工业水处理, 2022, 42(4): 39-45 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-0223

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制药废水处理系统中抗生素抗性基因的研究进展

洪颖忻,1,2, 吴浪1,2, 张立秋1,2, 方茜1,2, 荣宏伟1,2, 魏春海1,2

1.广州大学土木工程学院市政工程系, 广东 广州 510006

2.珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室, 广东 广州 510006

Research progress of antibiotic resistance genes in pharmaceutical wastewater treatment systems

HONG Yingxin,1,2, WU Lang1,2, ZHANG Liqiu1,2, FANG Qian1,2, RONG Hongwei1,2, WEI Chunhai1,2

1.Department of Municipal Engineering，School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China

2.Key Laboratory for Water Quality and Conservation of the Pearl River Delta，Ministry of Education，Guangzhou 510006，China

第一联系人: 李矿军（1998— ），硕士研究生。E-mail：kjlee127@163.com。通讯作者：张秀丽，博士，高级实验师。E-mail：1997011189@cugb.edu.cn。

收稿日期: 2022-02-23  

Received: 2022-02-23  

作者简介 About authors

洪颖忻（1996—），硕士电话：15018328628，E-mail：419829365@qq.com , E-mail：419829365@qq.com

摘要

抗生素是治疗人类和动植物感染性疾病的核心药物，已成为全球使用范围最广、使用剂量最大的药物之一。近年来随着抗生素的广泛使用，大量抗生素进入环境中，会诱导抗生素抗性基因（ARG）产生，对人类健康及环境构成威胁。抗生素抗性菌（ARB）和ARG的环境排放问题日益凸显。制药废水处理系统是环境中抗生素的主要来源之一，也是ARB和ARG增殖扩散的热点场所，同时是控制ARB和ARG环境排放的重要节点。系统总结了近年来有关制药废水处理系统中ARG的研究进展、ARG的增殖扩散机制、各种处理单元中ARG的分布特征和去除效果，对今后的重点研究方向进行了展望，为制药废水处理系统的工艺选择及ARG去除方法提供一定理论参考。

关键词： 制药废水 ; 抗生素 ; 抗生素抗性基因 ; 抗生素抗性菌 ; 膜生物反应器

Abstract

As core drugs for the treatment of infectious diseases in humans， animals and plants， antibiotics have become one of the most widely used drugs in the world with the largest doses. With the widespread use of antibiotics in recent years， large amounts of antibiotics enter the environment and induce the production of antibiotic resistance genes（ARG）， posing a threat to human health and the environment. The problem of environmental emissions of antibiotic resistant bacteria（ARB） and ARG is becoming more and more prominent. Pharmaceutical wastewater treatment systems are one of the major sources of antibiotics in the environment and a hot spot for the proliferation and diffusion of ARB and ARG， as well as an important node for controlling the environmental emissions of ARB and ARG. The research progress about ARG in pharmaceutical wastewater treatment system， the proliferation and diffusion mechanism of ARG， the distribution characteristics and removal effect of ARG in various treatment units in the last decade were systematically summarized. The promising research directions in the future were prospected. It provides some theoretical references for the process selection and ARG removal methods of pharmaceutical wastewater treatment systems.

Keywords： pharmaceutical wastewater ; antibiotic ; antibiotic resistant gene ; antibiotic resistant bacteria ; membrane bioreactor

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本文引用格式

洪颖忻, 吴浪, 张立秋, 方茜, 荣宏伟, 魏春海. 制药废水处理系统中抗生素抗性基因的研究进展. 工业水处理[J], 2022, 42(4): 39-45 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0223

HONG Yingxin. Research progress of antibiotic resistance genes in pharmaceutical wastewater treatment systems. Industrial Water Treatment[J], 2022, 42(4): 39-45 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0223

中国是抗生素生产与使用大国，近年来抗生素排入环境引发的问题逐渐得到重视〔1〕。长时间低剂量的抗生素环境暴露会加速和诱导抗生素抗性基因（ARG）的产生。而ARG是抗性菌（ARB）产生耐药性的根本原因，即使ARB死亡，在脱氧核苷酸酶的保护下，携带ARG的裸露DNA仍会长期存在，进而威胁生态环境和人类健康安全〔2-3〕。

在抗生素制药废水生物处理过程中，高浓度的残留抗生素会对微生物产生抑制，降低生物处理效率〔4〕，同时对微生物的种群结构和功能造成负面影响〔5〕。微生物在抗生素选择压力下也会筛选出自身携带ARG、通过基因突变产生ARG或通过垂直/水平转移获得ARG的ARB〔6-7〕。有报道指出，抗生素制药废水中的抗生素和重金属等有利于ARB筛选，并加速ARG的水平转移〔8-9〕。因此，抗生素制药废水处理系统是ARG贮存、扩增、传播及削减的重要场所〔10〕。笔者系统总结了抗生素制药废水处理系统中ARG的形成机制、分布情况、去除机制及效果，从ARG削减角度出发，展望抗生素制药废水处理工艺的优化方向，以期提高ARG去除效果从而减少其环境危害。

1 研究情况

基于中国知网和Web of Science数据库，分别以“抗性基因”+“制药/抗生素废水”和“antibiotic resistance gene”+“pharmaceutical/antibiotic wastewater”为主题，检索2010年至今的全部文献，再通过人工核查方式筛选出46篇研究性论文。其中，年度论文数量在1~8篇，整体呈上升趋势。我国在该领域的论文发表数量最多（40篇），主要是由于我国抗生素产量居世界首位，制药废水抗生素环境排放问题较为突出，促使科研人员加大研究力度。

近60%的论文是关于实际制药废水处理系统中ARG的研究，废水中普遍含有多种抗生素；其余为实验室研究，多采用含单一抗生素的模拟配水。研究内容主要集中在：（1）制药废水处理系统中ARG的分布规律及增殖扩散机制；（2）制药废水处理系统中各单元对ARG的去除效果及运行参数的优化；（3）制药废水处理系统中影响ARG丰度和去除效率的因素。

2 制药废水处理系统中ARG的增殖与扩散

制药废水处理厂多采用生物处理为主体工艺，微生物长时间暴露在高浓度残留抗生素环境中往往诱导产生大量ARG。经生物处理后的废水和废渣排入环境，最终危害生态环境和人类健康。制药废水排放后引起的环境危害如图1所示。

图1

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图1   制药废水处理后污染物排放的环境危害

Fig. 1   Environmental hazards of pollutants discharged after pharmaceutical wastewater treatment


鉴于此，制药废水处理系统中ARG及其转化归趋的相关研究日益增多。ARG可以通过垂直和水平转移2种途径扩散。水平基因转移是ARG的主要扩散方式，主要机制包括：接合，转导〔11-12〕，转化，如图2所示。制药废水生物处理系统中高密度的细菌提供了大量可移动遗传元件（如质粒、转座子和整合子），位于其上的ARG很容易随其在同源或不同来源的细菌之间水平转移扩散〔13〕。探究抗生素制药废水处理系统中ARG分布特征及其影响因素十分重要。

图2

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图2   ARG的水平转移机制

Fig. 2   Horizontal transfer mechanism of ARG


3 抗生素制药废水处理系统中ARG分布特征及其影响因素

3.1 废水处理单元

制药废水处理系统中，大部分ARG的绝对丰度（单位体积水相或单位质量泥相中的ARG拷贝数）经过生物处理单元后上升〔14〕，经过物化处理单元后下降〔15〕，不同处理工艺对ARG的影响存在差异。姚鹏城等〔15〕考察了以抗生素为主导行业的某化工园区废水处理厂各处理单元，发现废水中ARG绝对丰度在混凝沉淀后下降0.16~0.43个数量级，在A/A/O工艺曝气池中上升0.16~2.34个数量级，在二沉池出水中下降0.20~1.37个数量级，在Fenton处理出水中下降0.25~1.74个数量级。此外，曝气池污泥中ARG绝对丰度比剩余污泥低约1个数量级，显示通过二沉池泥水分离将含ARG的ARB转移至污泥相是水相ARG削减的重要途径。

3.2 抗生素种类与浓度

与普通污水处理系统相比，制药废水处理系统在残留抗生素的选择压力下，会诱导出更多的ARG〔16〕。抗生素废水处理系统出水中的ARG丰度比市政污水和非抗生素废水处理系统的高几倍，有的甚至高l~4个数量级〔17〕。制药废水中ARG亚型的相对丰度（即同一样品中ARG拷贝数占总细菌16S rRNA拷贝数的比例）与相应残留抗生素浓度之间存在一定正相关性〔18-19〕。此外，抗生素种类也会影响抗性基因的亚型和丰度。单一抗生素制药废水中抗生素对相应亚种ARG的诱导扩增作用强于对其他亚型ARG的作用〔20〕。混合型抗生素制药废水中ARG的亚型和丰度均多于单一型抗生素制药废水〔21〕。当废水中某种抗生素浓度越高，相应类型的ARG丰度将高于其他类型的ARG丰度〔15，22〕。

3.3 微生物浓度

制药废水处理系统中抗生素的选择压力并不是导致ARG在体系中传播的唯一因素〔23〕，ARG丰度与微生物浓度具有相关性，ARG丰度的变化也可能是微生物增殖或去除的结果。有研究表明，制药废水系统中部分ARG丰度与16S rRNA（作为总细菌的替代物）丰度或总抗生素浓度呈显著正相关〔24〕，并进一步分析得出与抗生素浓度相比，微生物浓度是影响ARG丰度更为重要的因素〔25〕。瞿文超〔26〕根据6个制药废水处理系统中16S rRNA与ARG的正相关性分析，同样得出影响ARG丰度的关键因素是微生物浓度的结论，并提出可通过降低出水中微生物浓度对出水ARG进行控制。此外， Lingwei MENG等〔27〕的研究显示不同ARG均分别与不同物种呈显著正相关，表明制药废水处理系统中ARG的丰度及种类与微生物种群结构有关。

3.4 环境条件

虽然很难在环境条件与ARG丰度之间建立准确的关系，但有研究显示DO、pH和TOC等环境条件可能会影响制药废水厂中ARG的丰度和分布规律。Mei TANG等〔28〕研究发现好氧污泥中检测到的ARG总相对丰度和移动遗传元件相对丰度均比厌氧污泥的高。Linxuan LI等〔29〕研究两段好氧工艺处理制药废水各单元中ARG与环境条件的关系发现，sul1和sul2与TOC显著相关，tetB、sul1、sul2、gyrA、16S rRNA拷贝数与pH呈正相关，tetW与TN、DO呈正相关。因此，研究ARG与各种环境条件之间的关系，进而通过环境条件调控来提高制药废水中ARG的去除效果是今后重要的研究方向之一。

4 处理工艺对ARG的去除效果

4.1 生物处理工艺

制药废水含有高浓度有机污染物，一般以生物处理作为主体工艺。在生物处理过程中，抗生素与微生物共存往往会促进某些ARB和ARG的增殖和扩散，有时也会发生某些ARG削减的现象。表1列出了曝气生物滤池（BAF）、序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反应器（MBR）、上流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、A/O和A/A/O等典型生物处理工艺中ARG的变化情况。此外，上述工艺的不同组合也常应用于制药废水的处理。

表1   不同生物处理工艺对制药废水中ARG的影响

Table 1  Effect of different biological treatment processes on ARG in pharmaceutical wastewater

制药废水中所含抗生素制药废水处理工艺制药废水中所含ARGARG变化情况文献
螺旋霉素UASB—A/OermB、ermF、ermX、ereA、mphB、mefA丰度随生物处理流程逐渐增高〔30〕
磺胺类、四环素类、β-内酰胺类等18种抗生素UASB—A/O

sul1、sul2、

tetO、tetQ、tetM，tetW、qnrD、ermB、OXA-1、OXA-10

经过2个生物处理系统后，样品中所有ARG的平均绝对丰度显著增加1.2~3.8个数量级〔14〕
β-内酰胺类EGSBtetM、tetQ、tetW、tetG、sul1、sul2、OXA-1、TEM、ampC经过反应器后ARG总丰度增加0.91个数量级〔22〕
头孢氨苄EGSBampCEGSB反应器能有效去除ampC，但不利于TEM-1基因的去除，甚至可能更有利于TEM-1基因的增殖〔31〕
TEM-1、ampC
头孢类BAFOXA-1、OXA-2OXA型基因丰度升高，丰度范围为4.84×107~1.09×1010〔32〕
头孢菌素SBR—生物接触氧化池tetO、tetW、tetM、tetQ，、tetT、OXA-1、OXA-2、OXA-10、sul1、sul2、ermB好氧池和缺氧池ARG的总丰度比澄清池的高33~106倍，ARG总排放量占A厂进水的101%~146%〔20〕
四环素传统活性污泥法tetO、tetW、tetM、tetQ，、tetT、OXA-1、OXA-2、OXA-10、sul1、sul2、ermBARG总排放量占B厂进水的117%~1410%〔20〕
土霉素SBRtetA、tetC、tetG、tetL、tetM、tetO、tetQ、tetW、tetX出水和活性污泥（1.2×10-4~1.3）中，tet基因的相对丰度比OTC发酵残留物（8.5×10-5~6.7×10-3）高出2个数量级〔19〕
头孢类两级UASB—好氧池tetG、tetX、intl1、sul1丰度在厌氧出水中降低，在好氧出水中升高，总体上丰度降低〔33〕
tetW丰度随生物处理流程逐渐降低
四环素MBRsul1、sul2、tetW、tetM、tetQ、tetO、tetT、OXA-1、OXA-2、ermBMBR工艺对各类ARG的去除率高达99.8%〔34〕
螺旋霉素MBRermB、ermF、ermX、mefA、ereA、mphBMBR工艺以HRT为40 h运行时，对ARG的削减效果明显高于HRT为30 h的效果，下降范围为24.8%~99.0%〔35〕

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表1中，活性污泥工艺单元均出现促进ARG增殖的现象，可能是由于污泥在水中的悬浮量增长，导致出水中随未沉降污泥流出的ARG绝对丰度较高。覃彩霞等〔36〕采用调节池—A/A/O—二沉池组合工艺处理螺旋霉素废水，总异养菌和肠球菌的数量分别降低1.6~2.1和3.7个数量级，但无法削减耐药菌的比例，且ARG丰度呈现明显的季节性变化特征。Lingwei MENG等〔22〕用2个EGSB反应器（E1、E2）分别处理β-内酰胺类制药废水和普通废水。在E1废水中头孢氨苄的诱导作用下，E1出水中各目标ARG的总浓度均高于E2，且E1中移动元件的平均丰度均高于E2。罗晓等〔32〕发现采用曝气活性污泥法处理头孢类抗生素废水的2个处理厂的各处理单元均检测出β-内酰胺类ARG，且在一级曝气池中的绝对丰度最高。

生物膜法中的微生物附着在载体表面生长，废水处理过程残留在出水中的微生物较活性污泥法的少，因此出水中ARB和ARG丰度相对较低。Wenchao ZHAI等〔20〕对2个制药废水处理厂进行研究，其中A厂采用SBR和生物接触氧化法，B厂采用传统活性污泥法，发现B厂对ARG增殖的促进作用更为明显。此外，ARG在上述2个制药废水厂的处理过程中都会增殖扩散，主要原因在于生物处理系统内的微生物总量相比进水显著增加，即传统生物处理过程是制药废水中ARG增殖的重要途径。

活性污泥与微/超滤膜分离耦合而成的MBR工艺以出水水质好、容积负荷高、占地面积小、抗冲击能力强和完全截留污泥絮体等特点，在制药废水处理领域具有良好的应用潜力〔37〕。MBR中的膜可以高效截留废水中的胶体、颗粒物、悬浮物及微生物代谢物等，其中含有大量抗生素抗性基因和抗性菌〔38〕。Jilu WANG等〔34〕研究发现5座大型制药废水处理厂的 MBR工艺对各类ARG的去除率高达99.8%。原因在于膜组件可完全截留污泥絮体，使出水中的微生物丰度较传统工艺显著降低，从而降低随ARB流出的ARG丰度。膜污染会增加膜组件的截留精度，直接截留部分携带ARG的可移动遗传元件，从而增强对ARG的去除效果。覃彩霞等〔35〕采用MBR处理螺旋霉素制药废水，发现水力停留时间（HRT）增加后废水中异养菌与肠球菌的去除率提高，ARG削减效果同步提升。表明延长HRT有助于MBR工艺去除螺旋霉素废水中的ARB和ARG，进一步探索MBR工艺处理制药废水的最优运行参数是一个重要研究方向。

此外，强化水解工艺可有效降低制药废水的抗菌活性〔39〕，具有良好的预处理效果。研究发现在特定条件下，增强水解作用可以有效去除土霉素，提升抗菌效力〔40〕。

4.2 物理化学处理工艺

制药废水中一般含有高浓度残留抗生素、部分难生物降解有机物、氨氮等污染物，单一生物处理工艺很难处理达标，通常需要物理化学工艺进行预处理和/或深度处理。

M. M. MCCONNELL等〔41〕研究发现，二沉池将处理后的废水与污泥分离后，污泥中的16S rRNA和ARG丰度远高于水相，大部分ARG随着ARB通过固液分离转移到污泥中，导致出水中的ARG减少。Wenchao ZHAI等〔20〕发现脱水污泥中排出的ARG负荷是最终废水的1~435倍，最终排放废水中ARG绝对丰度仅占进水的0.03%~78.1%，而大多数ARG〔（2.65±0.43）×105~（4.27±0.03）×1010 mL-1〕转移到脱水污泥中。这与Jilu WANG等〔34〕的研究结论相似，转移到脱水污泥中的ARG总量比原进水高出7~308倍，比最终出水的ARG高16~638倍。这种转移不能从根本上解决ARG增殖和扩散的问题，将脱水污泥填埋后可能导致土壤微生物产生抗生素抗性，在环境中进一步污染扩散。因此，应重点研究制药废水污泥处理过程中削减ARG的方法。任佳〔42〕发现臭氧、热水解作为厌氧消化的预处理工艺时，与直接厌氧消化相比，对制药污泥ARG的控制效果均较好，且热水解的效果优于臭氧预处理。

高级氧化技术（AOP）可破坏细菌DNA的双螺旋结构，从而有效减少出水中的ARG丰度〔43〕。Jie HOU等〔14〕将UASB、A/O工艺分别与4种AOP工艺进行组合用于处理制药废水。结果表明，经过UASB和A/O处理单元，废水中所有ARG的丰度均显著增加；经过4种AOP工艺处理后，ARG丰度均下降。其中，UV和O3具有消除16S rRNA和ARG的潜力（降低0.8~1.6个数量级）；Fenton和Fenton/UV是去除ARG的最佳AOPs，可使16S rRNA和ARG减少1.1~6.0个数量级，并能完全去除ermB和tetQ。何瑞兰〔44〕研究发现O3、UV和Cl均能有效去除抗生素生产废水中的ARB和ARG，去除ARB比去除纯菌需要更大的消毒剂量和更长的反应时间。高级氧化技术去除制药废水中ARG和ARB有待进一步深入研究，以评估其效果与成本的可持续性。

5 结论与展望

抗生素制药废水是重要的抗生素、ARB和ARG排放源，在制药废水处理系统中将其有效去除是减少制药废水排放导致的抗生素污染的关键。研究发现，制药废水中残留抗生素的浓度与种类会影响ARG的丰度和种类，ARG绝对丰度经过生物处理单元后上升，经过物理化学处理单元后下降。废水中ARG的增加或去除可能是微生物增殖或去除的结果。此外，不同处理工艺对制药废水中ARG的去除效果也不同，其中MBR工艺对制药废水中ARG的去除率可达99%以上，消毒及高级氧化工艺是彻底去除废水中ARG的有效方法。

在达到常规出水指标的前提下，制药废水处理系统仍面临着更好地去除ARG、将不同工艺组合以达到更好去除效果等问题，建议今后在以下方面开展重点研究。

（1）深入研究MBR工艺（好氧和厌氧）处理制药废水中ARG的去除效果及机理，探索MBR工艺去除ARG的最优运行参数。

（2）深入研究消毒和高级氧化工艺对水相中ARG的削减效果及最优工艺参数，探索剩余污泥处理过程中削减ARG的有效方法。


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