废水处理厂废水中微塑料生物膜中抗生素耐药性细菌的发生和传播

  摘要：本文研究了污水处理厂(WWTP)出水中的微塑料生物膜对抗生素抗性菌(ARB)和抗生素耐药性基因的(ARGs)富集和传播的影响。结果表明了MP生物膜在WWTP出水中是ARB、ARGs和MGE的潜在载体和传播源，对公共健康和 水环境安全构成了威胁，且外部环境和营养条件对生物膜的生长发育影响较小。

  研究背景：

  微塑料(MP)和抗生素耐药基因(ARGs)是水环境中的新兴污染物，微塑料(MP)生物膜在水中积累了抗生素抗性菌(ARB)和抗生素耐药性基因的(ARGs)，从而影响它们在水中的分布和传播，对人类健康构成潜在安全风险。污水处理厂(WWTP)是MPs和ARGs的重要来源，但目前对它们在WWTP中的存在和动态变化缺乏深入的研究。本研究的目的是(1)研究中试污水处理厂(WWTP)出水中ARB群落组成，(2)研究和可视化污水处理厂出水和自来水中生长的MP生物膜中的ARB/ARGs分布状态，(3)分析生物膜中的微塑料粘附ARB/ARGs和滤液中的浮游ARB/ARGs。

  主要结果

  污水处理厂废水中ARB的分布情况

  从WWTP出水中分离出的19种ARB中，污水处理出水中分离的ARB以Aeromonas属、Pseudomonas属和Bacillus属为主，其中一些具有多重抗药性，在第3天MP生物膜中活ARB数量显著增加(图1)。气单胞菌属和假单胞菌属表现出多种抗生素耐药性。

  图1.污水中分离ARB系统发育分析

  影响ARB在MP表面定殖的因素

  TOC水平的降低可能影响了ARB在周围水中和MP生物膜中的存活。调节溶液中的TOC，结果发现，溶液中的ARB随着TOC的提高而增多，当溶液中的TOC降低，ARB的数量随之减少。

  图2. 在初始TOC为15 mg/L的废水中，ARB随时间变化;a水溶液中，b在MP生物膜中。

  随着时间的推移，溶液中的TOC被消耗，细菌会对可用营养物质产生竞争。在整个7天的实验期间，大多数存活的ARB存在于周围的水中(图3)。第3天，观察到具有可见沉积物的光滑表面，第7天，表面主要为粗糙沉积物(图4)。TOC为200mg/L的废水中，周围水中的ARB菌落数在第三天没有显著增加，MP表面ARB的积累在第3天较高。ARB的数量显示随时间变化，VanRes在第5天略有下降。MP生物膜中的ARB生长在初始阶段遵循类似的增加趋势，随后下降。 TOC为200 mg/L的MP生物膜中，ARB存活率较高。此外，细菌的生长和MP生物膜的生长促进了ARGs的积累和传播。

  图3. 在初始TOC为15 mg/L的合成废水中，水(300 mL)和MP(600 mg)生物膜之间的总ARB分布：(a)VanRes ARB，(b)SulRes ARB，(c)AmpRes ARB

  图4. (a) 原始MP表面(b) MP在3天后，与选定的ARB一起孵育(c) 培养7天后的MP(15mg/L TOC)。

  出水温度、MP质量和抗生素浓度对ARB的影响

  此外作者发现，MP生物膜中的ARB随时间和总有机碳(TOC)水平的变化而不同，而温度、抗生素压力和MP质量对ARB的影响较小。在抗生素压力方面，微塑料生物膜对抗生素压力和MP的质量浓度也表现出不同的反应，这取决于抗生素抗性基因的类型。例如，在抗生素压力和MP质量浓度增加的情况下，vanA基因增加，而sul1和int1基因减少或未检测到。

  图5. 在不同MP水平下，15 mg/L TOC的废水中的活性ARB：a在水溶液中和b在MP生物膜中。

  图6. 含和不含抗生素的总有机碳含量为15 mg/L的废水中的活性ARB;a在水溶液中和b在MP生物膜中。

  污水处理厂污水和自来水中MP生物膜中的ARB、ARGs和intl1

  在MP生物膜和水溶液的流出物过滤后观察到ARGs和MGE的较高积累。在这三个基因中，与sul1和vanA相比，污水中intl1的相对丰度最高。污水处理厂污水MP生物膜中三种基因的相对丰度较高，表明ARGs在处理水中MP表面具有积累潜力。而在MP生物膜和周围自来水中，ARGs和intl1的相对丰度显著低于污水处理厂出水的相对丰度(图9)。延长30天的储存期可能不会为生物在自来水中的繁殖提供有利条件。

  图9. 第30天，自来水(TOC 4.3 mg/L)和污水水(TOC 7.7 mg/L)中ARGs和intl1的相对丰度

  到第30天，污水处理厂污水的基质中嵌入了一层可见的细菌生物膜。同样，在自来水中培养的MP表面上也可见细菌生物膜(图10)。

  无论初始定植细菌细胞的数量和处理水中的有机物含量如何，生物膜都能发育。这些结果表明了对MPs生物膜来说，外部环境和营养条件对生物膜的生长发育影响较小，而WWTP出水中是ARB、ARGs和MGE的潜在载体和传播源，对公共健康和水环境安全构成了威胁。

  结论

  本文研究了WWTP出水中的MP生物膜对ARB和ARGs的富集和传播的影响。作者从多个角度探讨了MP生物膜在水环境中的潜在风险，并发现MP生物膜中的ARB随时间和总有机碳(TOC)水平的变化而不同，而温度、抗生素压力和MP质量对ARB的影响较小。结果表明了MP生物膜在WWTP出水中是ARB、ARGs和MGE的潜在载体和传播源，对公共健康和水环境安全构成了威胁，且外部环境和营养条件对生物膜的生长发育影响较小。未来可以进一步研究MP生物膜对ARB、ARGs和MGE的影响机制，以及如何有效地去除或降解MP生物膜，以降低和应对其造成的全球公共卫生风险。

  论文链接DOI：10.1016/j.scitotenv.2022.159024