氯消毒相對其他消毒方法在去除抗生素抗性基因中更經(jīng)濟(jì)可行
【杭州水處理設(shè)備網(wǎng)www.ppyswfy.cn】抗生素及其殘留會(huì)引發(fā)抗生素抗性基因污染�？股乜剐曰虮灰暈橐环N新型的環(huán)境污染物，環(huán)境科研領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，其分布情況和傳達(dá)機(jī)制成為現(xiàn)今研究的焦點(diǎn)。通過總結(jié)水環(huán)境中抗生素抗性細(xì)菌和抗性基因的分布以及消毒工藝對抗生素抗性基因的去除效果，認(rèn)為氯消毒相對其他消毒方法在去除抗生素抗性基因中更經(jīng)濟(jì)可行，且消毒處置可以影響抗性基因的接合轉(zhuǎn)移率，從而對抗性基因的水平轉(zhuǎn)移起到抑制作用，并可能進(jìn)一步影響到抗生素抗性基因的傳達(dá)和擴(kuò)散。
抗生素抗性基因(antibioticresistancegenes,A RG能對抗生素產(chǎn)生抗性的基因，微生物，包括病原微生物，耐藥性形成和擴(kuò)散的物質(zhì)基礎(chǔ)，一類新型環(huán)境污染物。能在微生物包括病原微生物間傳播，還可從細(xì)菌、人類散播源和動(dòng)物源等傳播擴(kuò)散到自然環(huán)境和飲用水系統(tǒng)中。甚至ARG能通過攜帶抗性基因的質(zhì)粒等可移動(dòng)遺傳元件進(jìn)入人體，致使抗生素療效下降，細(xì)菌感染的治療更加棘手。有報(bào)道世界上每年因抗結(jié)核桿菌受影響人數(shù)達(dá)50萬，歐盟每年約2.5萬人死于感染多重抗性細(xì)菌，美國每年約6.3萬人死于醫(yī)院獲得性細(xì)菌感染。目前臨床上使用的所有抗生素幾乎都存在其抗性細(xì)菌(antibioticresistancebacteria,A RB甚至呈現(xiàn)“超級細(xì)菌”如“新德里.梅塔洛一號”NewDelhi-Metallo-1,NDM-1因此，ARG極可能引發(fā)公共健康危機(jī)。
環(huán)境中ARG主要發(fā)生于醫(yī)療和畜牧業(yè)臨時(shí)濫用或誤用抗生素，從而使水體、土壤、活性污泥等環(huán)境介質(zhì)成為ARB或ARG源和匯。目前，已有大量報(bào)道在水環(huán)境、土壤、堆積物中檢測到ARG甚至空氣中也檢測到ARG這些ARG可持久存在于環(huán)境中，并且在攜帶ARG微生物死亡后，釋放到環(huán)境中的裸露的DNA 分子最終又可通過基因重組轉(zhuǎn)入其它微生物而使其具有抗性，給人類和動(dòng)物平安帶來潛在威脅。特別是水環(huán)境已成為ARG散播的重要介質(zhì)，也是ARG重要貯存庫之一。本文論述了ARG水環(huán)境中的分布，總結(jié)了目前水處置工藝中消毒對ARG去除效果，并探討了消毒處置對其傳播擴(kuò)散的影響機(jī)制水處理設(shè)備。
1A RG水環(huán)境中的分布及傳播擴(kuò)散
A RG和ARB已被證明在地表水、市政污水、污水處置廠出水以及飲用水中普遍存在且種類繁多，迄今已在各種水體中檢測出上百種ARG例如在北美、歐洲、東亞和東南亞等地區(qū)的9個(gè)國家的飲用水、海水、地表水、醫(yī)療廢水、化糞池及污水處置廠檢測出大環(huán)內(nèi)酯類(如aphA 1aphA 2aadA 1磺胺類(如dfrA 12dfrA 17sulIβu內(nèi)酰胺類(如blaTEM-1blaOXA -1blaPSE-1四環(huán)素類(如tetA tetHtetJtetYtetZ青霉素類(如mecA penA 和大環(huán)內(nèi)酯類(如ermA mphA 等多達(dá)50種ARG表1一般認(rèn)為水環(huán)境中的這些ARG主要通過醫(yī)療和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水直接進(jìn)入地表水體，也可由糞便施肥使其先進(jìn)入到土壤環(huán)境，再隨雨水等地表徑流滲透到地下水中。因此，ARG水環(huán)境中廣泛分布，特別是污水處置廠，由于含抗生素和ARB廢水直接排入其中而富集大量ARG成為ARG集聚和傳播的一個(gè)重要媒介。如Su等從污水廠分離到98.4%菌株對檢測的抗生素具有抗性，90.6%菌株至少對3種抗生素表示出抗性。水體環(huán)境中這些ARB和ARG存在不只會(huì)威脅到飲用水平安，也可能影響到水資源的循環(huán)利用。研究發(fā)現(xiàn)，用淡水和處置后廢水灌溉過的土壤均檢測出高水平的抗生素抗性�？梢�，水環(huán)境中ARG普遍存在且可能對人類健康和環(huán)境生態(tài)帶來影響.實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備。
A RG主要通過垂直基因轉(zhuǎn)移(verticalgenetransfer,VGT和水平基因轉(zhuǎn)移(horizontalgenetransfer,HGT兩種方式進(jìn)行傳達(dá)擴(kuò)散。垂直基因轉(zhuǎn)移是依靠微生物親代之間的分裂生殖進(jìn)行;水平基因轉(zhuǎn)移則是ARG通過接合(conjug轉(zhuǎn)化(transform轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduct轉(zhuǎn)座以及細(xì)菌溶源性基因轉(zhuǎn)移等過程發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使另一菌株獲得抗性的過程，水體環(huán)境中ARG轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的重要方式。早在20世紀(jì)40年代就有微生物水平基因轉(zhuǎn)移的描述，并提出HGT發(fā)生是由選擇性壓力和生物進(jìn)化發(fā)生的一種普遍現(xiàn)象。如有研究發(fā)現(xiàn)攜帶四環(huán)素類抗性基因的質(zhì)粒在大腸埃希氏菌(Escherichiacoli和氣單胞菌(Aeromonasspp.之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，另外，還觀察到耐萬古霉素腸球菌(vancomycin-resistantEnterococcus,VRE與耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA 間抗性基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。其中，HGT對ARG通過水傳微生物進(jìn)行傳達(dá)擴(kuò)散起到重要作用。正是由于水平基因轉(zhuǎn)移的存在致使ARG不只可以在水體環(huán)境中從親代傳送給子代，還可以在同種屬或不同種屬微生物間進(jìn)行基因傳送。甚至在細(xì)菌、真菌、病毒和真核生物基因組均觀察到基因的水平轉(zhuǎn)移。因此，水體環(huán)境中ARG存在及其通過水傳微生物的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散給人體健康和水的生物平安性帶來隱患水處理設(shè)備。
A RG作為新型的環(huán)境污染物在水環(huán)境中可通過水傳微生物進(jìn)行散播。研究發(fā)現(xiàn)，水處置過程中水傳微生物攜帶ARG不只會(huì)使水體中ARG濃度增加,還可能進(jìn)入到水源水和給水系統(tǒng)。Zhang等已在飲用水系統(tǒng)中廣泛檢測到ARB和ARG也有報(bào)道在大型給水廠中檢測到9個(gè)種或?qū)俚?span>ARG且出現(xiàn)較高豐度。而參與鄉(xiāng)村水循環(huán)的地表水更是擴(kuò)散致病微生物和ARG重要載體之一。因此，如何有效去除和控制水環(huán)境中的ARG需要重點(diǎn)關(guān)注。而消毒是殺滅水中對人體健康有害的致病微生物的重要方式，可防止通過飲用水傳達(dá)疾病。也是生活飲用水平安、衛(wèi)生的最后保證。特別是氯消毒因其具有經(jīng)濟(jì)和高效的特性，因而被廣泛應(yīng)用于廢水和飲用水消毒。
2消毒對ARG和(或)ARB豐度的影響
消毒通�？梢越档统鏊械募�(xì)菌總量，從而對ARG削減起到一定作用。但對ARG去除效果還會(huì)受消毒方式等影響。目前，國內(nèi)外使用的消毒方法包括化學(xué)消毒法(如鹵素消毒劑、臭氧和過氧乙酸等)物理消毒法(如膜過濾截留微生物)和光化學(xué)消毒法(如紫外線)以及電化學(xué)消毒法。廣泛應(yīng)用的主要有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧殺菌和紫外線照射及氧化消毒等，盡管這些消毒方法一般都能在水處置過程中去除部分ARB或ARG但在污水處置廠的出水中它檢出率仍然較高，且相對總量和種類在出水中變化不大(表2甚至呈現(xiàn)ARG相對豐度升高現(xiàn)象。例如氧化和UV消毒對ARG去除幾乎沒有效果，對少數(shù)ARG去除率能達(dá)到1~2個(gè)數(shù)量級，但氯消毒對ARG去除可以達(dá)到2~3個(gè)數(shù)量級，而消化處理、人工濕地及其它非消毒處置對ARG去除最多達(dá)到1個(gè)數(shù)量級。
由于ARG去除率不只受消毒方法的影響，還會(huì)受到細(xì)菌攜帶抗性類型、消毒劑量和多種消毒方法結(jié)合使用等多種因素影響，因此很難明顯降低或徹底清除ARG污染。如Xu等用高通量定量PCR檢測不同水處理工藝的給水廠出水時(shí)發(fā)現(xiàn)兩給水處置廠經(jīng)消毒處理的出水中ARG相對豐度都提高了因?yàn)橐话愕慕o水廠或污水廠處置過程基本沒有專門針對去除ARG而設(shè)計(jì)的工藝，且水體中ARG含量還可能受補(bǔ)給、水量、季節(jié)變化、用途及流經(jīng)地區(qū)等因素影響，因此物理法、化學(xué)法和生物法對ARG去除效果并不明顯。由于目前消毒工藝對ARB和ARG控制效應(yīng)數(shù)據(jù)也還較少，所以難以提出較有效的方法和途徑來遏制ARG散播。
表2不同處置方法對ARBARG去除效果
水污染
3消毒對ARG水平轉(zhuǎn)移的影響機(jī)制
消毒可對細(xì)菌的接合效率發(fā)生作用而影響到ARG水平轉(zhuǎn)移。如Guo等發(fā)現(xiàn)低UV劑量(達(dá)到8mJ/cm2對接合轉(zhuǎn)移頻率能產(chǎn)生影響，但影響很小，而低氯消毒劑量(達(dá)到40mgClmin/L能明顯提高接合轉(zhuǎn)移的頻率25倍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高劑量的UV>10mJ/cm2或氯消毒(>80mgClmin/L下ARG轉(zhuǎn)移的頻率均相對降低。Lin等也對UV和氯處理對ARG轉(zhuǎn)移率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)UV和低水平氯消毒處置都能降低接合效率。表示為當(dāng)UV劑量(5~20mJ/cm2逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)移率逐漸降低，而氯消毒處置時(shí)，轉(zhuǎn)移率沒有變化(氯劑量為0.05~0.2mg/L或轉(zhuǎn)移率較低甚至低于檢出限(氯劑量為0.3~0.5mg/L可見，UV和氯劑量較低對ARG水平轉(zhuǎn)移幾乎沒有影響，當(dāng)UV劑量在10~20mJ/cm2隨著劑量的增加能使ARG轉(zhuǎn)移率逐漸降低。
消毒對ARG水平轉(zhuǎn)移影響的具體機(jī)制有：一是通過降低供體細(xì)菌的存活率，從而降低接合轉(zhuǎn)移率;二是使細(xì)胞滲透性發(fā)生變.實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備化。研究發(fā)現(xiàn)氯消毒產(chǎn)生的氯胺能撫慰細(xì)菌改變細(xì)胞滲透性，使接合細(xì)胞的外表會(huì)出現(xiàn)更多的菌毛，提高ARG接合轉(zhuǎn)移率，從而促進(jìn)ARG水平基因轉(zhuǎn)移;三是抑制相關(guān)轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)。如在較低余氯(0.05~0.2mg/L可能對鞭毛基因(flagellargenflgC膜外蛋白基因(anoutermembraneporingene,ompF和DNA 轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因(aDNA transport-relatedgene,traG表達(dá)發(fā)生抑制，從而降低水平基因轉(zhuǎn)移率;四是通過集聚不同質(zhì)粒、插入序列和整合子，從而提高ARG水平基因轉(zhuǎn)移的發(fā)生。如Shi等在給水廠發(fā)現(xiàn)ampCaphA 2blaTEM-1tetA tetGermA 和ermB基因氯消毒后發(fā)生了富集，并通過宏基因組分析認(rèn)為飲用水氯化處置確實(shí)能富集多種ARG同時(shí)質(zhì)粒、插入序列和整合子等與ARG水平轉(zhuǎn)移相關(guān)的可移動(dòng)遺傳元件也會(huì)發(fā)生集聚�？梢�，消毒處置時(shí)消毒劑的類型及劑量對ARG水平轉(zhuǎn)移能起到促進(jìn)作用也可能發(fā)生抑制，同時(shí)，消毒時(shí)間也會(huì)對其產(chǎn)生影響。并且，消毒處置對ARG和可移動(dòng)遺傳元件的富集作用也能進(jìn)一步促進(jìn)ARG水平基因轉(zhuǎn)移。
4總結(jié)與展望
研究發(fā)現(xiàn)，ARG污染通過HGT進(jìn)行傳達(dá)擴(kuò)散對我人類和動(dòng)物的影響甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)逾越抗生素殘留自身發(fā)生的影響。因?yàn)榛蛭廴静煌谝话悱h(huán)境污染物，其具有遺傳性且一旦散播到環(huán)境中難以控制和消除，對人類和生態(tài)環(huán)境的影響將是臨時(shí)的和不可逆的因此，如何有效預(yù)防和降低其轉(zhuǎn)移擴(kuò)散帶來的環(huán)境影響是一項(xiàng)重要課題。本文分析了水環(huán)境中ARG廣泛分布，指出水體已成為ARG匯聚和擴(kuò)散的重要介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)消毒在水處理中對ARG去除能起到一定作用，但效果不明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)消毒處置后ARG相對豐度升高現(xiàn)象，即消毒能降低ARG絕對量，但相對豐度會(huì)增加。并認(rèn)為消毒能通過影響細(xì)菌的接合效率、使細(xì)胞滲透性發(fā)生變化和抑制相關(guān)轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)以及對ARG和可移動(dòng)遺傳元件富集而對ARG水平轉(zhuǎn)移發(fā)生作用。表示為UV劑量低于20mJ/cm2時(shí)，對ARG水平轉(zhuǎn)移影響較小，甚至出現(xiàn)降低水平基因轉(zhuǎn)移率;而氯消毒劑量達(dá)到40~80mgClmin/L時(shí)，能對ARG水平轉(zhuǎn)移起到促進(jìn)作用。
目前，針對水環(huán)境中ARG去除，較多已有的研究只是檢測水環(huán)境中消毒后ARB或ARG豐度變化，很少報(bào)道消毒對水環(huán)境中ARG去除影響的具體機(jī)制。雖然也有關(guān)于多種消毒方法對ARG去除的對比及機(jī)制探討，但還是難以很好揭示水中較高的ARB或ARG比例，特別是實(shí)際消毒過程中消毒及其副產(chǎn)物對ARG作用規(guī)律仍需進(jìn)一步探究。另外，對于不同環(huán)境介質(zhì)中ARBARG及可移動(dòng)遺傳元件的檢測與表征大體包括激進(jìn)微生物培養(yǎng)法和分子生物學(xué)方法，但相關(guān)采樣、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果表達(dá)等需要進(jìn)一步建立和完善，使其更加規(guī)范化和系統(tǒng)化，也方便在不同方法和實(shí)驗(yàn)室條件下對所得研究結(jié)果進(jìn)行比擬。
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