预处理-厌氧消化对污泥抗性细菌及抗性基因去除研究综述

李霞 ,方志鹏 ,武发竹

（合肥工业大学  安徽省合肥市  230009）

摘要：抗生素滥用导致抗生素抗性基因大量出现，是人类健康和环境安全的潜在威胁，是亟待处理的一类新兴环境污染物。抗生素抗性细菌和抗性基因存在于整个污水处理流程中，尤其是生物处理单元会产生数量庞大的生物污泥，是抗性基因的重要存储库，也是向环境中传播抗生素耐药性的热点。本章通过讨论预处理-厌氧消化对污泥中抗生素抗性细菌（ARB）及抗性基因（ARGs）的影响，为剩余活性处理的安全处理和处置提供一个新思路，也为降低污水处理厂抗生素抗性传播提供一定的理论指导。

关键词：抗生素抗性细菌；抗生素抗性基因；厌氧消化；预处理；污泥

1.抗生素抗性细菌和抗性基因的来源与危害

抗生素耐药细菌和抗生素耐药基因是新兴的水中污染物，近年来在全球范围内对这些污染物的关注越来越多。抗生素在医学、畜牧养殖、水产养殖和工业中的广泛使用，导致耐药菌的增殖和释放。ARBs通过城市污水、医院废水、城市垃圾、农业垃圾、农田肥料、径流甚至一些工业处理厂的废水进入水源。排放后，这些污染物会进入地表水，有时也会进入地下水。由于传统水处理技术不能有效去除ARBs和ARGs，因此，这些污染物很容易通过水循环和食物链对人类健康和环境安全构成潜在威胁[1]，已被定义新兴环境污染物[2]。

2.抗生素抗性细菌及抗性基因在污泥中的分布与传播

抗生素的过度使用导致了水环境中抗生素的广泛出现。作为人类活动与生态系统之间的重要纽带，污水处理厂被认为是这些新兴污染物的重要接收体，也是抗生素扩散到环境中的热点，特别是在污水处理厂的常规生物处理过程中，由于吸附作用，污水中存在的大量抗生素集中在污水污泥中，使废活性污泥成为这些污染物最丰富的储库之一[3]。与污水处理中ARGs的去除效率相比，污泥处理中的去除效率较低。此外，含有高有机物和多种微生物的污水污泥使ARGs能够通过水平基因转移在细菌物种之间繁殖和传播。水平转移可以通过结合、转化和转导三种机制实现跨物种传播，将ARGs从病原体和共生体转移到环境细菌，使ARGs难以从环境中完全去除。因此，污泥中ARBs和ARGs的检测和减少成为迫切的研究需要[4]。

3.预处理-厌氧消化工艺对污泥抗生素抗性细菌及抗性基因的影响

厌氧消化作为主要的污泥稳定化处理工艺，可通过减重、去除气味、减少病原体，特别是以沼气形式回收能量来稳定污泥[5]，从而减少需要处理的最终污泥固体量，同时破坏污泥中的大部分病原体并限制与残留腐烂物质相关的气味问题，因而一直备受关注。但厌氧消化水解过程进行缓慢，成为污泥厌氧消化过程的限速步骤，因此需要在厌氧消化前采用预处理使污泥解体[6]，以加速污泥消化或增加固定消化时间内的降解程度。

超声波作为物理预处理被发现是最有效的技术之一，超声波预处理能够使污泥絮体解体和微生物溶解，减小颗粒尺寸和损伤细胞，从而提高水解速率。在厌氧消化中，对超声预处理的使用大部分都是为了探究污泥中有机物的溶解效果以及对甲烷产气量的影响[7,8]，而对ARGs在厌氧消化中的分布与去除研究较少。值得注意的是，Wang等通过比较不同的预处理方法（热水解、碱解、超声）探究厌氧污泥过程中抗生素抗性基因的去除，结果表明，单独的厌氧消化对ARGs的去除率为50.77%，热水解、碱解、超声三种预处理对ARGs的去除率分别为52.50%、66.38%、75.07%[9]。

热处理诱导细胞逐渐裂解，对絮团破坏和动力学加速的影响是积极的。热处理厌氧消化不仅对四环素耐药基因和1类整合子有很好的去除效果，还能降低药物污泥处理过程中肠球菌的耐药表型和基因型以及基因组DNA的ARGs和MGEs[10]，研究指出热处理显著降低了ARGs的绝对丰度，且ARGs相对丰度随热处理温度的升高呈现先下降后升高的趋势[11]。

通过将微波预处理引入厌氧消化工艺中，发现厌氧共消化在产甲烷量和降低ARGs丰度方面均优于单独的污泥消化。同时也将微波处理与其他处理方法组合起来进行厌氧消化，例如通过微波预处理和活性炭协同添加[12]以及微波-过氧化氢[13]预处理来研究污泥厌氧消化过程中ARB和ARGs的去向，发现能有效降低ARB浓度，且大部分ARGs浓度在预处理过程中趋于衰减。

碱性预处理已广泛应用于污水污泥厌氧发酵，因为碱性试剂在强碱性条件（pH=8.0-12.5）下，通过氢氧根离子的作用，可在短时间内大量破坏污泥絮状结构、细胞壁和细胞膜。碱处理-厌氧消化能减少部分基因丰度，例如经过碱处理厌氧消化后，blaTEM含量显著减少，而blaOXA-1含量却显著增加[14]。碱性预处理可以有效灭活包括ARB在内的细菌，但对胞外DNA没有显著影响[15]。

臭氧作为一种化学预处理，可以产生自由基并与颗粒物和可溶性有机物发生反应，在对污泥处理中

能够很好地分解污泥中的细胞体。但臭氧作为一种消毒方法，是能够灭活ARB以及减少ARGs的[16]，总的来说，臭氧消毒对易腐菌基因的灭活作用为：16S rDNA>tetG>sul1>intI1[17]。

4.结语与展望

综述了不同预处理-厌氧消化对污泥抗生素抗性细菌及抗性基因的研究进展，结果表明厌氧消化能有效减少ARBs和ARGs，预处理方法不同对ARBs和ARGs的去除效果及作用机制不同，然而，目前也存在一些问题亟待解决：（1）探究不同污泥处理工艺对ARB及ARGs的去除，比较不同污泥处理工艺之间的影响差异及影响机制；（2）探究水平转移在厌氧消化中对细菌抗性风险的贡献，明晰ARGs的转移机制，完善机理研究。

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