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(xì)菌感染疾病最為重要的藥物。由于人類對(duì)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(duì)較低，但由于其本身具有較強(qiáng)的持久性、生物反應(yīng)活性及難生物降解性等特點(diǎn)，因此可以對(duì)人類和水生、陸生生物產(chǎn)生長(zhǎng)期性的潛在危害影響。更為嚴(yán)重的問題是，這些低濃度抗生素藥物對(duì)細(xì)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(huì)對(duì)人類和其它生物的健康和安全造成難以預(yù)計(jì)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(xì)菌進(jìn)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(bào)道了在城市污水處理廠處理出水和污泥中檢測(cè)出不同濃度范圍的抗生

3、素藥物和抗藥性細(xì)菌，因此非常有必要針對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)地考察和研究。
　　 本課題首先建立了一種能夠同時(shí)檢測(cè)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(cè)分析方法，然后以美國(guó)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(duì)象，檢測(cè)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(shí)通過質(zhì)

4、量平衡計(jì)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(jī)制。與此同時(shí)，采用細(xì)菌活菌平板計(jì)數(shù)法和熒光定量PCR分析手段，針對(duì)不同處理工藝段污水和污泥中的抗藥性細(xì)菌和抗藥性基因的濃度水平進(jìn)行檢測(cè)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(duì)其相應(yīng)抗藥性細(xì)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(duì)污泥中15種不同藥物的萃取效果較好，檢測(cè)靈敏度較高，并且檢測(cè)重復(fù)性好，檢測(cè)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(duì)藥物的有效萃取和檢測(cè)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(duì)污泥中15種不同藥物的萃取效果最好，回收率可達(dá)52.0-96.4％，而降低萃取溶劑的pH值對(duì)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(shí)間對(duì)藥物的萃取均有不同程度的影響，當(dāng)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(shí)間為15 min時(shí)，加速溶劑萃取對(duì)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(jī)制
　　 根據(jù)檢測(cè)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(jìn)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(shí)，其它10種藥物在原水進(jìn)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)力霉素

8、)之間。通過質(zhì)量平衡計(jì)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(jī)制，而污泥吸附作用對(duì)這些藥物去除的影響很小，低于7.1％。盡管如此，強(qiáng)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(dá)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(fù)增長(zhǎng)，即其在最終處理出水中的濃度要高于原水進(jìn)水中的濃

9、度，這有可能是因?yàn)樵M(jìn)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(xì)菌在污水處理工藝中的分布去除規(guī)律
　　 根據(jù)檢測(cè)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(xì)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(xì)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(dá)7.08×106 CFU/g和3.09×108CFU/g。與此同時(shí)，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(dá)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(duì)其去除的影響不大，這可能是因?yàn)槁认緞┲饕峭ㄟ^抑制細(xì)菌體酶的活性以達(dá)到滅活細(xì)菌的目的，其并不能對(duì)細(xì)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(xì)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(tuán)聚來抵抗氯消毒劑的滅活作用，從而導(dǎo)致氯消毒工藝對(duì)污水中抗藥性基因降低去除效果較差。

12、r>　　 通過對(duì)污水和污泥中抗生素藥物濃度與相應(yīng)抗藥性細(xì)菌和抗藥性基因濃度進(jìn)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?yàn)槲覀冎欢繖z測(cè)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(duì)污水中sulI抗藥性基因的產(chǎn)生和演變具有一定的