环境科学  2021, Vol. 42 Issue (4): 1939-1945   PDF    
ClO2消毒工艺对污水处理厂出水超级耐药基因的影响
程春燕, 李海北, 梁永兵, 师丹阳, 陈郑珊, 杨栋, 焦巧瑞, 邵一帆, 李君文, 金敏     
军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所, 天津市环境与食品安全风险监控技术重点实验室, 天津 300050
摘要: 为了研究二氧化氯(chlorine dioxide,ClO2)消毒工艺对污水处理厂出水中超级耐药基因(super antibiotic resistance genes,SARGs)的去除效果,对污水处理厂出水消毒前后的水样进行了全年采集,并采用微孔滤膜正压过滤法及核酸吸附柱-洗脱法分别富集水中细菌和胞外核酸后,利用荧光定量PCR技术对其中的9种SARGs进行定量检测.结果表明,无论是胞内还是胞外核酸,均有NDM-1MCR-1MEC-A被检测出;同时,ClO2消毒后上述3种SARGs的胞内相对总浓度明显上升(P < 0.05),且ClO2消毒对胞内SARGs相对浓度的影响与季节有关,其中春季、夏季和秋季均发生上升,且春季升高最为明显,达2倍,而冬季出水在消毒前后均未测出胞内SARGs;胞外SARGs则在ClO2消毒前后没有明显浓度变化.因此,ClO2消毒不能有效去除污水处理厂出水中胞内和胞外SARGs污染.
关键词: 污水处理厂(WWTP)      二氧化氯(ClO2)      消毒      胞内超级耐药基因(iSARGs)      胞外超级耐药基因(eSARGs)     
Effects of Chlorine Dioxide Disinfection on the Profile of the Super Antibiotic Resistance Genes in a Wastewater Treatment Plant
CHENG Chun-yan , LI Hai-bei , LIANG Yong-bing , SHI Dan-yang , CHEN Zheng-shan , YANG Dong , JIAO Qiao-rui , SHAO Yi-fan , LI Jun-wen , JIN Min     
Tianjin Key Laboratory of Risk Assessment and Control for Environment & Food Safety, Tianjin Institute of Environmental Medicine and Operational Medicine, Tianjin 300050, China
Abstract: In order to study the effects of chlorine dioxide (ClO2) disinfection on the super antibiotic resistance genes (SARGs), the final effluents before and after chlorine dioxide were sampled throughout one year in a wastewater treatment plant (WWTP). The bacteria and extracellular nucleic acid were collected using microporous membrane filtration and nucleic acid adsorption particles, respectively. A total of 9 SARGs was detected through a quantitative real-time polymerase chain reaction (qPCR). The results revealed that both intracellular and extracellular NDM-1, MCR-1, and MEC-A could be positively detected in the samples. Overall, ClO2 disinfection enhanced the relative abundance of the iSARGs (P < 0.05), exhibiting a seasonal pattern, and increasing in the spring, summer, and autumn. In spring, it improved the most, up to twice the abundance. No SARGs were detected positive in the winter, either intracellularly or extracellularly. There was no significant variation in the concentrations of eSARGs before and after ClO2 disinfection. Therefore, ClO2 disinfection cannot effectively remove iSARGs and eSARGs in the final effluent from the WWTP.
Key words: wastewater treatment plant(WWTP)      chlorine dioxide(ClO2)      disinfection      intracellular super antibiotic resistance genes(iSARGs)      extracellular super antibiotic resistance genes(eSARGs)     

超级耐药细菌(super antibiotic resistant bacteria, SARB)是一类细菌的总称, 对几乎所有抗生素耐药是其最大的特点[1].2010年8月, 世界卫生组织指出人类将面临SARB的威胁[2], 甚至有人提出SARB如NDM-1细菌10年内将无药可救.SARB产生抗生素耐药性的遗传基础是超级耐药基因(super antibiotic resistance genes, SARGs[3]), 它兼具“可复制传播”的生物特性和“不易消亡或环境持久”的物理化学特性, 可在生物体内持续传播[4].SARGs在自然界中有两种存在形式:细胞内超级耐药基因(intracellular super antibiotic resistance genes, iSARGs)和细胞外超级耐药基因(extracellular super resistance genes, eSARGs[5]), 其中eSARGs是菌体活体分泌或死亡后释放的, 可在水中持久存在[6].污水处理厂(wastewater treatment plants, WWTP)主要是处理居民生活、医疗和畜禽养殖等方面废水, 被认为是ARGs的重要储存库, 且在整个污水处理过程中各个单元均有ARGs被检测出, 同时也是细菌之间发生水平基因转移的高发区[7].目前, ARGs已经被定义为一种新型环境污染物[8], 因此深入研究污水处理过程中SARGs的污染特征, 对今后有效控制水中SARGs污染有重要意义.

消毒处理对提高WWTP出水的生物安全性具有重要意义, 它能够高效杀灭水中多种病菌和病毒.然而, 有研究表明消毒过程并不能有效去除iARGs[9, 10], 而且更为严重的是, 笔者发现WWTP出水经二氧化氯(chlorine dioxide, ClO2)消毒后, 16种iARGs的相对浓度升高[11].考虑到ClO2杀菌机制主要与细菌蛋白质变性和渗漏有关, 且已有研究表明, 只有当消毒剂使用浓度远远高于杀菌浓度时, 才会破坏消毒致死细菌释放的质粒及其ARGs[12].因此, 消毒过程有可能帮助死亡SARB释放其DNA, 成为水体游离的eSARGs.目前, 关于ClO2消毒对水中iSARGs和eSARGs污染的影响, 还未见报道.

本研究对天津市某污水处理厂出水消毒前后的水样分别进行iSARGs和eSARGs的富集和定量检测, 通过分析ClO2消毒对水中SARGs的影响, 探讨ClO2消毒对水中SARGs的去除效果, 以期为以后WWTP消毒工艺的改进提供参考.

1 材料与方法 1.1 主要仪器与试剂

正压过滤器(海宁市能大过滤设备有限公司)、蠕动泵(上海安亭科学仪器厂)、ViiA 7Dx荧光定量PCR仪(美国ABI公司)和台式冷冻高速离心机(美国Sigma公司)等.

水相微孔过滤膜(北京北化黎明膜分离技术有限责任公司)、硅胶(中国昆海公司)、SYBR Green荧光定量PCR试剂盒(瑞士Roche公司)、普通DNA产物纯化试剂盒(北京天根生化科技有限公司)和Fast DNA Spin Kit for Soil(美国MP Bio公司)等.

1.2 水样采集

水样采自天津市某WWTP出水池, 采集ClO2消毒前(采样点1)和消毒后(采样点2)的水样, 具体如图 1所示, 消毒池中ClO2使用浓度为8~9mg·L-1, 消毒后水样中ClO2残留量为0.07~0.63 mg·L-1.采样时间为2016年1月至2016年12月, 每月采集水样3次(因7月天津持续强暴雨影响, 污水厂水位过高, 未能采样).采集的水样冷藏条件下迅速送至实验室开展实验.

图 1 污水处理厂工艺示意 Fig. 1 Schematic diagram of wastewater treatment in the WWTP

图 2 全年污水处理厂出水中超级耐药基因浓度变化(n=33) Fig. 2 Change in the concentration of SARGs in the WWTP throughout the year

1.3 细菌的富集和胞内核酸的提取[11]

将无菌微孔滤膜(孔径0.22 μm)装入正压过滤器, 并通过蠕动泵, 使20 L水样匀速(50 mL·min-1)通过滤膜, 然后将滤膜剪碎并收集到装有100 mL 3%牛肉膏洗液的玻璃瓶中, 置于磁力搅拌器上搅拌30 min(4℃).将细菌悬液收集到50 mL的离心管中, 离心(4℃, 8 000 r·min-1, 10 min)弃上清后, 将细菌沉淀物悬浮于10 mL PBS缓冲液中, 置于-80℃保存, 待检测.细菌DNA采用Fast DNA Spin Kit for Soil进行提取.

1.4 胞外游离核酸的富集

文献[13]将高压灭菌的Al(OH)3溶液与60~100目的硅胶充分混合, 制备核酸吸附颗粒.以质粒PBR322作为内参, 加入到20 L水样中, 充分混匀, 使其最终浓度为20 copies·mL-1.利用蠕动泵, 使水样以一定流速(50 mL·min-1)通过装有80~90 g核酸吸附颗粒的过滤柱(直径5 cm), 过滤结束后用300 mL洗脱液(15 g·L-1氯化钠, 30 g·L-1胰蛋白胨, 15 g·L-1牛肉粉, 3.75 g·L-1甘氨酸, 0.28 g·L-1氢氧化钠, pH 9.3±0.2)洗脱滤柱, 收集洗脱液并加入等体积异丙醇, 室温放置16 h后离心(4℃, 10 000 r·min-1, 10 min)弃上清; 75%乙醇重悬并洗涤沉淀, 离心(4℃, 10 000 r·min-1)5 min后放置1~2 min, 使乙醇充分挥发, 加入1 mL无菌Tris-EDTA缓冲液(pH 8.0)进行重悬后, 利用普通DNA产物纯化试剂盒纯化胞外核酸, 置于-80℃保存, 待检测.

1.5 SARGs的定量检测

利用荧光定量PCR技术(quantitative real-time polymerase chain reaction, qPCR)检测9种SARGs.其中, 耐碳青霉烯类基因包括NDM-1KPCIMPVIMOXA-48; 耐万古霉素类基因包括VAN-B; 耐多粘菌素类基因包括MCR-1; 耐甲氧西林类基因包括MEC-AFEM-A.SARGs标准曲线的建立方法参照文献[14].各种SARGs的引物及标准品均由上海生工生物工程有限公司合成(表 1).

表 1 本文所用的检测引物1) Table 1 Primers used in this study

qPCR反应体系包括FastStart Universal SYBR Green Master(Rox)10 μL, 基因上下游引物(10 μmol·L-1)各0.4 μL, 模板2 μL, 无酶水补至20 μL.反应条件:50℃ 2 min; 95℃ 10 min; 95℃ 15 s, 60℃ 60 s, 40个循环.每批次反应均设置阳性对照(SARGs阳性标准品为模板)和阴性对照(以无酶水为模板), 每个基因检测3次.

1.6 水中eSARGs浓度的计算

为保证水样eSARGs浓度的准确计算, 将PBR322作为内参, 加入到待测水样中, 利用qPCR检测其富集前后的浓度, 确定其回收率[11].胞外核酸回收率和eSARGs实际浓度的计算参照公式(1)和(2):

(1)

式中, A为水样里PBR322的实际加标总拷贝数(copies), B为浓集液中PBR322的拷贝数(copies), C是水样中PBR322的背景拷贝数(copies).

(2)

式中, D为利用qPCR测得的水样eSARGs浓度(copies·L-1).

1.7 数据统计与分析

用SPSS 18.0(SPSS Inc., Chicago, Illinois)软件进行统计学分析, 利用Origin 9.6(Microcal Software, USA)进行作图.数据满足正态性要求的(比较消毒前后变化)用Paired-Sample t检验, 数据不满足正态性要求的(比较消毒前后变化)用Wilcoxon检验, 比较多个独立样本的分布差异用Kruskal-Wallis H检验, P<0.05为差异有统计学意义.

2 结果与讨论 2.1 ClO2消毒对水中SARGs检出频率的影响

将WWTP出水ClO2消毒前后的水样同时进行iSARGs和eSARGs检测, 结果显示(表 2), 仅有NDM-1MCR-1MEC-A这3种SARGs被不同程度检出, 而其它6种SARGs均未被检出.对于iSARGs, 消毒后水样的MCR-1MEC-A检出率较消毒前均发生了下降; 在eSARGs中, 可发现MEC-A的检出率在消毒后出现了上升, 由消毒前的45%变为消毒后的55%.曹振华等在南京地区污水厂的出水中, 也检出MCR-1NDM-1污染[14], 以上结果表明目前的污水处理工艺无法有效去除MCR-1NDM-1MEC-A等SARGs.

表 2 污水处理厂超级耐药基因的检出率(n=33)/% Table 2 Detection rate of SARGs in the WWTP/%

2.2 ClO2消毒对水中iSARGs的组成及其浓度的影响

将全年收集的所有水样进行统计分析, 观察ClO2消毒对水中iSARGs的影响[图 2(a)].结果表明, 未经ClO2消毒时, 水中NDM-1MCR-1MEC-A的平均相对总浓度为1.86, 经过ClO2消毒后, 胞内平均相对总浓度发生明显上升(P<0.05), 达到3.52, 较消毒前提高1.89倍[图 2(a)].进一步观察可发现, 经过ClO2消毒后的3种基因中, 以MEC-A上升最明显(P<0.05), 相对浓度达到0.4, 较消毒前提高7倍, NDM-1MCR-1相对浓度在消毒后具有上升的趋势, 但没有显著性差异(P>0.05).以上结果说明ClO2消毒具有促进水中iSARGs污染的作用.Liu等[11]的研究也发现ClO2消毒会增加iARGs的丰度, 相对浓度最高可增加7.8倍, 而Shi等[25]根据宏基因组测序, 发现氯化过程会提高ampCtetA丰度.该现象可能与细菌消毒剂抗性/抗生素耐药性的共选择有关[12], 也可能与消毒导致细菌死亡释放ARGs, 而ARGs可转化存活损伤细菌导致iSARGs浓度升高有关, 另外, 氯剂量不足下的耐药质粒结合转移提升也可能与之有关[26].因此, 为了控制水环境中SARB的传播和扩散, 目前的污水处理厂ClO2消毒工艺有待进一步提高.

结果还显示, 对于消毒前NDM-1MCR-1MEC-A呈阳性的水样, ClO2消毒后的相对浓度发生显著性变化(P<0.05), 其中既有相对浓度增加的现象, 也有相对浓度减少的个例[图 3(a)], 对于MEC-A, 100%阳性水样发生增加(P<0.05), 最高提高倍数为8倍(8月); 对于MCR-1NDM-1, 分别为86%和66%阳性水样发生增加, 但均无显著性差异(P>0.05).值得关注的是, MEC-A在9和11月的消毒前水样中未测出, 但在消毒后其浓度分别达到0.04和0.1.

图 3 ClO2消毒后水中超级耐药基因浓度的提高倍数(n=3) Fig. 3 Change in the concentration of SARGs in the water before and after ClO2 disinfection

进一步研究不同时间段ClO2消毒对水中iSARG组成的影响[图 4(a)], 结果表明, iSARGs的检出时间分布于4~11月, 而其它时间点均无检出.同时, NDM-1只出现在4~6月, 平均相对浓度由消毒前的0.008, 变为消毒后的0.013, MEC-AMCR-1均出现在4~11月, 平均相对浓度分别由消毒前的0.009和0.25, 变为消毒后的0.057和0.44.因此, 对于污水处理厂消毒后的水样, 除12月和1~3月未被检测出, 4~6月的iSARGs种类最丰富, 包含NDM-1MCR-1MEC-A, 而其他月份只含有2种上述iSARGs.

图 4 每月污水处理厂出水中超级耐药基因的组成及其浓度(n=3) Fig. 4 Compositions and concentrations of SARGs in the WWTP by month

2.3 ClO2消毒对水中eSARGs的组成及其浓度的影响

将全年收集的所有水样进行统计分析, 观察ClO2消毒对水中eSARGs的影响[图 2(b)].结果表明, 未经ClO2消毒时, 水中胞外NDM-1MCR-1MEC-A总浓度平均为4.80×105 copies·L-1, 其中MCR-1浓度最高, 为2.86×105 copies·L-1, MEC-A最低, 仅有7.55×103 copies·L-1.经ClO2消毒后, 水中胞外NDM-1MCR-1MEC-A总浓度平均与消毒前无显著性差异(P>0.05), 为3.65×105 copies·L-1.结果还显示[图 3(b)], 对于消毒前呈NDM-1阳性的水样, 有55%发生显著增加(P<0.05), 提高倍数最高为6.5倍.对于消毒前呈MCR-1阳性的水样, 有28%发生增加, 但无显著性差异(P>0.05).同时还发现, MCR-1在3月未消毒水样中没有被检测出, 但消毒后浓度增加至6.34×104 copies·L-1, 而MEC-A, 在12月未消毒水样中没有被检测出, 消毒后水样中其浓度为1.46×103 copies·L-1.水中eSARGs的污染与细菌死亡释放的核酸有关, 据报道, 即使ARB通过消毒完全失活, 其释放的质粒仍可在水中持久存在且保持转化功能, 在一定条件下, 它们可以转化自然感受态细菌而进入细菌, 导致抗生素耐药性的水平转移和扩散[12].另外, 不同eSARGs对消毒剂的抵抗能力不同, 可能是它们在水中污染种类和丰度呈多态性的主要原因.

进一步研究不同时间段ClO2消毒对水中eSARGs组成的影响[图 4(b)], 结果显示, 经过ClO2消毒后, NDM-1在1、3、4、5、6、9、10、11和12月被检测出, 平均浓度由消毒前的1.53×104 copies·L-1, 变为消毒后的1.67×104 copies·L-1, 而MEC-A出现在1、6、8、9、10和12月[1、6、9和10月因浓度较低, 图 4(b)未显示], 平均浓度由消毒前的1.18×103 copies·L-1, 变为消毒后的6.74×102 copies·L-1, MCR-1出现在1、2、3、4、5、6和11月, 平均浓度由消毒前的3.55×104 copies·L-1, 变为消毒后的3.01×104 copies·L-1.由上可观察到, 水样经消毒后, 全年所有月份均检出eSARGs, 其中1月和6月的eARGs最丰富, 可检出NDM-1MCR-1MEC-A, 而其它时间, 只能检出1~2种.

2.4 不同季节ClO2消毒对水中SARGs浓度的影响

根据消毒时间所处季节, 观察ClO2消毒对水中iSARGs的影响[图 5(a)].结果显示, 未经ClO2消毒时, iSARGs平均相对总浓度在春季最高, 为1.23, 其次是夏季和秋季, 分别为0.42和0.21.经ClO2消毒后, 春季、夏季和秋季的iSARGs平均相对总浓度均发生上升, 其中春季达到一年中的最高值, 为2.46, 与消毒前相比, 春季iSARGs平均相对总浓度升高2倍(P<0.05).值得关注的是, 冬季的水样不管消毒与否均未检出iSARGs, 暗示SARB可能在冬季流行相对较弱, Yuan等[27]的研究也指出季节对于污水处理厂的ARB释放负荷有相当大影响, 其在冬季释放负荷极低.进一步研究不同季节ClO2消毒对各个基因相对浓度的影响[图 5(a)], 可观察到, 在春季, 以NDM-1相对浓度增加倍数最大, 由消毒前的0.01, 变为消毒后的0.038, 提高3.8倍(P>0.05); 在夏季, 以MEC-A相对浓度增加倍数最大, 由消毒前的0.007, 变为消毒后的0.013, 提高1.86倍(P>0.05); 在秋季, 以MEC-A相对浓度增加倍数最大, 由消毒前的0.004, 变为消毒后的0.037, 提高9.25倍(P>0.05).贺赟等[28]的研究也发现不同季节污水处理厂处理效果不同, 其优势菌属也存在差异.因此, 污水处理厂出水中iSARGs的污染种类和浓度与季节密切有关, 且与ClO2消毒过程息息相关.

图 5 不同季节污水处理厂出水中超级耐药基因浓度(n=9) Fig. 5 Concentrations of SARGs in the WWTP in different seasons

对全年收集的所有水样进行统计分析, 观察不同季节ClO2消毒对水中eSARGs的影响[图 5(b)].结果显示, 未经ClO2消毒时, eSARGs总浓度平均在夏季达到最高, 为1.76×105 copies·L-1, 其次是秋季和冬季, 最低是春季, 其总浓度平均为6.85×104 copies·L-1.经ClO2消毒后, 总浓度平均在冬季达到最高, 为1.63×105 copies·L-1, 其次是春季和夏季, 最低是秋季, 其总浓度平均为4.88×104 copies·L-1.但是, 经统计学分析, 各季节的eSARGs总浓度在消毒前后并无显著性差异(P>0.05).进一步研究各个基因在不同季节的变化[图 5(b)], 可观察到各个基因总浓度在消毒前后均无显著性差异(P>0.05).以上结果表明, ClO2消毒对水中eSARGs的影响与温度无关.

3 结论

(1) WWTP出水消毒后, 仍可检出胞内和胞外NDM-1MCR-1MEC-A等SARGs, 其中, iSARGs在4~6月, 而eSRAGs在1月和6月可同时检出上述3种SARGs.

(2) 经ClO2消毒后, WWTP出水的胞内NDM-1MCR-1MEC-A平均相对总浓度显著提升, 且MEC-A提高倍数达7倍; ClO2消毒对iSARGs相对浓度的影响与季节有关, iSARGs相对总浓度在春季、夏季和秋季均发生上升, 且春季升高最为明显, 达2倍, 而冬季出水在消毒前后均未测出iSARGs.

(3) 经ClO2消毒后, WWTP出水的胞外NDM-1MCR-1MEC-A总浓度平均未明显变化.

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