英语原文共 8 页
在四个膜生物反应器中去除抗生素耐药基因
（李兵a，b，⁎，邱勇b，⁎，李继利c，彭亮b，黄霞b）
a北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083
b清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084
c江南大学环境与土木工程学院，江苏省无锡市214122
强调/创新点
*比较了四种完整的膜生物反应器与并行氧化沟和SBR对抗生素耐药基因的去除效果。
* MBR对抗生素耐药基因的去除效率比并行处理高出1-3个数量级。
*活性污泥中的抗生素耐药基因在MBR和传统工艺中分布类似。
*提出了MBR工艺中的分离系数，其与抗生素耐药基因的消除有关。
*经典型相关分析讨论了操作参数对MBR中抗生素耐药基因去除效果的影响。
图形概要
MBR和氧化沟/ MSBR中抗生素耐药基因不同的去除特性
主要抗生素耐药基因的对数去除率与分离系数之间存在高度正相关
文章信息
文章历史：
2018年8月24日收到
于2018年10月21日收到修订后的表格
2018年10月22日接受
2018年10月23日在线提供
关键词：
抗生素抗性基因
膜生物反应器
分离系数
对数去除率
典型相关分析
摘要
通过废水处理厂（WWTPs）排放的抗生素耐药基因（ARGs）对人类健康和生态安全的风险引起了越来越多的公众关注。膜生物反应器（MBR）已被公认为是在大型污水处理厂中去除抗生素耐药基因的有效方法，但其相对于传统工艺的优势还没有明确量化。为了解决这个问题，我们调查了四个包含并联MBR和传统工艺（氧化沟或序批式反应器）的大型污水处理厂，比较了八种类型的抗生素耐药基因(beta;-内酰胺，大环内酯类，tetW，tetW，sul1，sul2，氨基糖苷，和喹诺酮) 和1类整合子的去除情况。通常，MBR比并联工艺（0.4-4.2对数去除率）更有效地降低了抗生素耐药基因（1.1-7.3对数去除率）。值得注意的是，与传统工艺（0.8–3.4对数去除率）相比，MBR（1.5–7.3对数去除率）更有效地降低了进水中的优势抗生素耐药基因，如大环内酯类、sul1和1类整合子（106.39–107.79 copies /ml）。同时，这些抗生素耐药基因在活性污泥中的分布在上述过程之间没有显著差异（p gt;0.05）。并且提出分离系数（Ksw）可用来表示固体分离对抗生素耐药基因的去除效果，随后的分析揭示了显性抗生素耐药基因（大环内酯类，sul1和1类整合子）的分离系数值与MBR的对数去除率之间出乎意料的强相关性（R = 0.79-0.96），plt; 0.05），而在传统过程中这种相关性要弱得多（R = 0.33-0.37），这表明固体分离是去除显性抗生素耐药基因和1类整合子的主要途径。根据MBR的过程操作与抗生素耐药基因去除效果之间的典型相关分析，污泥停留时间似乎是影响主导抗生素耐药基因和1类整合子去除的主要因素。比较研究有助于进一步了解MBR过程，以进一步降低废水中的抗生素耐药基因。
1. 简介
世界卫生组织（WHO）将抗生素耐药性列为21世纪对全球公共卫生的日益严重的威胁。在水生环境中普遍存在的抗生素抗性基因可能会对人类和生态健康产生抗生素耐药性。废水处理厂被认为是水环境中抗生素耐药基因的重要储存库，在世界范围内的废水处理厂废水中检测到许多类型的抗生素耐药基因，包括氨基糖苷类、beta;内酰胺类、大环内酯类、喹诺酮类、磺胺类、四环素类。另一方面，污水处理厂还通过处理过程显著降低了进水中的抗生素耐药基因。在最近的研究中，从进水到出水的抗生素耐药基因的对数去除率范围为0.4-7.1。相比之下，污水处理厂中化学需氧量（COD）中有机物的对数去除率几乎为0.9-1.2。优化工艺设计和操作对于降低从污水处理厂到环境的抗生素耐药基因排放是很重要的。
相对于传统工艺，膜生物反应器（MBR）具有占地面积小，污泥产量低，出水量高的优点，常用于工艺改造，以满足中国污水处理厂严格的排放标准。通常发现完整的MBR中的抗生素耐药基因去除效果优于传统方法，例如，MBR工艺对抗生素耐药基因的对数去除率在2.6-7.1，而通过常规活性污泥处理工艺（CAS），氧化沟（OD）和旋转生物接触器（RBC）工艺，对数去除率为2.4-4.6。然而，很少有同时研究MBR和传统工艺，因此很难通过当前的数据来量化MBR相对于传统工艺的改进。最近一项有益的研究是新加坡污水处理厂常规活性污泥处理工艺和MBR过程的研究。结果显示MBR（2.5-4.9）对15种抗生素耐药基因的对数去除率明显高于常规活性污泥处理工艺（0.7-3.6）。但MBR与没有三级设施的常规活性污泥处理工艺的二级处理相比，后者的有机物和营养物的出水标准与MBR不可比。因此，比较研究不能直接支持工艺设计人员选择MBR而不是常规活性污泥处理工艺。为了比较MBR和常规活性污泥处理工艺的性能，不仅需要相同的进水特性，还需要类似的出水标准（如中国的I-A级）。
抗生素耐药基因通过不同的机制获得抗生素抗性，这也可能影响它们在污水处理厂中的去除效率。例如，tetW基因编码核糖体保护蛋白，而sul1基因编码二氢蝶酸合成酶并位于第1类整合子中。据报道，在MBR或传统工艺中，sul1（1.3-3.0）的对数去除率低于tetW（2.9-6.0）。然而，之前的研究仅显示抗生素耐药基因去除的结果，缺乏进一步分析差异的原因。因此，了解抗生素耐药基因去除过程的不同特征，有助于确定抗生素耐药基因的去除途径，进而提高污水处理厂的性能。
工艺操作条件，如混合液悬浮固体（MLSS）、污泥停留时间（污泥停留时间）等会影响工艺性能，包括去除抗生素耐药基因的过程。例如，一项实验室规模的研究表明，在长污泥停留时间（50天）中，超过16S rDNA的总抗生素耐药基因相对丰度是短污泥停留时间（25天）的2.2倍，但是长污泥停留时间中总抗生素耐药基因的绝对基因数量比短污泥停留时间减少了0.33。目前，很少有研究分析抗生素耐药基因去除效果与MBR过程操作之间的关系，这有助于支持污水处理厂MBR的过程优化。
本研究采用并联膜生物反应器和传统工艺，在相同进水特性和出水标准的条件下，进行了全规模运行下的抗生素耐药基因去除效果的研究。为了获得可重复的观察结果，在四个不同的污水处理厂和两个季节（冬季和夏季）进行了调查。并联工艺包括一个氧化沟（OD）和三个改进的连续间歇式反应器（MSBR），均配有三级处理设施（滤布），满足中国一级A等要求。根据以往研究中污水处理厂中的主导抗生素耐药基因，选择了8种典型的抗生素耐药基因，包括四环素（tetO和tetW），磺胺类耐药基因（sul1和sul2），氨基糖苷（aadD），beta;-内酰胺（blaTEM），大环内酯类（ermB）和喹诺酮（qnrS）。还研究了1类整合子（int1）和16S rDNA，提出了抗生素耐药基因的固体分离系数与抗生素耐药基因去除率的相关性。采用典型相关分析方法，将抗生素耐药基因去除与操作条件联系起来。
2.方法
2.1 污水处理厂的描述
四个污水处理厂（即A，B，C和D）位于中国南方的无锡市。表1列出了工艺设计和操作的参数。工艺方案包括一级，二级和三级处理（氧化沟或MSBR采用滤布单元）。表1列出了四个污水处理厂的进水特征。所有过程的出水水质标准均为中国的一级A级排放。所有MBR都与厌氧-缺氧–好氧（AAO）过程相结合，以实现生物营养物去除。
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表1 四个污水处理厂的工艺设计和操作参数
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注：MSBR通过在SBR储罐前加入厌氧区和缺氧区对SBR进行改性,MBR是膜生物反应器与AAO工艺的耦合,OD是氧化沟，具有厌氧前的通氧槽。
HRT是生物处理的液压保留时间。模块的膜通量(M.Flux)是2015年的平均数据。
混合液悬浮固体(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体(MLVSS) 是2015年8月和2016年3月的日平均数据。
2.2样品采集和预处理
抽样于2015年8月（夏季）和2016年3月（冬季）进行。废水样本取自进水、MBR出水和传统工艺出水，分别作为取样点W1，W2和W3（图S1）。从MBR的好氧区和并行过程收集污泥样品，如点S1和S2（图S1）。在每个取样点，将废水或活性污泥收集在预先灭菌的聚丙烯瓶中，储存在冷却热箱中，并在2小时内运回实验室进行分析。在实验室中，将0.2L进水、5L MBR出水或3L并列工艺出水分别通过0.22mu;m滤膜（Millipore，USA），用真空装置过滤以获得悬浮固体。过滤后，将含有固体的膜切成片并储存在-20℃的无菌离心管中，用于随后的抗生素耐药基因提取和检测。将活性污泥样品（各100mL）以10000转/分钟进行离心，5分钟以收集固体，将其进一步储存在-20℃下用于抗生素耐药基因提取。
2.3 DNA提取和扩增
根据制造商的方案，使用土壤用FastDNA自旋试剂盒提取所有样本中的DNA。通过0.8％琼脂糖凝胶电泳和分光光度计分析测定提取的DNA的质量和浓度。本研究以八种典型的抗生素耐药基因、1类整合子和16S rDNA为靶点。使用热循环仪以25mu;L的体积进行抗生素耐药基因的聚合酶链反应（PCR）。根据文献设计靶基因的引物，聚合酶链反应混合物含有1.25U的Ex T
资料编号：[5627]
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