抗生素作为一类由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活和生产过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次生代谢物, 已被广泛应用于医疗保健、家禽养殖和水产养殖等领域, 用于提高人类健康和促进农业生产^[1]. 然而, 抗生素的过度使用以及不当的后续处置会导致大量抗生素排放到环境中, 从而使病原菌产生抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs）^[2]. ARGs存在于多种可移动遗传元件（mobile genetic elements, MGEs）中, 例如整合子和质粒等, 它们通过接合、转导和自然转化在不同细菌间传播和扩散, 导致ARGs遍布在农作物、土壤和地下水等生态环境中的每个角落, 进而会污染肉、蛋、蔬菜和水果等食物来源^[3]. 目前, 研究人员已在多种食用作物和动物中检测到ARGs, 而部分ARGs最终会残留在餐厨垃圾中. 随着人口和经济的快速发展, 餐厨垃圾产量与日俱增, 全球每年产生约1.3亿t餐厨垃圾, 而在中国, 餐厨垃圾产量已占城市生活垃圾总量的50%以上^{[4, 5]}. 餐厨垃圾中含有大量的ARGs, 特别是四环素类、磺胺类、氟喹诺酮类和β内酰胺类等抗性基因, 一项研究从餐厨垃圾中检测到171种ARGs, 其绝对丰度随储存时间的变化可提高126倍^[3]. 餐厨垃圾的不当处置和利用, 如直接卫生填埋或将生物处理后的固体残留物用作肥料等都会导致ARGs进一步传播到土壤和水体等环境中, 最终通过水循环和食物链给人类生命健康和生态环境带来潜在的危害^[6], 因此餐厨垃圾中存在的ARGs已不容忽视. 由于餐厨垃圾中的抗生素来源于不同的途径, 给环境介质中的抗生素抗性细菌带来选择压力, 并刺激耐药性传递, 一旦细菌产生耐药性, 它们可通过两种机制进行传播, 即水平基因转移和垂直基因转移^[7]. 如何精准检测和高效去除餐厨垃圾处置和资源化过程中的ARGs或者限制其传播已成为目前的研究热点.

厌氧消化（anaerobic digestion, AD）因其简单、高效的工艺特点, 清洁、环保的技术理念及对节能减排的突出贡献被认为是一种高效的餐厨垃圾资源化利用途径, 其可在回收生物甲烷的同时, 能够有效去除部分致病菌和ARGs^[8]. 然而, 有研究人员也发现某些ARGs丰度在厌氧消化过程可能会升高^[9], 但总体来说呈下降趋势. 餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程的去除和传播效果受多种因素影响, 包括预处理方式、AD过程运行参数和外源添加剂种类等^{[10 ~ 12]}, 而明晰餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程的迁移规律和去除机制对厌氧消化预处理工艺的选择、运行参数的精准设计、外源添加剂的选择和高效安全生物转化至关重要. 目前已有很多文献对餐厨垃圾和污泥等有机固体废弃物中ARGs在厌氧消化过程的去除效果、迁移规律和去除机制进行了报道, 针对各自工艺对ARGs的去除效果和机制也有不同的解析^{[6, 13]}. 然而, 目前针对ARGs在厌氧消化过程的去除效果、迁移规律和影响机制的总结和概述较少, 特别是针对餐厨垃圾在该研究领域的综述几乎没有报道. 目前仅有的综述只是对餐厨垃圾和污泥等有机固体废弃物中ARGs在厌氧消化过程中去除效果和影响因素进行了报道, 还没有发现关于餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程中迁移规律和去除机制的分析和总结^[14]. 综上, 本文拟结合近年来已有的相关研究和最新进展, 尝试总结餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程的去除效果、迁移规律和去除机制；讨论AD过程不同工艺参数、外源添加导电材料及原料预处理等策略对餐厨垃圾中ARGs在AD过程中的去除效果、传播途径及去除机制的影响, 进而分析和总结餐厨垃圾中ARGs在AD过程的归趋；最后, 在已有研究基础上对未来提升餐厨垃圾AD过程中甲烷产率和ARGs去除效果进行了展望并提出建议, 以期为该领域研究人员深入了解餐厨垃圾中ARGs在AD过程中的归趋提供有用的见解.

随着抗生素在食用动物饲养、水产养殖和农业生产中的广泛使用, 已在多种食用作物（蔬菜和水果）和食用动物（包括鱼肉、牛肉、虾等）中频繁检测到抗生素抗性细菌（antibiotic resistant bacteria, ARB）和ARGs^[15]. 新鲜食物一般会携带具有MGEs的ARB, 如沙门氏菌（Salmonella）、空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）和（Escherichia coli）等, 而以上ARB和ARGs会最终和食物一起进入到餐厨垃圾中, 是生态环境中ARGs的来源之一, 如处置不当, 可能会给人类健康带来潜在的风险^[16]. 如图 1所示, 餐厨垃圾中残留的抗生素及其代谢产物来源之一是动物养殖和蔬菜种植过程使用的抗生素. 一般来说, 动植物食品中抗生素的数量级通常为ng·g^-1, 而已有报道显示大型餐厨垃圾处理厂垃圾渗滤液中会检测出磺胺二甲嘧啶（22~74 640 mg·L^-1）、磺胺甲唑（47~18 943 mg·L^-1）、环丙沙星（2~322 645 mg·L^-1）、恩诺沙星（3~155 557 mg·L^-1）和氧氟沙星（36~654 691 mg·L^-1）等抗生素^{[17 ~ 19]}. 上述途径残留的抗生素会给环境介质中的ARB带来选择压力, 并刺激耐药性传递. 另一方面, 粪便中残留的抗生素可高达136 mg·kg^-1, 施用含有高残留抗生素的粪肥也可能使ARGs从受污染土壤传播到新鲜食物中, 并在餐厨垃圾中被检出, 有研究显示外源ARGs可在改良土壤中存在长达10个月^[20]. ARB可以产生多种抗生素耐药机制, 如抗生素外排泵、靶位修饰、酶失活和限制抗生素吸收等, 而细菌产生的耐药性可通过垂直基因转移或水平基因转移机制进行传播^[21]. 在垂直基因转移中, ARGs通过细菌复制或自发突变传递, 而在水平基因转移中, 以MGEs作为传递载体, 抗性基因通过接合、传导和转化进行传递^[22]. 在接合过程中, ARB通过接合菌毛将遗传信息转移到其他细菌；在传导过程中, 噬菌体（病毒）攻击ARB, 并将其噬菌体DNA与细菌DNA混合；而在转化过程中, 细胞裂解后环境中存在的抗性DNA被其他细菌细胞吸收, 因此变得具有抗生素抗性^[23]. 此外, 餐厨垃圾在收集、分类、运输以及后续处理过程中, 需要储存数天或数周, 会影响ARGs的种类和丰度. Lin等^[3]在短期储存的餐厨垃圾中总共检测到171个ARGs和32个MGEs, 该研究发现ARGs的绝对丰度随着储存时间显著增加, 最高达初始丰度的126倍, 而MGEs和食物类型分别是影响ARGs和病原体的主要因素.

图 1

Fig. 1

图 1 餐厨垃圾中ARGs的来源 Fig. 1 Source of ARGs in food waste

当前, 厌氧消化是最流行和应用最广泛的餐厨垃圾资源化技术, 可同时实现生物甲烷回收和ARGs去除. 然而, 已有研究表明, 餐厨垃圾经厌氧消化后的沼渣沼液样品中残留的ARGs含量仍然高于普通土壤、河流和饮用水中的含量^{[24, 25]}, 因此需要持续关注餐厨垃圾厌氧消化过程中ARGs对土壤和自然水体等生态环境的潜在威胁. 长期将厌氧消化产物（沼液和沼渣）作为肥料用于农业, 会形成持续的选择压力, 可能会增加ARGs的潜在生态风险. 即便如此, 综合考虑资源回收和对环境的影响, 生物转化仍将是未来最具潜力的餐厨垃圾处理方式.

在AD过程中, 微生物群落结构对ARGs的变化起着决定作用, 而温度是改变微生物群落结构的关键运行参数之一^[26]. 已有研究发现, 高温可以有效灭活携带ARGs的细菌细胞, 从而进一步影响ARGs和MGEs（表 1）. Wang等^[27]探究了高温（55℃）和中温（35℃）条件下, 餐厨垃圾厌氧消化产物沼渣和沼液中ARGs的丰度变化, 该研究结果表明, 餐厨垃圾经高温AD后, ARGs的去除率明显高于中温AD, 说明温度是影响微生物群落多样性和结构的主要驱动因子. Gao等^[11]也观察到, 餐厨垃圾中目标四环素抗性基因（tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetX）和整合酶基因intI1在嗜热（50℃）厌氧消化器中显著降低. 另外, Wang等^[28]实验发现, 高温可以创造有利的环境来消除餐厨垃圾中的ARGs, 同时降低人类致病菌的多样性, 以减轻其环境和健康风险^[29], 而与有机固体废弃物类型（餐厨垃圾、粪便或污泥）相比, 温度（嗜冷、嗜温或嗜热）对AD过程中ARGs去除率的影响作用更大.

表 1 (Table 1)

表 1 厌氧消化过程不同工艺参数对餐厨垃圾中ARGs去除的影响 Table 1 Effect of different operation parameters on ARGs removal in food waste during anaerobic digestion process 参数 原料 温度/停留时间 分析方法 基因 主要结论 文献 温度 餐厨垃圾 35℃和55℃/10 d qPCR tetQ、tetX、tetM、tetW、tetO、ermB、ermF、mefA、sul1、sul2和intI1 高温AD的ARGs去除率高于中温AD, ermB、ermF、tetQ、tetX、sul1、sul2和intI1的丰度得到有效降低 [27] 温度 餐厨垃圾 50℃/24 d qPCR tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW和tetX 高温厌氧消化反应器中, 除了tetW, 其他ARGs和intI1的数量显著减少 [11] 温度+共消化 餐厨垃圾+污泥 35℃和55℃/15 d和10 d qPCR blaOXA-1 、blaTEM 、ermB、ermF、mefA、sul1、sul2、tetM、tetO、tetQ、tetW、tetX和intI1 嗜热条件比中温消化更有利于ARGs去除, 去除率分别为86.64%和31.08% [28] 温度 餐厨垃圾 35℃和55℃/20~44 d qPCR tetM、tetX、tetQ、tetH、tetG、sul1、sul2、qnrD、ermB、ermC和intI1 温度影响了AD过程中ARGs和intI1的去除率, 高温去除率最高 [29] 固体浓度+共消化 餐厨垃圾+猪粪 37℃/64 d HT-qPCR 283个ARGs、8个转座酶基因、3个通用基因和整合酶基因（intI1、intI2、intI3和cintI1） 高固体AD（20%TS）的ARGs去除率是湿式AD（5%TS）的2.3倍 [30] 共消化 餐厨垃圾+污泥 37℃/33 d qPCR blaOXA-1 、blaTEM 、mefA/E、ereA、ermB、ermF、sulI、sulII、tetG、tetM和tetX 与单一消化相比, 厌氧共消化可以降低ARGs的总丰度 [31] 共消化 餐厨垃圾+污泥 37℃/14 d qPCR tetQ、tetM、sul1、sul2、mefA、ermB、aadA、strB、blaCTX-M 、blaTEM 、blaOXA 、mexF、intl1和intl2 抗生素存在时, 厌氧共消化增加了tetR、sulR、MLsR、AgyR、blaR、整合子和总ARGs丰度 [13] 共消化 餐厨垃圾+鸡粪 35℃/30 d qPCR sul1、sul2、tetA、tetW、tetO、tetX、tetB、tetM、tetQ、floR、cmlA和intl1 厌氧共消化可以降低一些ARGs的丰度（tetA、tetX、sul1、sul2和cmlA） [32] 共消化 餐厨垃圾+鸡粪、餐厨垃圾+污泥 35℃/30 d qPCR tetA、tetB、tetW、tetO、tetM、tetQ、tetX、sul1、sul2、cmlA、floR和intl1 厌氧共消化可以有效去除大多数ARGs和intl1, 但添加粉末活性炭后, 餐厨垃圾单一消化的ARGs去除比共消化更有效 [33] 脂质含量 餐厨垃圾 35℃/50 d qPCR aadA1、ermB、mefA、blaOXA 、tetM、tetQ、sul1、sul2、intl1和intl2 脂质可以促进厌氧消化过程总ARGs丰度的降低, 特别是sul1、aadA1和mefA [34]

表 1 厌氧消化过程不同工艺参数对餐厨垃圾中ARGs去除的影响 Table 1 Effect of different operation parameters on ARGs removal in food waste during anaerobic digestion process

消化底物的组成不仅影响厌氧消化的产甲烷性能, 也对ARGs的去除有显著影响^[35]. 目前大多数研究是在总固体含量（total solids, TS） < 10%的湿AD条件下进行的, 与湿AD相比, 高固体AD（TS≥15%）需要更小的反应器工作体积, 产生更少的消化物, 这有利于后续消化物的储存、运输和生物肥料的使用^[36]. Wang等^[30]比较了餐厨垃圾和猪粪的高固体AD（20% TS）和湿AD（8% TS）中ARGs的去除性能, 显示高固体AD的ARGs和MGEs的去除率是湿AD的2.3倍, 而对磺胺类、多药类和氨基糖苷类耐药基因的去除更有效, 主要原因可能是在高固体AD早期, 细胞保护基因显著增加, 而AD后期高游离氨浓度导致ARGs和MGEs的潜在宿主减少, 其抗性机制主要为抗生素失活和外排泵. 此外, 脂质作为餐厨垃圾的主要成分, 过量会产生LCFA抑制, 而适度的脂质含量可以促进厌氧消化效率^[37]. Ma等^[34]重点研究了餐厨垃圾厌氧消化过程中脂质对甲烷产量、ARGs丰度及其微生物群落结构的影响, 与对照组比, 适量的脂质可以减少宿主细菌, 降低总ARGs丰度, 特别是可以抑制系统中sul1、aadA1和mefA的传播.

餐厨垃圾的C/N一般不在厌氧消化要求的最佳范围之内, 且缺乏能够促进厌氧消化的金属微量元素（Zn、Fe、Mn和Se等）^[38]. 共消化可以在不同底物之间产生互补和协同效应, 如调节C/N、补充微量营养元素和碱度、稀释有毒物质、消除氨抑制、强化厌氧消化有机负荷能力和提高甲烷产量等^[39], 而共消化对餐厨垃圾中ARGs去除的影响也已被广泛报道（表 1）. 从甲烷产量和ARGs去除两方面综合考虑, 厌氧共消化比单一厌氧消化有一定的优势. 在Zhang等^[31]的研究中, 与单一厌氧消化相比, 餐厨垃圾和污泥共消化除了可以显著提高甲烷产率之外, 还可以降低ARGs的总丰度, 细菌群落进化是ARGs变化的主要驱动力. 然而, Wang等^[13]的研究发现当底物中含有抗生素时, 厌氧共消化增加了tetR、sulR、MLsR、AgyR、blaR、整合子和总ARGs的丰度, 这可能是由于抗生素带来的选择性压力, 导致细胞损伤, 使其携带ARGs的质粒从供体到受体的接合转移频率提高, 从而使ARGs去除受到限制. 此外, Zhang等^{[32, 33]}比较了餐厨垃圾单一厌氧消化、餐厨垃圾与鸡粪共消化以及餐厨垃圾与剩余污泥共消化过程中ARGs的丰度变化, 结果表明, 厌氧共消化可以显著提高甲烷产率, 同时降低大部分ARGs的丰度（tetA、tetX、sul1、sul2、cmlA和floR）, 但由于鸡粪和污泥中都含有一定量的抗生素, 与单一餐厨垃圾消化相比, 共消化对ARGs的去除效果被削弱. 因此, 未来厌氧共消化原料可以选用低抗生素残留的粪便和污泥, 或者预先对粪便和污泥中的抗生素进行去除处理, 以减少抗生素进入共消化体系, 在提高甲烷产率的同时, 对ARGs的去除也有更好的效果.

外源添加剂可以促进污染物吸附、缓解微生物冲刷、强化种间电子传递和提高系统的整体稳定性, 近年来已被广泛加入餐厨垃圾厌氧消化过程中, 用于提高甲烷产率和强化ARGs去除（表 2）. 当前, 主要用于厌氧消化的添加剂包括碳基导电材料（活性炭、石墨、石墨烯和氧化石墨烯等）、铁基导电材料（零价铁、磁铁矿等）以及其他吸附材料如沸石和膨润土等^[40].

表 2 (Table 2)

表 2 厌氧消化过程中外源添加剂对餐厨垃圾中ARGs去除的影响 Table 2 Effect of additives on ARGs removal in food waste during anaerobic digestion process 添加剂 用量 原料 分析方法 基因 主要结论 文献 活性炭 15 g·L-1 餐厨垃圾 qPCR tetQ、tetX、tetM、tetW、tetO、ermB、ermF、mefA、sul1、sul2和intI1 活性炭有利于减少ARGs（tetA、tetM、tetW、tetO、tetQ、sul2和tetX）, 降低18%的细菌病原菌 [41] 活性炭 15 g·L-1 餐厨垃圾+鸡粪 qPCR sul1、sul2、tetA、tetW、tetO、tetX、tetB、tetM、tetQ、floR、cmlA和intl1 活性炭导致tetQ和tetW降低, 其他大多数的ARGs增加 [32] 活性炭 15 g·L-1 餐厨垃圾+鸡粪、餐厨垃圾+污泥 qPCR tetA、tetB、tetW、tetO、tetM、tetQ、tetX、sul1、sul2、cmlA、floR和intl1 活性炭可以显著提高ARGs的去除率 [33] 石墨、石墨烯、氧化石墨烯 3.125 mg·L-1 餐厨垃圾+污泥 qPCR blaOXA-1、ermB、ermF、mefA、sul1、sul2、tetM、tetW、tetX、tetQ、tetO和intI1 石墨烯对blaOXA⁃1 、ermF、ermB、tetQ和tetX的去除效率影响最大；而氧化石墨烯对sul1、sul2、tetW、tetM、tetO和intI1的去除效率最高；石墨烯控制了ARGs在微生物群落之间的水平转移 [42] 零价铁 5和60 g·L-1 餐厨垃圾+污泥 qPCR tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW、tetX和intI1 零价铁的加入可以增强对7种tet基因和intI1的去除, 但过量的零价铁不能进一步地强化去除某些tet基因（tetA、tetX和tetG） [11] 零价铁 1、5、10、15和20 g·L-1 餐厨垃圾 qPCR blaOXA-1、blaTEM 、erm B、ermF、mefA、sul1、sul2、tetM、tetO、tetQ、tetW、tetX和intl1 20 g·L-1零价铁可以提高甲烷产量, 强化去除厌氧消化过程中mefA、tetM丰度 [43] 纳米零价铁 0.1、0.5、1、2和5 g·L-1 餐厨垃圾 qPCR blaOXA-1 、blaTEM 、ermB、ermF、mefA、sul1、sul2、tetM、tetO、tetQ、tetW、tetX和intI1 纳米零价铁有利于降低ARGs的丰度, 尤其是四环素抗性基因（tetO、tetQ和tetX） [28]

表 2 厌氧消化过程中外源添加剂对餐厨垃圾中ARGs去除的影响 Table 2 Effect of additives on ARGs removal in food waste during anaerobic digestion process

碳基导电材料通常具有孔隙多、比表面积大、稳定性强、吸附容量大和导电性强等特点, 是减缓餐厨垃圾厌氧消化过程中ARGs传播的合适添加剂^[45]. 活性炭是一种无定形的碳基导电材料, 广泛应用于废水处理领域, 它不仅可以在抗生素去除中起重要作用, 还能够物理吸附水中的ARGs, 潜在地强化ARGs的去除. Zhang等^[41]研究了活性炭对餐厨垃圾厌氧消化过程中ARGs去向的影响, 结果显示, 活性炭的加入显著提高了大部分ARGs（tetA、tetM、tetW、tetO、tetQ、sul2和tetX）的去除率, 同时细菌病原菌的数量也降低了约18%. 一方面, 活性炭可以为功能微生物的定殖提供良好环境, 提高固定化微生物的生物处理能力, 在富集功能微生物的同时抑制反应器中潜在ARGs宿主细菌的活性；另一方面, 活性炭也降低了微生物群落的流动性, 可能会限制遗传物质即DNA的交换, 从而降低了水平基因转移的可能性. Zhang等^{[32, 33]}的研究还发现, 只有在底物不含抗生素时活性炭才能显著提高ARGs的去除率, 而如果共消化底物如污泥和鸡粉中含有四环素、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑和氯霉素等, 即使添加活性炭, 反应体系内抗生素带来的选择性压力也会使ARGs的去除受到限制. 与活性炭相比, 石墨、石墨烯和氧化石墨烯具有更高的吸附性能和导电性, 可以强化去除ARGs. Wang等^[42]评价了餐厨垃圾和剩余污泥共消化过程中, 以上3种碳材料对产甲烷性能、有机物利用效率和ARGs去向的影响, 结果表明, 石墨烯的添加可有效去除作为微生物之间进行ARGs水平基因转移载体的intl1, 因而控制了ARGs在微生物群落之间的水平转移, 对bla_OXA⁃1、ermF、ermB、tetQ和tetX的去除效率影响最大, 而氧化石墨烯对sul1、sul2、tetW、tetM、tetO和intI1的去除效率最高. 除此之外, 石墨、石墨烯和氧化石墨烯可以破坏细胞膜, 去除部分ARGs宿主细菌. 综上, 碳基导电材料的添加不但限制了ARGs在微生物群落之间的水平转移, 同时减少了ARGs垂直基因转移的频率.

铁基导电材料也经常被添加至餐厨垃圾厌氧消化过程中, 用于促进甲烷生产和ARGs去除. 王攀等^[43]将5种剂量水平（1、5、10、15和20 g·L^-1）的零价铁添加到餐厨垃圾厌氧消化体系中, 结果发现20 g·L^-1的零价铁可以大幅度提高甲烷产量, 同时能够显著降低厌氧消化过程中mefA和tetM的丰度. Gao等^[11]在污泥和餐厨垃圾的厌氧共消化过程中也观察到了类似的结果, 5 g·L^-1和60 g·L^-1剂量的零价铁对7个tet基因（tetM、tetA、tetO、tetC、tetW、tetG和tetX）的相对和绝对丰度有同等的衰减作用, 但过量的零价铁并不能进一步提高ARGs的去除率. ARGs的减少可能是由于零价铁的添加导致环境因素以及微生物群落结构发生变化共同引起的. 零价铁的加入会将可溶性铁释放到系统中, 氧化后形成铁沉淀, 铁沉淀一般带正电荷, 可以吸附带负电荷的游离ARGs, 同时零价铁腐蚀产生的絮凝作用可进一步提高游离ARGs的去除；此外, 零价铁会沉积在微生物细胞上, 释放铁引起微生物细胞结构的变形和破坏, 使携带四环素抗性基因的潜在宿主（如厚壁菌、变形菌和放线菌等）数量下降. Wang等^[45]研究发现纳米零价铁有利于降低ARGs的丰度, 特别是四环素抗性基因（tetO、tetQ、tetX）^[28], 这是因为铁元素具有与四环素类抗生素很强的配合倾向, 从而削弱了四环素类基因潜在宿主微生物的选择压力, 降低ARGs水平基因转移, 这也说明纳米零价铁引起的ARGs减少不是随机的. 此外, 铁元素对于关键酶的合成也是必不可少的, 铁基碳材料可以刺激关键代谢酶（氧化还原酶、水解酶和脱氢酶）的活性, 促进微生物生长和代谢, 选择性地富集电活性微生物, 而纳米颗粒的投加也会引起氧化应激并破坏细菌细胞膜的完整性, 产生的细胞毒性可通过减少主要ARGs宿主而降低ARGs的丰度^{[40, 46]}. 综上, 外源添加铁基导电材料也是一种潜在的强化餐厨垃圾厌氧消化效率和ARGs去除的一种策略.

预处理可以促进餐厨垃圾分解、提高厌氧消化效率, 同时对餐厨垃圾中ARGs的去除和传播有显著的影响. 微波处理是一种常见的餐厨垃圾预处理方法, 微波辐射会增加细胞膜的通透性, 导致细菌的DNA断裂和损伤, 从而有利于消除ARGs^[47]. Zhang等^[31]研究了微波预处理对餐厨垃圾与污泥共消化过程中ARGs和intI1的去向影响, 结果发现与对照组相比, 微波预处理可以降低ARGs的总丰度, 但mefA/E、ermB、ermF、tetM和tetX的数量却大幅增加, 可能是由于较低的微波能量不足以破坏所有细胞的内部结构. 经过RDA分析发现, 细菌群落对ARGs变化的贡献最大, 其次是环境因素和MGEs, 说明垂直基因转移是影响微波预处理导致ARGs变化的主要驱动力, 而不是由MGEs诱导的水平基因转移. 综上, 虽然微波预处理能有效地去除餐厨垃圾中的ARGs, 但由于餐厨垃圾中的ARGs种类极其复杂, AD过程的微生物活性和系统条件也差异较大, 因此很难去除所有目标ARGs.

与常见的预处理方法（例如超声波、微波和水热）相比, 酶预处理具有高效和环保的优点, 特别是近年来科研人员在原位自制复合酶技术研发方面取得了显著进展, 极大地降低了复合酶的生产成本^{[48, 49]}. 酶预处理具有较高的选择性, 可以精确地将餐厨垃圾中的大分子有机物包括淀粉、纤维素和蛋白质水解成小分子的单糖和氨基酸等, 有利于提高厌氧消化体系中产甲烷菌对底物的利用率, 提高最终甲烷产率^{[48, 49]}. 此外, 酶预处理也可以通过调节餐厨垃圾厌氧消化体系中微生物群落和基因表达, 减弱抗生素抗性基因的传播. Wu等^[12]研究发现, 蛋白酶和纤维素酶预处理可有效降低餐厨垃圾厌氧消化过程中ARGs的总量（约13.8%~24.5%）, 特别是mefA、ermF、bacA、CfxA2、vatB、tetQ以及tetW的丰度在酶预处理后显著降低. 其他研究表明木瓜蛋白酶对ARGs的去除率可达6.33%~82.15%, 而纤维素酶的加入进一步改善了tetA的去除, 说明混合酶有利于提高ARGs的去除^[10]. 酶预处理可提高细胞膜的通透性, 有效上调ABC转运蛋白相关基因的表达和下调DNA复制、双组分调节系统（two-component regulatory system, TCS）和群体感应（quorum sensing, QS）, 进而消减ARGs传递过程^[50]. 酶预处理对提高厌氧消化过程甲烷产率和ARGs去除具有较好的效果, 但其对ARGs的迁移规律和去除机制研究较少, 特别是科研人员自研发的复合酶在该领域的研究少之又少. Cui等^[51]首次报道了餐厨垃圾中ARGs在原位酶解和厌氧消化过程中的迁移规律及去除机制, 结果表明, 自研制的复合酶不但能够显著提高餐厨垃圾水解和AD效率（67.80%和16.58%）, 而且能够显著提高水解和AD过程ARGs的去除率（94%和55%）, 这可能是由于餐厨垃圾经酶预处理后会释放出高浓度的可溶性有机物和营养物质, 能够促进功能厌氧微生物的代谢, 相反抑制了一些可能成为ARGs宿主的微生物, 从而降低微生物多样性, 提高功能厌氧微生物的丰度, 减少了ARGs的传递；机制分析进一步表明微生物群落组成的变化和水平基因转移是大多数ARGs变化的共同驱动力；此外, 该研究明晰了蛋白酶和纤维素酶预处理可以通过减少微生物多样性和潜在的ARGs宿主, 有效降低总的ARGs丰度, 特别是蛋白酶可以降解膜蛋白, 增加细胞膜通透性, 减少ARGs附着在外排泵上的数量；但上述研究自研发的单菌基复合酶中纤维素酶的含量较低, 与餐厨垃圾组分匹配度差, 而已有报道显示纤维素酶对ARGs的去除也有一定的效果, 因此未来需开发活性更高、匹配度更好的混合菌基复合酶来进一步提高餐厨垃圾水解和AD效率以及ARGs的去除率. 无论如何, 上述研究首次探索了餐厨垃圾中ARGs在原位酶解和AD过程中的迁移规律和去除机制, 为研究人员了解餐厨垃圾中ARGs在原位酶解及AD过程中的运行规律提供了新见解.

除了上述总结的微波预处理和酶预处理策略外, 已有的关于预处理方式对厌氧消化过程中ARGs去向的研究大多以污泥与粪便为研究对象, 而关于餐厨垃圾几乎未见报道. 餐厨垃圾有其自身的特点和ARGs组成特征, 明晰餐厨垃圾中ARGs在不同预处理方法及厌氧消化过程的迁移规律和去除机制, 可为未来餐厨垃圾预处理和厌氧消化工艺的选择、精准设计和高效安全生物转化提供数据和理论支撑.

餐厨垃圾组分复杂, 在预处理及厌氧消化过程中会伴随着生物和非生物转化. 除了调节和优化厌氧消化过程的工艺参数, 添加导电材料及合适的预处理方式在提高甲烷产率和降低ARGs传播等方面也具有较好的应用前景. 根据已有的研究报道, 餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程中的去除机制主要包括：①微生物群落结构演替（垂直基因转移）、②可移动遗传元件减少（水平基因转移）和③环境因素变化（图 2）.

图 2

Fig. 2

图 2 餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程中的去除机制 Fig. 2 Removal mechanism for ARGs in food waste during AD process

微生物作为ARGs的潜在宿主, 群落结构的变化对餐厨垃圾中ARGs在厌氧消化过程的去向影响很大. 餐厨垃圾厌氧消化过程中的微生物群落结构极其复杂, 具有代谢功能的细菌主要包括变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、拟杆菌门（Bacteroidetes）, 而大多数携带ARGs的微生物宿主都属于以上各门^[8]. 水平基因转移是ARGs传播的一个主要驱动力, 而可移动遗传元件常被用作水平基因转移的指标, 其中intI1是ARGs传播的重要媒介, 与ARGs具有很强的相关性^[11]. 导电材料具有许多孔隙, 其表面定殖的微生物降低了微生物的流动性, 限制了微生物种群之间的交换遗传物质, 抑制可移动遗传元件的流动性, 而导电材料也能吸附部分胞外ARGs, 从而降低水平基因转移的发生率^[40]. 合适的预处理方法有利于限制抗性基因转移, 但并不是所有的预处理方法都是通过影响intI1来减少ARGs的丰度. 由于微生物是MGEs的载体, 还可以通过改变微生物的多样性和组成来降低ARGs垂直基因转移的发生频率, 间接影响ARGs的丰度. 预处理和厌氧消化过程工艺参数的调节都可能改变环境因素（温度、pH、共消化底物、抗生素浓度以及底物可生物降解性和利用率等）, 从而直接去除游离的ARGs或改变微生物群落结构以及ARGs和微生物之间的关系, 最终使宿主微生物失活, 间接导致系统中ARGs数量发生改变. 因此, 预处理引起的环境因素变化对ARGs的去向起决定作用, 尤其是胞外ARGs, 是通过死亡耐药菌溶解或活细胞分泌产生, 易受周围环境变化影响^[52].

目前, 冗余分析、共现网络分析和二元相关分析等方法已被广泛应用于建立并分析微生物、环境因子、可移动遗传元件与ARGs之间的关系^[3]. 基于这些方法, 可推断出餐厨垃圾中ARGs的潜在宿主以及消除ARGs的深层机制. 总之, 添加导电材料及原料预处理等方法改变了环境因素、微生物群落结构和可移动遗传元件的数量, 决定了不同ARGs的迁移规律和去除机制, 这三者相互关联并相互影响.

ARGs和耐药菌广泛存在于餐厨垃圾中, 通过优化运行参数、添加外源导电材料以及原料预处理等方式可提高餐厨垃圾厌氧消化效率并强化去除ARGs, 但目前对不同原料中ARGs在厌氧消化过程的迁移规律和去除机制的研究并不全面且存在一定局限性. 因此, 作为近年来的研究热点, 未来在餐厨垃圾ARGs的迁移规律和去除机制进一步探索和解析还需要从以下4个方面加强：①qPCR常被用于定量分析特定ARGs, 为了更准确地追踪餐厨垃圾中的ARGs和MGEs, 需开发一些更有效的生物信息学技术, 如宏基因组学和高通量qPCR；②目前已有强化厌氧消化的方法, 但仍无法避免餐厨垃圾中ARGs丰度的反弹且很难去除所有目标ARGs, 应进一步开发更高效合适的导电添加剂和预处理策略, 以实现最大化的ARGs去除；③相关性和网络分析已被用于指示ARGs的潜在宿主, 但并没有提供相关微生物携带ARGs的明确证据, 未来需要更深入地探讨其内在的抗性机制, 明晰不同过程参数之间的相互作用对AD中ARGs传播的影响；④开发低成本高效率的外源添加剂和预处理方法, 以确保餐厨垃圾厌氧消化的经济性, 在提高甲烷产率的同时最大限度地降低沼渣沼液应用的风险.