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探究ARGs在废水处理系统中分布特征和去除情况(2)

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-10-10  11:35:48

 2.2 两座废水处理系统中ARGs的分布特征

  两座废水处理系统采集的样品中目标基因的绝对丰度分布情况如图 2所示.在所有水样中, 16S rRNA浓度为3.94×107~7.34×108 copies ·mL-1, 河南发酵废水处理,高出ARGs浓度0.55~4.58个数量级; 除P-Ax以外, 其余生物单元水样中16S rRNA的浓度均高于进水和出水, 说明微生物在生物处理单元有效地增殖.在泥样中, 两座废水处理系统的二沉池污泥中16S rRNA浓度均在1011 copies ·g-1水平, 远高于水样中16S rRNA的浓度水平.有报道指出6个PWWTP水样中16S rRNA主要在105~108 copies ·mL-1的浓度水平, 与本研究结果一致.另有研究显示, 在我国杭州、哈尔滨等地的市政污水处理厂的水样中, 16S rRNA在108~1012 copies ·mL-1的浓度水平, 明显高于制药废水处理系统水样中的浓度水平.这意味着与市政污水相比, 制药废水和工业废水对微生物群落产生了更高的选择性压力, 因此两个废水处理系统中微生物浓度下降.相关性分析结果显示(图 3), 两座废水处理系统水样中16S rRNA浓度与7种ARGs总浓度显著正相关(P < 0.01, r=0.884), 并且与sul Ⅰ (P < 0.05, r=0.818)和sul Ⅱ (P < 0.05, r=0.756)两种磺胺类抗性基因显著正相关, 说明废水水样中ARGs浓度受到微生物浓度变化的影响.  图 2

图中P-Slu和I-Slu样点单位为copies ·g-1, 余下样点为copies ·mL-1图 2 两座废水处理系统中ARGs和16S rRNA的分布

  图 3

图 3 废水处理系统水样中16S rRNA与总ARGs相关性

  有研究指出在PWWTP中, 相比于抗生素浓度, 微生物浓度是影响ARGs的更为重要的因素.在两座废水处理系统的进水中, ARGs浓度在1.79×103 copies ·mL-1(tetW, P-Inf)~6.14×103 copies ·mL-1(sul Ⅱ , I-Inf)之间, 其中, sul Ⅰ 和sul Ⅱ 基因绝对丰度最高,河南发酵废水处理, 随后依次是dfrA 13 、tetQ、floR、tetO和tetW基因.两座系统进水中ARGs相对丰度的分布顺序与绝对丰度一致(图 4), 仍旧是sul Ⅰ 和sul Ⅱ 基因最高, 随后依次是dfrA 13 、tetQ、floR、tetO和tetW基因.有研究显示, sul Ⅰ 和sul Ⅱ 基因以105~107 copies ·mL-1的绝对丰度存在于不同的市政污水处理系统的进水中, 浓度水平高于四环素类ARGs[25, 29, 30], 在制药废水处理系统中也有同样的情况, 这与本研究的结果一致.四环素类ARGs中, tetO、tetQ和tetW基因在废水处理系统中的分布较早地得到了关注, 在制药废水处理系统中也有研究.本研究对这3种四环素类ARGs的相关性分析显示, tetO基因与tetW基因显著正相关(P < 0.01, r=0.915), 而tetQ基因与tetO(P=0.27, r=0.442)、tetW(P=0.56, r=0.246)基因正相关但不显著, 说明这3种四环素类ARGs在两级废水处理系统中的浓度水平具备相似性, 这可能与它们具备相同的抗性机制有关.与四环素类和磺胺类ARGs不同, 甲氧苄啶抗性基因dfrA 13 尚未有文献报道存在于污水处理系统中.在本研究中, dfrA 13 的绝对丰度水平高于已有研究中检出频率较高的3种四环素类ARGs, 这表明仅着眼于四环素类和磺胺类ARGs等高频率被检出的ARGs类别, 对废水处理系统中ARGs污染状况的评估将是不全面的, 未来建议引入高通量qPCR、宏基因组等新技术进行更加细致全面的研究.

  图 4

图 4 两座废水处理系统中ARGs的相对丰度

  P-Eff汇入I-Inf中, 再由IWWTP进行处理. IWWTP需处理多种来源的生活污水和工业废水, 不同废水对I-Inf中ARGs的贡献不同.每天P-Eff和I-Inf水样的ARGs总量如表 3所示(ARGs总量估算方法:水样中ARGs单位体积浓度系统每日处理水量), 可以看到:每天P-Eff对I-Inf中总ARGs的贡献率为5.05%, 而每天P-Eff的水量仅占I-Inf的0.87%, 河南发酵废水处理,说明PWWTP对IWWTP中ARGs污染贡献较大.更进一步地, P-Eff对I-Inf中不同ARGs的贡献率有较大差异, 贡献率最高的为sul Ⅰ 基因, 达9.12%, 其后依次是floR、tetW、sul Ⅱ 、tetO、tetQ, 贡献率最低的是dfrA 13 基因, 仅为0.17%.通过对水样中ARGs物质流的分析, 可以厘清IWWTP中不同来源废水的ARGs贡献率, 为未来有针对性地控制ARGs污染源提供引导.

  表 3 ARGs在两座废水处理系统中的传输

  2.3 两座废水处理系统对ARGs的作用

  在两座废水处理系统中, 总ARGs浓度在生物处理单元中升高, 经过二沉池的处理后, 出水中的总ARGs浓度下降, 其中ARGs浓度在1.27×103 copies ·mL-1(tetW, P-Eff)~3.31×106 copies ·mL-1(sul Ⅰ , P-Eff)之间.而二沉池污泥中, ARGs浓度在1.24×106 copies ·g-1(tetW, I-Slu)~6.19×109 copies ·g-1(sul Ⅱ , I-Slu)之间, ARGs浓度高于出水3~4个数量级(图 2), 表明生物处理单元有可能促进ARGs的扩增和传播; 大量的ARGs从水中转移到了泥中, 表明二沉池的污泥沉降作用可能是去除污水中ARGs的主要机制.

  废水处理系统对ARGs能否有效去除目前尚有争议.在中国北方的两座污水处理厂中, ARGs被证实得到了明显的扩增和传播, 而在意大利的3座污水处理厂中, 大多数ARGs能够被显著地去除.在本研究中, 两座废水处理系统对ARGs的去除同样表现出了差异(图 5).总体来看, 经PWWTP处理后ARGs浓度上升了0.21个数量级, 未表现出对ARGs的去除效果, 经IWWTP处理后总ARGs浓度下降了1.03个数量级, 表明PWWTP对ARGs的去除效果相对较弱.进一步分析不同基因,河南发酵废水处理, PWWTP仅对tetQ、sul Ⅱ 和dfrA 13 基因有去除作用, 分别去除了0.48、0.23和0.79个数量级; 而IWWTP对除了floR外的基因均表现出了去除效果, 对tetO、tetQ、tetW、sul Ⅰ 、sul Ⅱ 、dfrA 13 以及16S rRNA分别去除了0.92、2.01、1.56、0.83、1.20、0.64及0.98个数量级. IWWTP对四环素类ARGs表现出较好的去除效果, 这与浙江省、哈尔滨市、江苏省多地的市政污水处理厂中的情况类似.在3种四环素类ARGs中, PWWTP和IWWTP对tetQ的去除效果最好, 这可能与tetQ基因在水环境中的迁移机制有关.有研究表明在这3种四环素类ARGs中, tetQ的迁移率最高, 推测其能够快速地迁移到活性污泥中, 并随着污泥沉降作用离开水体而得到去除.相比较之下, 磺胺类ARGs较难被废水处理系统去除, 推测可能与这两种基因均位于高效的水平转移元件上有关[36].经PWWTP和IWWTP处理后, 氯霉素类抗性基因floR的浓度分别上升了1.70和0.25个数量级, 由图 2可以看出, 相较于进水, floR基因浓度在好氧池出水中分别上升了1.12和1.05个数量级, 显示其能够在好氧环境中广泛地扩增和传播, 因此, floR基因在废水处理系统中的分布值得重点关注.有研究关注了浙江省四座市政污水处理系统对ARGs的去除情况, 发现其对tetO、tetQ、tetW基因去除了2.0~3.5个数量级, 对sul Ⅰ 、sul Ⅱ 去除了1~2.5个数量级, 去除效果优于本研究中的两座废水处理系统, 这意味着与市政污水处理系统相比, 如何去除制药废水处理系统中的ARGs需要更多的关注.在编辑团队后期对该药业集团废水处理系统的调研中, 分别在系统进水、水解酸化池出水和好氧池出水中检出了浓度为5.06、4.88和3.23 mg ·L-1的盐酸环丙沙星[37], 表明废水处理系统中存在高浓度的抗生素, 对微生物群落造成较大的抗生素选择压力, 很可能导致系统中出现高丰度的ARGs, 并使得系统中的ARGs较难被去除.

  图 5

图 5 两座废水处理系统对ARGs和16S rRNA的去除

  本研究中的制药废水经PWWTP和IWWTP两级处理后, 最终出水(I-Eff)将排入临近海域, 可能对受纳水体的微生物群落产生影响, 引起抗生素抗性的蔓延和传播,河南发酵废水处理, 进而对人类健康产生潜在风险.此外, 高浓度的ARGs进入二沉池污泥中, 可能通过污泥处理和处置过程而在土壤环境中引起ARGs的蔓延和传播.废水处理系统中常见的A2O、氧化沟等工艺是为去除废水中的常规污染物而设计, 对ARGs没有良好的去除效果在情理之中.为减少经废水处理系统排放至自然环境的ARGs的总量, 在保证常规污染物去除效率的基础上, 强化ARGs的高效去除, 将是未来废水处理技术发展需要应对的挑战.

  3 结论

  (1) 在浙江省某精细化工园区的两座废水处理系统进水中, 分别检出了10种和15种ARGs, 其中高频率检出的是四环素类和磺胺类ARGs; 磺胺类ARGs的绝对丰度最高, 为105~106 copies ·mL-1, 随后浓度由高到低依次为dfrA 13 、tetQ、floR、tetO和tetW基因; 首次检出dfrA 13 抗性基因, 且其绝对丰度高于四环素类ARGs.

  (2) 两座废水处理系统的水样中16S rRNA浓度低于市政污水处理系统的浓度水平, 并与7种ARGs的总浓度、sul Ⅰ 、sul Ⅱ 基因浓度显著正相关.

  (3) 制药废水处理系统出水仅占园区综合性废水处理系统总水量的0.87%,河南发酵废水处理, 而总ARGs的贡献率为5.05%, 传播输出最高的3种ARGs为sul Ⅰ 、floR和tetW基因.

  (4) 制药废水处理系统使废水中总ARGs浓度上升0.21个数量级, 综合性废水处理系统使废水中总ARGs浓度下降1.03个数量级; 最终出水直接排海, 可能对近海微生物群落产生影响, 应进一步评估ARGs通过废水处理系统进入环境的浓度水平和健康效应.(来源:环境科学 编辑:李奥林)


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