摘要：反渗透(RO)工艺已广泛应用于工业和饮用水再利用的废水回收。为了防止生物污染，在预处理中通常使用氯消毒。然而，这项研究发现，氯消毒会显著增加反渗透系统中抗生素耐药基因(ARGs)的风险。随着氯浓度从0到5mg/L的增加，膜污染中14种常见ARGs的累积相对丰度增加了49.6%。在这些ARGs中，tolC、acrA和acrB在氯消毒后增加较多。特别是，与对照组相比，含5mg/L氯的组中tolC的相对丰度增加了113.3%。这些ARGs往往在一些细菌属中富集，包括念珠菌属、硫单胞菌属、硅单胞菌属、黄单胞菌属和假单胞菌属。

  引言

  废水回收是应对全球水危机的最重要途径之一。在再利用(如饮用水再利用和地下水补给)的废水回收过程中，反渗透(RO)已被用作去除污染物的关键技术。在反渗透工艺运行过程中，膜污染控制对于整个工艺的稳定运行至关重要。为了防止生物污染，氯消毒被广泛用作必要的预处理单元。但在反渗透过程的操作中，氯消毒后存活下来的细菌更有可能对抗生素产生耐药性，氯化被证明可以提高细胞外ARG和细胞内ARG的丰度。近十年来，人们对消毒引起的抗生素耐药基因(ARG)风险增加进行了广泛调查，认为这是消毒引起的最严重的潜在风险之一。本研究使用实验室的反渗透系统研究了氯消毒对反渗透膜上ARGs水平的影响，使用宏基因组学分析来揭示氯消毒后ARG丰度的变化。这项研究的结果为评估废水回收过程中的风险提供新的研究方向。

  结果

  氯消毒对污垢中ARGs相对丰度的影响

  在四个样本中共检测到14个ARG。与未经氯消毒的对照组(C-0)中ARGs的相对丰度相比，氯浓度为1mg/L(C-1)、5mg/L(C-5)和15mg/L(C-15)的实验组ARGs增加至0.051%、0.064%和0.056%，增加率分别为18.8%、49.6%和29.0%。当氯的剂量为5mg/L时，ARGs的相对丰度最高(图1)。反渗透膜上细菌携带的相对丰度最高的ARG是tolC，它对多种药物具有耐药性。与对照组相比，氯浓度为5 mg/L的组中tolC的相对丰度增加了113.3%。土壤中微生物携带的其他相对丰度较高的ARGs基因包括acrA、acrB、msrA、macB和mexF。随着氯的加入，ARGs的相对丰度显著增加。

  图1 ：氯消毒剂量对废水回收用反渗透膜表面抗生素抗性基因(ARGs)相对丰度的影响。*表明添加氯组与对照组之间存在显著差异。catB和cmlA是氯霉素耐药基因;carA和msrA是大环内酯类耐药基因;macA、macB、adeB、mexF、oprC、oprN、acrA、acrB、oprM和tolC是多药耐药基因。

  反渗透膜上不同菌株中ARGs的分布

  被污染的反渗透膜上细菌携带的ARG的相对丰度如图2所示。携带细菌的ARGs随氯消毒剂量的增加而明显变化。对照组携带较高丰度细菌的ARG为食酸菌、新鞘酯属、红长命菌属和鞘鞍醇杆菌属。与对照组相比，C-1组的硫微球菌、金单胞菌、硫单胞菌、粘球菌、累积念珠菌和脱氯单胞菌携带的ARG比其他细菌更多。甲基细菌、红杆菌、黄杆菌、盖氏铁柄杆菌、溶杆菌、剑菌属、紫色杆菌属、甲基细菌、假单胞菌、硫杆菌、砂单胞菌和嗜甲基菌属成为C-5组携带ARG的主要优势细菌。

  图2 : 不同细菌携带的抗生素耐药基因相对丰度的热图(显示并统计了前30个相对丰度的属)。

  细菌携带的ARG的比例随氯的浓度而明显变化

  在对照组中，噬氢菌属是携带ARG的优势属，主要ARG为acrB和msrA。噬氢菌属携带了约13.8%的acrB和38.8%的msrA。C-1组acrA和tolC主要由硫杆菌携带，携带率分别为28.8%和28.2%。60%以上的acrB存在念珠菌属和硫单胞菌属中。在C-5组中，硫杆菌属是ARGs比例最大的属，而在C-15组中大多数ARGs由硅单胞菌属和黄单胞菌属携带。与对照组相比，假单胞菌属在氯消毒后携带ARG方面发挥了重要作用。在C-1组中，mexF(16.9%)、oprM(59.5%)和oprN(68.6%)由假单胞菌属携带。在C-5组中，假单胞菌属含有8.4%的acrB、9.7%的tolC和28.9%的oprN。在C-15组中，该属含有10.8%的oprN和27.6%的acrB。

  此外，ARGs在对照组细菌中广泛分布。大约47.2%的acrA包含在携带ARGs的前15个属中，超过一半的acrA由其他细菌携带。在氯消毒的组中，携带ARG的前15个属主要携带ARG。在C-1组中，携带acrA的前15个属的比例分别为88%、C-5组为84.8%和C-15组为92.4%。这种现象表明，氯化后，膜污垢中的ARG在少数优势属中富集。将增强微生物群落的抗生素耐药性，加剧膜生物污染层的控制难度，并导致ARGs的风险增加。理论上，反渗透膜可以捕获ARG，因此这些有害基因不会进入渗透物。但是，在实际操作过程中，反渗透膜的破裂或损坏是不可避免的。一旦反渗透膜受损，富集的精氨酸会污染渗透物，甚至进入饮用水源和地下水，造成巨大的生物风险。因此，在废水回收反渗透系统的设计和运行中，应考虑氯消毒造成的潜在ARG风险。

  图3 (a)0 mg-Cl2/L、(b)1 mg-Cl2/L、(c)5 mg-Cl2 \/L和(d)15 mg-Cl2/L组中不同细菌所含的不同ARG(显示并统计了前15个相对丰度的属)。

  结论

  氯消毒在反渗透系统中广泛用于废水回收，用来防止生物污染。然而，氯消毒后，膜污垢中ARG的相对丰度显著增加。特别是tolC、acrA和acrB(对多种药物的耐药性)增加最多。这些ARGs往往在一些细菌属中富集，包括念珠菌属、硫单胞菌属、硅单胞菌属、黄单胞菌属和假单胞菌属。随着膜损坏或破裂，这些有害基因可能会污染反渗透渗透物，并造成巨大的生物风险。

  参考文献

  Wu Y, Wang Y, Xue S, et al. Increased risks of antibiotic resistant genes (ARGs) induced by chlorine disinfection in the reverse osmosis system for potable reuse of reclaimed water[J]. Science of The Total Environment, 2022,815: 152860.