茂化学试剂,可溶性淀粉(GR)购于天津科密欧化学试剂,琼脂粉(BR)、牛肉膏(BR)和蛋白胨(BR)购于北京奥博星,酵母提取物(AR)和胰蛋白胨(BR)购于英国OXOID,E.Z.N.A Soil DNA Kit(50 preps)购于美国Omega,pGM-T克隆试剂盒(20 preps)和质粒小提中量试剂盒(50 preps)购于中国天根生化科技,TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0(50 preps)购于日本TaKaRa。

1.2 水厂工艺与采样方案

1.2.1 水厂工艺

本研究选取黄河下游某市A、B两水厂为研究对象,两水厂的水源水都来自于黄河某调蓄水库。A、B两水厂处理工艺如图1所示。A水厂采用包括混凝、沉淀、过滤和消毒的饮用水常规处理工艺,B水厂除常规处理工艺外,还在V型滤池前设置了臭氧+活性炭池工艺。两水厂的最终出水水质均可稳定达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)的要求。

图1 A、B水厂处理工艺

1.2.2 采样方案

本试验的采样时间为6月(夏季)、10月(秋季)及12月(冬季),避开雨天及温差较大的时间。选用10 L聚乙烯塑料桶作为采样容器,消毒并用自来水冲洗,采样前用待采水反复冲洗。取样点分别为两水厂混凝沉淀单元(A水厂折板絮凝+平流沉淀池,B水厂中置式高密度沉淀池)、臭氧氧化单元(B水厂臭氧接触池)、过滤单元(A水厂V型滤池,B水厂活性炭池+V型滤池)、消毒单元(A水厂加氯消毒单元,B水厂加氯消毒单元)进出水口。

1.3 试验检测方法

1.3.1 细菌检测方法

SMZ抗性细菌和AMX抗性细菌含量检测方法:取50～100 μL稀释后的水样均匀涂布于64 mg/L SMZ R2A培养基和16 mg/L AMX R2A培养基[10],37 ℃下培养72 h,试验进行3次取平均值,分别计算AMX抗性细菌和SMZ抗性细菌在水中的含量。

可培养总细菌量检测方法:取50～100 μL稀释后的水样均匀涂布于无抗生素R2A培养基,在37 ℃下培养72 h,试验进行3次取平均值,计算总细菌在水中的含量。

1.3.2 抗性基因检测方法

本试验选取sulⅠ、sulⅡ和blaCTX-M为目标基因,选取16S rDNA为参照基因。因为磺胺类和blaCTX-M的传播与Ⅰ型整合子显著相关[11-12],所以试验测试intⅠ1作为参考。目标引物序列如表1所示[11,13-14]。PCR反应结束后采用超微量分光光度测定浓度并分析。

表1 目标引物序列

水样中抗性基因的绝对定量和相对定量计算如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中:C——水样中抗性基因的绝对量,mL-1;

C1——模板拷贝数,μL-1;

V1——DNA模板总量,μL;

V2——水样体积,mL;

C2——16S rDNA的绝对量,μL-1;

C′——水样中抗性基因的相对量。

2 常规给水处理单元对抗性细菌和抗性基因去除效果

2.1 混凝沉淀单元

2.1.1 对抗性细菌的去除效果

水厂混凝沉淀过程可以通过絮体包裹和直接凝聚等作用实现对细菌的有效去除[15-16]。如图2所示,两水厂混凝单元对3类细菌均具有一定去除效果,去除率为8.00%～52.85%,但是整体去除效能有限,且去除效能受季节变化影响明显。A水厂对总细菌和AMX抗性细菌的去除效率在秋季明显高于夏冬季节,但是对SMZ抗性细菌的去除效率随温度降低逐渐降低。B水厂中置式高密度沉淀池在夏冬季节对各类细菌的去除率明显优于秋季,特别是夏季对SMZ抗性细菌的去除率达到78.54%。上述结果与原水在沉淀池的停留时间以及絮凝剂的种类和投加量有关[17]。类似的研究结果在刘善培等[15]的研究中也有报道,研究发现北方某水厂沉淀单元对细菌总数的去除率在50%～70%,说明常规混凝沉淀工艺对抗性细菌的去除效能有限。

图2 混凝沉淀单元对抗性细菌去除效果

2.1.2 对抗性基因的去除效果

A、B水厂混凝沉淀单元对sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果如图3所示,两种混凝单元对抗性基因的去除效果不明显,基本低于0.3log。两水厂混凝沉淀对sulⅠ与blaCTX-M的去除率随着温度的降低呈下降的趋势,对sulⅡ的去除率随着温度的降低呈先下降后上升的趋势,B水厂对这3种抗性基因的去除效果略优于A水厂,但去除率仍在0.3log以下。两水厂混凝沉淀对intⅠ1的去除率较低,年平均去除率分别为0.09log与0.01log。16S rDNA基因的去除率均随着温度的降低呈先降低后升高的趋势,A水厂冬季时去除率最高,为0.22 log,B水厂夏季时去除率最高,为0.43 log。Zhang等[18]研究了实际水厂混凝沉淀单元对抗性基因的去除情况,发现抗性基因去除效率不足1log,证明了混凝沉淀单元对抗性基因不能实现有效去除。

图3 混凝沉淀单元对抗性基因去除效果

2.2 臭氧氧化单元

2.2.1 对典型抗性细菌的去除效果

试验中还对B水厂中间臭氧氧化单元对典型抗性细菌及抗性基因的去除效果进行探究。如图4所示,臭氧氧化单元对可培养总细菌、AMX抗性细菌和SMZ抗性细菌都有一定的去除效果,且受季节影响,秋季这3类细菌的去除率均高于夏冬两季,最高去除率分别为56.35%、71.70%和46.58%。已有文献[19]报道臭氧能够破坏分解胞内大分子聚合物,致使细菌生长代谢和繁殖遭到破坏。但是由于原水中含有大量有机物会竞争消耗臭氧[20],B水厂臭氧氧化单元不能完全去除3类抗性细菌。

图4 臭氧氧化单元对抗性细菌去除效果

2.2.2 对典型抗性基因的去除效果

B水厂臭氧单元对5类抗性基因的去除效果如图5所示。臭氧氧化单元对5种基因的去除率为0.22log～0.71log。sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率随温度的降低而降低,而sulⅠ的去除率随着温度的降低呈先降低后升高的趋势,在冬季达到最高,为0.71log。Xia等[21]也探究了臭氧预处理对抗性基因去除效果,试验结果发现,与对照反应器相比,采用臭氧预处理技术的反应器抗性基因相对丰度降低了70%以上。上述试验结果说明臭氧氧化单元可以有效去除进水中抗性基因。

图5 臭氧氧化单元对抗性基因去除效果

2.3 过滤单元

2.3.1 对抗性细菌的去除效果

已有文献[22-23]报道显示,水厂过滤单元对细菌去除效果受滤料、温度等因素影响较大。两水厂各滤池在不同取样季节对3种可培养细菌的去除效果如图6所示,对3类细菌的去除效果均较差。A水厂可培养总细菌和SMZ抗性细菌在夏季的去除率最高,AMX抗性细菌只在秋季具有去除效果,去除率为20.33%。在不同取样季节,B水厂对3类细菌都没有去除效果。出现上述现象的原因主要有以下两点:(1)滤料上会吸附有机物等营养物质,导致细菌大量繁殖,滤料上细菌生长率大于滤料截留率,出水细菌数量增加;(2)滤池滤料在运行过程中会形成生物膜,生物膜脱落后使水中的细菌数量增高[24]。Haig等[25]的试验也表明了大肠杆菌的去除率与滤料的使用年限存在显著负相关。同时,B水厂中活性炭池可能存在生物泄漏现象[26],导致出水中抗性细菌和抗性基因的数量明显上升,后续的V型滤池的处理效果略优于活性炭池。

图6 过滤单元对抗性细菌去除效果

2.3.2 对抗性基因的去除效果

A、B水厂的过滤单元中进出水抗性基因总数与去除效果如图7所示。A水厂过滤单元对sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率均随温度降低逐渐减少,在冬季基本无去除效果。B水厂3个季对5类基因基本无去除效能。总体而言,两水厂过滤单元对抗性基因去除效果较差,其中B水厂出水中基因数均超过进水。Guo等[27]的试验也检测到砂滤后四环素类抗性基因(tetA和tetO)有所增加。以上现象与抗性细菌去除效果相类似,基因绝对量随着宿主细菌的增加而增加,即基因的子代纵向遗传和基因的水平转移[28],抗性细菌的保留也导致了抗性基因的去除效能较差,B水厂中活性炭池和V型滤池对抗性基因均无明显去除效果。

图7 过滤单元对抗性基因去除效果

2.4 消毒单元

2.4.1 对典型抗性细菌的去除效果

饮用水厂消毒单元可有效破坏细菌结构,对保障饮用水安全具有重要意义[29]。如图8所示,两水厂氯消毒单元对3类细菌均具有良好的去除效果。在不同的取样季节,A水厂均能对3类细菌实现完全去除。B水厂在不同的取样季节对SMZ抗性细菌去除率为100%,可培养总细菌和AMX抗性细菌在秋冬两季基本实现完全去除。由此可见,消毒单元作为水厂的末端保障,可以有效消杀出厂水中的细菌[30]。

图8 消毒单元对抗性细菌去除效果

2.4.2 对典型抗性基因的去除效果

氯消毒单元可有效去除水中细菌类污染,但对抗性基因类去除效能尚未可知,因此,考察了A、B两水厂对sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除效果,结果如图9所示。随温度下降,A水厂5类基因去除率呈先下降后上升趋势,B水厂除16S rDNA和blaCTX-M外呈上升趋势,且B水厂的去除效能略优于A水厂,抗性基因平均去除率在0.80log以上。由于基因的基础量不同,消毒单元对16S rDNA的去除率显著高于其他基因。已有文献也证实消毒单元对抗性基因具有较好的去除效果,Xu等[23]发现钱塘江饮用水处理厂一和厂二加氯消毒单元对抗性基因的平均去除率分别为95.2%和96.63%。

图9 消毒单元对抗性基因去除效果

从上述分析可知,经过水厂全工艺流程的处理后,A、B两水厂进水中3类细菌采用纯培养的方法基本检测不到,抗性基因的总绝对丰度从1.64×105～8.29×107mL-1降低到1.76×104～3.50×105mL-1,两水厂3个季节均能使抗性基因的总绝对丰度降低1～2个数量级,而且B水厂处理效果略优于A水厂。A、B两水厂对抗性细菌基本可以实现完全去除,对抗性基因也具有良好的去除效果,有效地保障了饮用水安全。

3 结论

(1)黄河中下游两饮用水厂混凝沉淀单元对可培养总细菌、AMX抗性细菌和SMZ抗性细菌3类细菌去除率较低,对sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因的去除率基本低于0.3log。过滤单元受滤池中生物膜影响,对可培养总细菌、AMX抗性细菌和SMZ抗性细菌,以及sulⅠ、sulⅡ、blaCTX-M、intⅠ1和16S rDNA基因基本无去除效果。

(2)中间臭氧氧化单元对抗性细菌和抗性基因具有良好的去除效果,但是在实际运行中由于有机物对臭氧的竞争消耗,臭氧不能完全去除抗性细菌和抗性基因。

(3)水厂中的消毒单元对抗性细菌和抗性基因具有较好的去除效果,是保障居民饮用水安全的重要工艺。