规模化水厂全流程游离态与颗粒结合型ARGs及菌群耦合特征解析

研究背景

饮用水系统中抗生素抗性基因（ARGs）分为 游离态（溶解于水体）与颗粒结合态（附着微生物/悬浮颗粒） 两种赋存形态，二者迁移、去除规律存在显著差异。现有水厂抗性研究大多未区分两种形态，无法精准解析不同净水单元对两类ARGs的差异化去除效能；同时悬浮颗粒物、菌群结构与两类ARGs的耦合关联机制尚不清晰，难以针对性优化工艺削减抗性污染。本研究以一座完整规模化自来水厂为对象，沿全部水处理单元同步监测游离、颗粒结合型ARGs丰度与菌群演替，厘清不同工艺对两类ARGs的去除差异、菌群与两种形态抗性基因的共生规律，为水厂靶向去除ARGs提供理论支撑。

研究方法

沿原水、混凝沉淀、砂滤、臭氧氧化、生物活性炭、末端氯消毒全流程梯度采集水样；分级过滤分离游离相（0.22μm滤后滤液）与颗粒结合相（0.22 μm滤膜截留物）；采用qPCR定量多类典型ARGs、16S rRNA基因，分别计算两相ARGs绝对丰度；16S高通量测序解析两相细菌群落组成；结合相关性分析、共现网络揭示菌群与游离/颗粒结合ARGs的关联；对比各工艺单元两相ARGs对数削减效率，配套组分堆叠图、群落热图、关联网络图展示结果。

主要结果

两个处理工艺共检测到13种ARGs和2种MGEs，涵盖抗生素失活（16.67% ~ 66.67%）、外排（0.00% ~ 40.00%）和细胞保护（0.00% ~ 33.33%）3种抗性机制。FL-ARGs的亚型种类丰富，而PA-ARGs的丰度相对更高，两者的结构存在明显差异。blaTEM和IntI1是在最丰富的两种亚型，FL-ARGs的sul2在工艺B中的检测频率为100%。经处理后，出厂水中几乎检测不到PA-ARGs，但仍有FL-ARGs和FL-MGEs存在，如mexF、floR、strB、qnrB、mexE、tetA和IntI1，这些ARG亚型在今后的研究中应受到更多关注。

图1.ARGs和MGEs的多样性和赋存特征

DWTP两个处理工艺中不同单元对ARGs和MGEs的去除和富集效果存在明显差异。工艺A和工艺B的沉淀单元类型不同，两者PA-ARG或PA-MGE均有去除作用，但会导致FL-ARG和FL-MGE富集。工艺A的超滤和消毒单元分别对PA-和FL-组分具有去除效果，而在工艺B中则观察到了相反的结果，说明原水和前处理单元会影响粒径分级ARGs和MGEs的传播。经工艺A处理后，FL-ARGs的qnrB、qepA和tetA以及PA-ARGs的qepA和mexF均有所减少；经工艺B处理后，FL-ARGs和A-ARGs的mexF丰度有所降低。

共有13个菌属和16个菌种被识别为潜在致病菌，其中Acinetobacter (0.11% ~ 52.11%)在所有样本中占优势，且包括四个致病菌种，分别为Acinetobacter lwoffii（0.04% ~ 45.58%）、Acinetobacter schindleri（0.00% ~ 18.54%）、Acinetobacter oleivorans（0.00% ~ 0.01%）和Acinetobacter baumannii （0.00% ~ 0.01%）。Pseudomonas（0.22% ~ 39.17%）在工艺B中具有较高的相对丰度，尤其是在FL细菌群落中，然而本研究中并未发现属于Pseudomonas的致病菌种，可见在属水平分析潜在致病菌可能会高估其致病风险。总的来说，工艺A中的潜在致病菌总丰度高于工艺B，体现了处理工艺对潜在致病菌赋存的影响；FL细菌群落中的潜在致病菌在两个处理工艺中均比PA细菌群落中的更未丰富，在今后的研究中应重点关注。

图2.潜在致病菌分布

研究结论

规模化水厂中颗粒结合型ARGs是饮用水抗性污染的主导形态，常规沉淀过滤仅能有效去除颗粒结合抗性基因，消毒工艺更适用于降解游离态ARGs，生物活性炭单元易因颗粒生物膜滋生造成两类ARGs同步反弹；水处理工艺对游离、颗粒两相细菌存在差异化筛选，颗粒内部富集大量耐消毒耐药菌属，也是多重抗性基因的核心宿主。研究证实饮用水ARGs管控需分形态靶向优化：前端强化混凝除颗粒以削减颗粒结合ARGs，后端优化消毒参数降解游离抗性核酸，同时管控生物滤池生物膜增殖，实现两类抗性基因协同去除。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135194.