CREST | 清华大学王建龙团队：不同污水处理工艺对抗生素抗性基因（ARGs）的去除

导 读

清华大学王建龙团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“不同污水处理工艺对抗生素抗性基因（ARGs）的去除（Removal of antibiotic resistance genes (ARGs) in various wastewater treatment processes; 2022, 52(4): 571-630）”的综述。

抗生素抗性基因（ARGs）作为一种新型的污染物，在不同水体环境中被频繁检出，对公众健康和生态系统构成了潜在风险。污水处理工艺的合理设计和运行可以成为减少ARGs排放量的有效屏障。为了控制环境中抗生素耐药性的传播，有必要全面了解各种污水处理工艺对ARGs的去除和灭活作用。本文系统总结和分析了不同污水处理工艺去除ARGs的可行性和效率，包括生物处理工艺，如膜生物反应器和人工湿地；化学处理工艺，如臭氧氧化、氯化、芬顿氧化和其他高级氧化工艺（AOPs）；物理化学处理工艺，如紫外（UV）、电离辐照；以及物理处理工艺，如絮凝和膜过滤等。此外，还讨论了不同污水处理工艺在去除和灭活ARGs方面的优势、局限性以及未来的发展方向，旨在为今后该领域的研究提供更深入的理解。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

一般地，去除抗生素耐药菌（ARBs）/ARGs的污水处理工艺可归为两类：（1）从污水中捕获/截留ARBs/ARGs，如絮凝、人工湿地和膜分离工艺，如图2所示；（2） 活性氧（ROS）自由基攻击细胞膜，破坏细胞的结构完整性，如消毒方法和高级氧化过程（AOPs），如图3所示。

膜生物反应器因其较长的水力停留时间、经济效益高、污泥产量低和生物量高等优点，在ARGs去除方面表现出优异的性能。此外，人工湿地作为一种天然的污水处理工艺，可通过一系列的物理化学和生物过程去除污水中的ARGs（图2）。与传统的活性污泥法相比，人工湿地大大降低了运行和维护成本。然而，尽管生物处理可以一定程度降低污水中ARGs的丰度，但出水中仍有一定量的ARGs。由于生物量密度高、营养丰富以及抗生素等选择性压力，生物处理可能会造成ARGs的进一步传播扩散。此外，生物处理过程中大部分ARGs被转移至沉积物中，沉积相被认为是ARGs潜在的储蓄库。因此，后续污泥中ARBs和ARGs的处置问题需要引起关注。

图2 人工湿地中抗生素抗性基因（ARGs）去除的主要机制

膜分离和絮凝工艺可在常温下进行，具有适应性强、能耗低等优点，能有效捕获/截留污水中的ARGs。然而，运行后含有ARBs和ARGs的膜浓缩液和污泥应妥善处理，防止二次污染。物理化学和化学处理工艺，特别是高级氧化工艺（如UV/H₂O₂、光Fenton、非均相光催化和电离辐照等），由于∙OH自由基的强氧化能力，在去除ARGs方面显示出较高的效率。然而，由于∙OH自由基的非选择性，污水中存在的其他污染物也会消耗∙OH自由基，从而降低ARG的去除效率。此外，消毒副产物的形成和ARBs复活也值得注意。因此，需要进一步研究AOPs去除实际废水中的ARBs/ARGs。

图3 不同化学处理工艺对抗生素抗性基因（ARGs）去除的机理

总结与展望

抗生素的大量使用可诱导ARBs和ARGs的生成。本文综述了生物、化学和物理方法去除ARGs的最新进展，从去除效率、局限性和改进方向等方面进行了分析和总结。ARGs的去除率受水质条件、ARGs类型、ARBs初始浓度和类型以及操作参数的影响，这可能导致不同的甚至相互矛盾的实验结果。虽然ARGs的去除已经取得了一些进展，但要提高ARGs的去除效率，还需要考虑以下几个方面：

1、这些废水处理工艺可以在一定程度上缓解ARGs的传播，但仍需考虑各种工艺的局限性。此外，大多数研究主要集中在现有技术对ARGs的去除上，应更多地关注相关技术的优化或创新。一些新的处理工艺，如过硫酸盐氧化、生物电化学以及组合处理工艺（包括UV/氯化、UV/超滤、臭氧/TiO2），可能在去除ARGs方面具有更优异的性能，但尚缺乏深入研究。因此，开发新的或组合工艺，并优化现有处理工艺以实现ARGs的有效去除，是未来研究的另一个方向。

2、此外，还需要进一步探讨不同处理工艺对ARGs水平转移的影响和机理，为优化和选择污水处理工艺，提高污水处理厂去除ARGs的效率提供参考。

3、目前的研究主要集中在常见的ARGs去除上，而忽略了不同ARGs在抗性机制上的差异。在未来的研究中，在评估处理工艺的有效性时，应考虑更多类型和数量的ARGs。为了提高结果的准确性，推荐使用基于扩增技术的检测方法识别ARGs，如qPCR、高通量PCR以及数字PCR。同时，应注意处理后水中ARBs的复活。

4、与胞内ARGs（iARGs）相比，胞外ARGs（eARGs）在环境中更持久，更不容易被常规处理工艺去除。此外，排放到环境中的eARGs可被细菌直接再次吸收，导致ARGs在环境中进一步繁殖。因此，应更多的注意eARGs的去除，以降低其潜在生态风险。

作者简介

第一兼通讯作者简介：

王建龙，博士，教授，博士生导师，清华大学核能与新能源技术研究院副院长，国家杰出青年科学基金获得者（2003年）、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授（2009年）。主要研究领域为核废物处理/处置、电子束技术深度处理难降解工业废水、环境生物技术等。承担多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、国家科技攻关项目、“863”项目以及国际和国内合作课题30多项。曾获教育部自然科学一等奖（2010、2017）、北京市科学技术奖一等奖（2002）、中国核能行业协会技术发明一等奖（2019）等奖励。

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|撰稿：清华大学王建龙团队

|编排：曾镜羽

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