(株洲市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站　湖南　株洲　412007)

一、引言

近年來(lái)，因抗生素在醫(yī)療和養(yǎng)殖業(yè)的大量使用而造成的環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重[1]。進(jìn)入環(huán)境中的抗生素除會(huì)造成化學(xué)污染外還可能誘導(dǎo)環(huán)境中耐藥菌和抗性基因(Antibiotic resistance genes，ARGs)的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年受到抗性病原體感染的人超過(guò)200萬(wàn)，最終死亡14000人[2]，且越來(lái)越多的研究表明，致病菌耐藥性的擴(kuò)散與環(huán)境抗性微生物和抗性基因有關(guān)。世界衛(wèi)生組織已將ARGs作為21世紀(jì)威脅人類健康的重大挑戰(zhàn)之一。因此，開展環(huán)境中微生物抗性研究的工作刻不容緩。研究表明，污泥是抗生素抗性基因的重要存儲(chǔ)庫(kù)。探討堆肥處理對(duì)污泥中抗生素及抗性基因的影響效果，旨在為堆肥處理能否降低或避免污泥中抗性基因?qū)Νh(huán)境的二次污染等問(wèn)題提供理論依據(jù)。

二、環(huán)境中抗生素及抗性基因的降解方式

(一)環(huán)境中抗生素的降解

抗生素自然降解受環(huán)境基質(zhì)類型、微生物種群等因素的影響。但是由于自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，其在自然界中降解表現(xiàn)不同，研究表明，耐藥細(xì)菌能夠直接破壞或者修飾抗生素而使其失活。

自然環(huán)境中光照是影響環(huán)境中抗生素殘留量的重要因素。在光照條件下，抗生素不穩(wěn)定，容易發(fā)生光解，最終生成H2O、CO2和其他離子等。李圓杏等[3]選取四環(huán)素、土霉素、紅霉素等3種國(guó)內(nèi)普遍使用的抗生素，研究其在模擬日光(1.7kW氙燈，300nm≤λ≤400nm)下的降解動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明，3種抗生素在模擬日光下均能發(fā)生光降解，3h的降解率分別達(dá)到66.87%、90.55%和92.80%。降解過(guò)程均符合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，速率常數(shù)(k)分別為：0.00640、0138min-1和0.0155min-1；半衰期(t1/2)分別為：108.30、50.23、44.72min?？股氐墓饨到膺^(guò)程中，受到pH、催化劑、初始濃度等因素的影響。

水解作用是抗生素在環(huán)境中降解的重要方式，抗生素中β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和磺胺類等易溶于水。氨芐青霉素、頭孢噻吩和頭孢西丁在環(huán)境中水解受pH和溫度影響。在環(huán)境條件(pH=7，溫度為25℃)下，半衰期范圍5.3-27d。自然環(huán)境中抗生素的水解對(duì)預(yù)測(cè)抗生素的持久性有重要意義[4]。水環(huán)境中，在可吸收礁湖肥料水區(qū)域的地下水中測(cè)不到莫能菌素。表明莫能菌素在地表有氧層的降解比在無(wú)氧條件下的降解要快。水環(huán)境有利于某些抗生素的水解，對(duì)抗生素降解有促進(jìn)作用。

(二)環(huán)境中抗性基因的去除

自然環(huán)境中，光照、溫度、含氧量與微生物菌群均能影響ARGs的降解。如光照可以加速ARGs的降解。研究表明，廢水中ARGs的濃度有明顯的季節(jié)特征，冬季ARGs高于夏季，這與抗生素使用和微生物群落組成等有關(guān)。微生物群落組成對(duì)ARGs含量有一定的影響，細(xì)菌類型和多樣性的變化促使ARGs含量發(fā)生變化。

人工處理系統(tǒng)中，不同的處理工藝對(duì)ARGs去除效果不一。物理法主要是應(yīng)用沉淀、過(guò)濾和紫外消毒等措施去除ARGs，去除機(jī)理即吸附和光降解等作用。城市污水廠初沉淀池可明顯除去污水中的四環(huán)素類ARGs中tetA和tetB基因。用石灰穩(wěn)定法處理污泥中四環(huán)素類ARGs和磺胺類ARGs，sulⅠ去除效果高于tetO。Macauley等比較了養(yǎng)豬廢水中氯消毒、UV和臭氧消毒對(duì)金霉素、林可霉素、磺胺甲嘧啶和四環(huán)素抗性細(xì)菌的去除效果，結(jié)果為UV>臭氧>氯。但是消毒并非對(duì)所有ARGs都有效果。

三、抗生素及抗性基因在污泥堆肥中的變化

許多研究表明，四環(huán)素類抗性基因與轉(zhuǎn)座子等基因移動(dòng)原件相關(guān)聯(lián)，具有微生物種群間傳播擴(kuò)散的能力，且抗性基因進(jìn)入土著微生物后更利于其在環(huán)境中的存在和移動(dòng)。由于水平基因轉(zhuǎn)移機(jī)制的存在，使得環(huán)境中的抗生素抗性往往難以去除。

(一)堆肥對(duì)污泥中四環(huán)素類抗生素及抗性基因的影響

韋蓓等[5]選擇3種常見的四環(huán)素(四環(huán)素、土霉素和金霉素)和5種典型的四環(huán)素類抗性基因(tet(A)、tet(C)、tet(M)、tet(O)、tet(X))進(jìn)行定量，研究堆肥對(duì)污泥中四環(huán)素類抗生素及其抗性基因的影響。結(jié)果表明，經(jīng)堆肥處理后，污泥中四環(huán)素類抗生素的濃度分別降低85.6%、91.4%和85.3%，且降解過(guò)程主要發(fā)生在升溫階段(中溫階段和高溫階段，說(shuō)明高溫是導(dǎo)致四環(huán)素類抗生素降解的主要因素；經(jīng)堆肥處理后，tet(A)和tet(X)的相對(duì)豐度增加，tet(C)、tet(M)和tet(O)的相對(duì)豐度略微下降，說(shuō)明堆肥處理對(duì)污泥中四環(huán)素類抗性基因的削減作用有限；堆肥過(guò)程中tet(A)、tet(C)和tet(M)的豐度與溫度呈正相關(guān)(P<0.05)，tet(X)的豐度與溫度呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說(shuō)明溫度可能是影響四環(huán)素類抗性基因隨堆肥過(guò)程階段性變化的重要因素。

(二)堆肥對(duì)污泥中磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因的影響

韋蓓等[6]選取磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因(sulI、sulII、erm(B)和erm(F))這4種典型的抗性基因進(jìn)行定量，并以I類整合子(intI1)作為水平基因轉(zhuǎn)移的指示器，探討堆肥處理對(duì)污泥中磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因的去除效果。結(jié)果顯示，sulI、sulII、erm(B)和erm(F)的相對(duì)豐度在中溫階段降低(PsulII<0.05，Perm(B)<0.05，Perm(F)<0.05)，且sulΙ的相對(duì)豐度在高溫階段達(dá)到最小值(PsulI<0.05)，sulΙ、sulΙI和erm(F)的相對(duì)豐度在冷卻和腐熟階段增加(PsulI<0.05，PsulII<0.05，Perm(F)<0.05)。堆肥過(guò)程中sulΙ、sulII和erm(B)的豐度與溫度呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)，溫度可能是影響磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因變化的重要因素。研究結(jié)果表明，盡管存在于污泥中的抗生素抗性基因的相對(duì)豐度在升溫階段呈下降趨勢(shì)，但在隨后的冷卻和腐熟階段卻顯著反彈。

(三)污泥堆肥中AGRs和微生物群落的關(guān)系

研究表明，通過(guò)高通量PCR技術(shù)和16S rRNA技術(shù)對(duì)污泥堆肥中AGRs和微生物群落進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果檢測(cè)到156個(gè)抗性基因和可移動(dòng)遺傳元件(MGEs)，占了大部分抗生素種類的編碼抗性基因。AGRs和MGEs的數(shù)量在堆肥后期相對(duì)于堆肥前期明顯增長(zhǎng)，堆肥過(guò)程中AGRs的豐度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，四環(huán)素類、β-內(nèi)酰胺類和氨基甙類抗生素抗性基因含量最高。堆肥過(guò)程中，AGRs的模式都發(fā)生了變化，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，觀察到其組成中放線菌在堆肥后期占主導(dǎo)地位，放線菌群的比例解釋了AGRs在堆肥過(guò)程中升高的趨勢(shì)。AGRs模式和微生物群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，表明微生物的生長(zhǎng)發(fā)育嚴(yán)重影響了AGRs的動(dòng)力學(xué)變化。

四、展望

無(wú)論在農(nóng)業(yè)土壤、林業(yè)土壤還是城市土壤中，施用污泥尤其是污泥堆肥的區(qū)域越來(lái)越多，然而城市污泥中抗生素及抗性基因等新型污染物的出現(xiàn)，可能通過(guò)污泥堆肥產(chǎn)品的使用釋放到環(huán)境中，對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅。綜上所述，抗生素抗性基因在污泥堆肥過(guò)程中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，經(jīng)堆肥處理的污泥直接施用于農(nóng)田可能造成抗生素抗性基因的二次擴(kuò)散。因此，對(duì)污泥堆肥產(chǎn)品的使用對(duì)象需要嚴(yán)加控制，優(yōu)化堆肥工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)抗生素及抗性基因的高效去除，是目前和今后值得研究和發(fā)展的方向。