CN110776078A - 一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，将含有抗生素抗性基因的污水与高铁酸盐混合搅拌，经沉降后，得到净化后的水体。本发明将高铁酸盐投加入污水中，能破坏污水中抗生素抗性基因，而原位产生的含铁氧化物、氢氧化物作为混凝剂，能进一步去除抗生素抗性基因、由高铁酸盐氧化产生的DNA片段及其它可传播的遗传元件(如整合子)。因此本方法既能高效去除水体中的抗生素抗性基因，又能极大降低处理副产物(沉淀固体)对环境的风险。另外，本发明提供的去除方法操作简单，运行管理方便，所需试剂种类单一用量少。试验结果表明，本发明提供的深度处理方法对于污水中广泛检出的抗性基因都有良好的去除效果，去除率达到1.10‑4.37个数量。

Description

一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法。

背景技术

抗生素是人类医药史上最重大的发现之一，自发明以后被广泛地用于人类医疗、动物疾病防治以及畜牧养殖等领域。然而抗生素的大量生产和使用导致环境介质中抗生素含量显著提高，抗生素的胁迫诱导了环境微生物抗生素耐药性的进化，造成生物体内抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的产生，严重威胁生态环境安全和人类健康。世界卫生组织将抗生素耐药性作为二十一世纪人类面对的最严峻的环境健康问题之一，并宣布将在全球范围进行战略部署控制ARGs的传播和扩散。

水环境是细菌的主要栖息地与繁殖地，在ARGs传播方面扮演着重要的角色。各类含有大量ARGs的废水经过污水处理厂处理后排入地表水或回用进入农田系统，因此污水处理厂既是各种污水的汇集地，又是污染地表水的源头，被认为是环境中ARGs的重要来源。尽管污水处理厂出水中ARGs浓度相比进水已有大幅降低，但仍比自然水体和土壤高很多，而且进入环境中的ARGs可进行水平和垂直转移，从而导致其在种内和种间的传播扩散，因此控制污水厂出水中的ARGs的丰度具有重要意义。

目前污水处理厂并未对去除污水中的ARGs采取特别的措施。自污水处理厂提标改造以来，深度处理工艺成为提高和加强处理效果的首选工艺，也是拦截去除ARGs的最后一道屏障。其中消毒技术能有效杀灭抗性细菌，但其对抗性基因的去除效果却具有争议性，而且所需剂量均高于污水处理厂的常规剂量，易产生有害的消毒副产物。一些生物手段比如生物滤池和人工湿地对ARGs的去除能力不够。混凝、膜分离技术等作为有效的物理分离手段，具有较好的去除、拦截微生物的物理去除，然而这些过程仅仅是将抗性基因从污水中转移到其他介质中，仍会对环境造成安全风险，需要进一步的处理。因此寻求一个高效的方法，彻底控制污水处理厂出水中ARGs的安全风险非常重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法。

本发明的方法不仅能高效地将抗生素抗性基因从水中去除，而且能破坏DNA结构，进一步降低抗生素抗性基因在环境中传播的安全风险。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，包括以下步骤：将含有抗生素抗性基因的污水与高铁酸盐混合搅拌，经沉降后，得到净化后的水体。

在本发明的一个实施方式中，将含有抗生素抗性基因的污水与高铁酸盐混合搅拌的具体操作方法为：在含有抗生素抗性基因的污水中，投加高铁酸盐，立即快速搅拌，而后慢速搅拌。

在本发明的一个实施方式中，快速搅拌的搅拌速度为600-800rpm；慢速搅拌的速度为50-100rpm。

在本发明的一个实施方式中，快速搅拌的搅拌时间应小于2min，优选为1-1.5min为宜；慢速搅拌的搅拌时间为15-30min。

在本发明的一个实施方式中，所述沉降的时间大于20min。

在本发明的一个实施方式中，所述沉降采用自然沉降的方式进行。

在本发明的一个实施方式中，所述高铁酸盐与需处理的含有抗生素抗性基因的污水的用量比为2.5mg:1L-50mg:1L，优选地范围为2.5mg:1L-10mg:1L，其中高铁酸盐投加量以Fe的质量计。

在本发明的一个实施方式中，所述高铁酸盐包括高铁酸钾与高铁酸钠。

在本发明的一个实施方式中，所述高铁酸盐的来源可包括使用湿式氧化法和电化学法制备的高铁酸盐溶液、分离纯化或商购所得的固体。

本发明对需要深度处理的污水并无特殊限制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点以及有益效果：

(1)本发明通过在污水中投加高铁酸盐，能高效去除污水中的抗性基因。广泛适用于污水处理厂出水中抗药基因的控制和实际水体深度处理。

(2)高铁酸盐作为一种强氧化剂，消毒剂和混凝剂，可以氧化细菌的细胞膜，破坏细菌DNA及在其上的抗性基因，释放的DNA碎片可以被新生的含铁氧化物/氢氧化物混凝去除。通过协同作用，可以有效保障抗性基因的去除效果，同时降低抗性基因在环境的传播风险。

(3)高铁酸盐的强氧化性，可以起到高效的消毒杀菌作用，出水中微生物指标可达到城镇污水处理厂污染物排放一级A标准。

(4)高铁酸盐在还原后产生的含铁氧化物/氢氧化物可以作为混凝剂，进一步去除污水中的磷，此反应同步进行，不需要添加额外操作，保障了出水水质。

(5)本发明提供的深度处理污水的方法对抗性基因的去除效果相较于其他的深度处理工艺具有极强的竞争力，整个工艺流程操作运行简单，运行管理方便，试剂需要量少，成本较低。

附图说明

图1为实施例1中污水中各类ARGs在不同高铁酸钾投加浓度时对应的绝对丰度(以拷贝数每毫升计)柱状图。

图2为实施例1中污水中各类ARGs在不同高铁酸钾投加浓度时对应的相对丰度(以拷贝数与16s rRNA比值计)图。

图3为实施例1中高铁酸钾投加浓度为10mg-Fe/L，实验组(投加高铁酸盐)和对照组(原水)中ARGs的拷贝数(以1L计)柱状图，以及ARGs的相对丰度(以拷贝数与16s rRNA比值计)散点图。

具体实施方式

一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，包括以下步骤：在含有抗生素抗性基因的污水中，投加高铁酸盐，立即快速搅拌，而后慢速搅拌，经沉降后，得到净化后的水体。

其中，快速搅拌的搅拌速度为600-800rpm；慢速搅拌的速度为50-100rpm。快速搅拌的搅拌时间应小于2min，优选1-1.5min为宜；慢速搅拌的搅拌时间为15-30min。所述沉降的时间大于20min。所述沉降采用自然沉降的方式进行。所述高铁酸盐与需处理的含有抗生素抗性基因的污水的用量比为2.5mg：1L-50mg:1L，优选地范围为2.5mg:1L-10mg:1L，其中高铁酸盐投加量以Fe的质量计。所述高铁酸盐包括高铁酸钾与高铁酸钠或其他高铁酸盐。使用湿式氧化法或电化学法制备的高铁酸钾溶液也可达到去除效果。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中待处理污水取自上海市某生活污水处理厂二沉池出水，具体方法包括以下步骤：

取500mL二沉池出水置于烧杯中，放入磁力搅拌子，置于磁力搅拌器上，调节转速至600rpm。称取不同质量高铁酸钾固体加入烧杯中，使其浓度为2.5，5，10mg-Fe/L。计时搅拌2min，保持转速为600rpm。然后转速调节至100rpm，持续搅拌20min。关闭搅拌器，使污水样品自然沉降30min。

采用虹吸法取上层清液400mL，用0.22μm滤膜过滤截留细菌和DNA。同时用0.22μm过滤500mL二沉池出水。另外将投加量为10mg-Fe/L的实验组剩余沉淀100mL样品仍用0.22μm滤膜过滤。过滤后的滤膜用于DNA提取。

然后采用试剂盒(TIANamp Soil DNA Kit)提取滤膜上的DNA。提取到的DNA采用定量PCR方法检测抗性基因丰度。所检测的ARGs及定量PCR所使用的引物如表1所示。

表1 ARGs分类及定量PCR引物

具体的，检测了8类在污水中具有高检出率的抗性基因，包括氨基糖苷类(aac(6')-Ib-01，aadA1)，四环素类(tetW,tetX,tetG,tetM,tetO)，β-内酰胺类(blaOXA1/blaOXA30)，大环内酯类(ermB,ermF,ereA)，氯霉素类(catB3)，胺酰醇类(mexF)，磺胺类(sul2)，万古霉素类(vanB)，以及一类整合子(intI1)。结果如图1所示，图1为各类基因在未处理和使用不同浓度高铁酸盐处理后的抗性基因绝对丰度对比图，图2为相对丰度对比图。

从图1中可以得出，污水经过高铁酸钾处理后，ARGs丰度均有显著降低。提高高铁酸钾的投加浓度，能进一步提高ARGs的去除效果，在本实例的最高投加浓度，即10mg-Fe/L的投加量下，对抗性基因的去除率在1.10-4.37个数量级。其中，大环内酯类抗性基因ermB的去除率在15个ARGs中最高，达到4.37个数量级。磺胺类抗性基因sul2去除率最低，为1.1个数量级。intI1基因丰度也明显下降，去除率为2.01个数量级。

对于大多数的ARGs，低浓度(2.5mg-Fe/L)高铁酸盐具有良好的去除效率(90％以上)。此外，对于低剂量、低去除率的ARGs，高铁酸盐的投加浓度从2.5mg-Fe/L增加到10mg-Fe/L，能显著提高ARGs的去除率。例如，在2.5mg-Fe/L的投加量下，sul2基因和tetG的去除率分别为9.5％和39.1％，提高高铁酸钾的投加量至10mg-Fe/L，去除率达到93.6％和92.7％。

除此之外，ARGs的相对丰度相较于未处理污水都显著下降。这说明高铁酸盐对抗性基因的去除没有选择效应。选择效应是指即使样品的绝对丰度(基因拷贝数/mL)减少，相对丰度(拷贝数相对于细菌总拷贝数)可能增加。经过高铁酸盐处理后，ARGs的相对丰度都有大幅下降，而且随着高铁酸盐的浓度增加，相对丰度随之下降。高铁酸钾处理对抗性基因的去除没有选择效应，消除了对于某些特定抗性基因在处理后成为优势基因从而广泛传播的风险。

图3为当投加量为10mg-Fe/L时，ARGs在污水各组分中的分布情况。

通过对比高铁酸钾处理前后，各ARGs总拷贝数(上清液+沉淀)的变化，发现不同的ARG总拷贝数下降情况有所不同。如图3所示，与原水相比，除sul2、intI1、mexF基因外，样品总基因拷贝数下降范围为0.02-3.11个数量级，同时超过一半的ARGs下降了超过一个数量级。这一结果表明，ARGs在污水中去除并不仅仅是物理去除，高铁酸盐能破坏ARGs本身，从而降低其处理后的副产物对环境的风险。

值得注意的是，在上清液中，当投加剂量为10mg-Fe/L时，所有ARGs的去除率都达到了1个数量级，而总的ARGs去除率却远小于此，尤其对于上清液中去除量相对较低的ARGs，这是由于大量的ARGs转移至沉淀中。结果表明，对于sul2和intI1基因的总拷贝数略有增加，沉淀中的ARGs相对丰度均高于原水，这说明其去除机制主要是基于混凝。

以上现象都体现了高铁酸盐处理去除ARGs的优点。除了破坏ARGs结构外，由于高铁酸盐被还原在原位生成的含铁混凝剂还可进一步去除高铁酸盐氧化未破坏的ARGs，同时，ARGs片段或其他可传播的遗传物质可以同时被清除，从而减少了ARGs通过水平基因转移的传播。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，包括以下步骤：将含有抗生素抗性基因的污水与高铁酸盐混合搅拌，经沉降后，得到净化后的水体。

2.根据权利要求1所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，将含有抗生素抗性基因的污水与高铁酸盐混合搅拌的具体操作方法为：在含有抗生素抗性基因的污水中，投加高铁酸盐，立即快速搅拌，而后慢速搅拌。

3.根据权利要求2所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，快速搅拌的搅拌速度为600-800rpm；慢速搅拌的速度为50-100rpm。

4.根据权利要求2所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，快速搅拌的搅拌时间小于2min，慢速搅拌的搅拌时间为15-30min。

5.根据权利要求4所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，快速搅拌的搅拌时间为1-1.5min。

6.根据权利要求1所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，所述沉降的时间大于20min。

7.根据权利要求1所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，所述沉降采用自然沉降的方式进行。

8.根据权利要求1所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，所述高铁酸盐与含有抗生素抗性基因的污水的用量比为2.5mg：1L-50mg:1L，其中高铁酸盐投加量以Fe的质量计。

9.根据权利要求8所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，所述高铁酸盐与含有抗生素抗性基因的污水的用量比为2.5mg:1L-10mg:1L，其中高铁酸盐投加量以Fe的质量计。

10.根据权利要求1所述的一种污水中抗生素抗性基因的深度处理方法，其特征在于，所述高铁酸盐包括高铁酸钾与高铁酸钠。

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