典型抗生素和抗藥性基因在污水處理系統(tǒng)中的歸趨及遷移分布規(guī)律.pdf

1、抗生素是一類用來預(yù)防和治療細菌感染疾病最為重要的藥物。由于人類對其過分地使用甚至是濫用，導(dǎo)致這類化合物及其代謝產(chǎn)物被持續(xù)不斷地排入地表水、地下水和土壤等環(huán)境介質(zhì)中。雖然這些化合物的暴露濃度通常相對較低，但由于其本身具有較強的持久性、生物反應(yīng)活性及難生物降解性等特點，因此可以對人類和水生、陸生生物產(chǎn)生長期性的潛在危害影響。更為嚴重的問題是，這些低濃度抗生素藥物對細菌微生物能夠產(chǎn)生持久性的選擇性壓力，使其逐漸具有抗藥性特征，這類抗藥性菌群的

2、快速演變和散播，將會對人類和其它生物的健康和安全造成難以預(yù)計的威脅。近年來，隨著環(huán)境分析手段的快速發(fā)展和應(yīng)用，這類以往常常被忽略的新型微污染物已逐漸引起了環(huán)境工作者和公眾的廣泛關(guān)注。
　　 已有的研究表明，城市污水是抗生素藥物和抗藥性細菌進入環(huán)境的主要途徑。由于絕大多數(shù)城市污水處理工藝只能部分去除污水中的持久性抗生素藥物，在某些情況下甚至無任何去除效果，許多研究都相繼報道了在城市污水處理廠處理出水和污泥中檢測出不同濃度范圍的抗生

3、素藥物和抗藥性細菌，因此非常有必要針對這些微污染物在污水處理系統(tǒng)中的歸趨和遷移分布規(guī)律進行系統(tǒng)地考察和研究。
　　 本課題首先建立了一種能夠同時檢測污水和污泥中15種不同微量藥物的加速溶劑萃取-固相萃取-液相串聯(lián)雙質(zhì)譜(ASE-SPE-LC-MS/MS)檢測分析方法，然后以美國密歇根州EastLansing的一家采用傳統(tǒng)活性污泥法處理工藝的污水處理廠作為研究對象，檢測分析這些藥物在不同處理工藝段污水和污泥中的濃度分布，同時通過質(zhì)

4、量平衡計算，研究掌握這些微污染物在城市污水處理廠內(nèi)的遷移分布規(guī)律和去除機制。與此同時，采用細菌活菌平板計數(shù)法和熒光定量PCR分析手段，針對不同處理工藝段污水和污泥中的抗藥性細菌和抗藥性基因的濃度水平進行檢測分析，研究污水和污泥中磺胺類和四環(huán)素類抗生素藥物對其相應(yīng)抗藥性細菌和抗藥性基因的選擇性壓力，探討它們之間的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果如下：
　　 (1)污泥中微量藥物的ASE-SPE-LC-MS/MS分析方法的建立
　　 本研

5、究建立的分析方法對污泥中15種不同藥物的萃取效果較好，檢測靈敏度較高，并且檢測重復(fù)性好，檢測限范圍在0.6μg/kg(磺胺二甲基嘧啶)到146μg/kg(四環(huán)素)之間。此外，污泥中其它雜質(zhì)組分的基體效應(yīng)對藥物的有效萃取和檢測分析影響較小。
　　 在加速溶劑萃取操作優(yōu)化過程中，體積比為7:3的乙腈/水混合溶劑對污泥中15種不同藥物的萃取效果最好，回收率可達52.0-96.4％，而降低萃取溶劑的pH值對改善藥物的萃取效率作用不大。萃

6、取壓力、萃取溫度和萃取時間對藥物的萃取均有不同程度的影響，當操作壓力為10.0 MPa，萃取溫度為100℃，連續(xù)萃取3次，每次萃取時間為15 min時，加速溶劑萃取對分析藥物的萃取效果最好。
　　 (2)典型藥物在活性污泥法處理工藝中的分布規(guī)律和去除機制
　　 根據(jù)檢測結(jié)果可知，除去甲基金霉素、磺胺甲基嘧啶、紅霉素和泰樂菌素這4種藥物在所有污水和污泥樣中未被檢出外，其它藥物均至少被檢出1次，其中，金霉素在原水進水和初沉池

7、污泥中的平均濃度分別為178 ng/L和61μg/kg，在最終處理出水和脫水污泥中未被檢出。與此同時，其它10種藥物在原水進水中的濃度差別很大，變化范圍為26 ng/L(磺胺二甲基嘧啶)到61683 ng/L(對乙酰氨基酚)，經(jīng)過生物處理后，這些藥物在最終處理出水中的平均濃度變化范圍為未檢出(磺胺二甲基嘧啶)到370 ng/L(強力霉素)之間，而在脫水污泥中的殘留濃度范圍則在3.5μg/kg(磺胺二甲基嘧啶)到568μg/kg(強力霉素

8、)之間。通過質(zhì)量平衡計算分析可得，微生物降解作用是這些藥物在污水處理過程中得以去除的主要機制，而污泥吸附作用對這些藥物去除的影響很小，低于7.1％。盡管如此，強力霉素、土霉素、磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑和林可霉素在污水生物處理過程中只能被部分去除，在最終處理出水中的殘留比例仍分別高達50％，61％，73％，11％和60％。
　　 值得特別注意的是，卡馬西平在經(jīng)過污水生物處理后出現(xiàn)了負增長，即其在最終處理出水中的濃度要高于原水進水中的濃

9、度，這有可能是因為原水進水中本來就存在的卡馬西平代謝產(chǎn)物在生物處理過程中又重新轉(zhuǎn)化為母體，從而導(dǎo)致卡馬西平濃度的升高。
　　 (3)四環(huán)素類和磺胺類抗藥性基因和細菌在污水處理工藝中的分布去除規(guī)律
　　 根據(jù)檢測結(jié)果分析可知，活性污泥法污水處理工藝可以有效地降低污水中的四環(huán)素和磺胺甲惡唑抗性細菌濃度，以及tetO、tetW和sulI抗藥性基因濃度。四環(huán)素和磺胺甲惡唑抗性細菌在最終處理出水中的濃度分別為1.05×101CFU

10、/mL和3.09×103CFU/mL，而在脫水污泥中的濃度分別高達7.08×106 CFU/g和3.09×108CFU/g。與此同時，tetO、tetW和sulI抗藥性基因在最終處理出水中的濃度分別為1.05×106copies/100mL、9.12×105copies/100mL和5.13×105copies/100mL，而在脫水污泥中的濃度分別高達1.78×109 copies/g、5.62×108copies/g和1.00×108

11、copies/g。
　　 抗藥性基因的降低去除主要集中在生物處理單元，而氯消毒工藝對其去除的影響不大，這可能是因為氯消毒劑主要是通過抑制細菌體酶的活性以達到滅活細菌的目的，其并不能對細菌的DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，另外，由于攜帶tetO、tetW和sulI抗藥性基因的細菌以革蘭氏陽性菌為主，而一些革蘭氏陽性菌可以通過自身合成特定的蛋白質(zhì)或是相互團聚來抵抗氯消毒劑的滅活作用，從而導(dǎo)致氯消毒工藝對污水中抗藥性基因降低去除效果較差。

12、r>　　 通過對污水和污泥中抗生素藥物濃度與相應(yīng)抗藥性細菌和抗藥性基因濃度進行線性擬合分析可知，污水中tetO和tetW抗藥性基因濃度與四環(huán)素類抗生素濃度之間的線性相關(guān)關(guān)系不顯著，這主要是因為我們只定量檢測了tetO和tetW兩種四環(huán)素類抗藥性基因，然而在污水中還存在著很多其它類型的tet基因。相比之下，sulI抗藥性基因濃度和磺胺類抗生素濃度之間則呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，表明磺胺類抗生素對污水中sulI抗藥性基因的產(chǎn)生和演變具有一定的