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供水管网中抗生素抗性基因环境风险分析
更新时间:2021-01-28 来源:给水排水 作者:钟丹、周子仪、马文成、李克非、戴长雷

  水环境中的抗生素抗性基因残留已经成为全世界范围内的一个重要的环境风险问题,特别是抗生素抗性基因残留于城市饮用水系统中对饮用水生物安全性造成威胁。传统城市供水厂净水工艺对抗生素抗性基因的去除能力有限,不仅会导致出厂水中抗性基因残留,更有通过与管网生长环复杂的交互作用引起管网抗性基因污染风险的趋势,许多试验表明抗性基因经过供水管网后浓度反而有所增加,讨论了新型环境污染物抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)在供水管网中传播途径及作用机制,并有针对性提出供水管网中抗生素抗性基因环境风险控制的建议。

  0 引言

  近年来,国内关于抗生素抗性基因的残留赋存、传播途径及控制方法的研究已成为热点,但大部分研究多针对于污水处理厂中抗生素抗性基因的相关问题,很少有关于给水系统中抗性基因环境风险控制的相关报导,尤其是供水管网中抗生素抗性基因的污染问题还未引起关注。已经有研究结果表明,供水管网中出水的抗生素抗性基因绝对丰度显著高于供水管网的进水。例如,Xu等的研究表明,供水管网出水中ARGs的绝对丰度显着增加,尤其是β-内酰胺ARGs,供水管网中存在抗生素抗性基因污染风险。

  1 抗生素的广泛应用和抗性基因的产生

  自20世纪40年代人们首次发现青霉素以来,抗生素被广泛应用于细菌感染性疾病的治疗方面,同时作为饲料添加剂也被广泛应用于养殖业和畜牧业。2002年就有报道称全世界的抗生素使用量已达到了1×108~2×108 kg。2014年世界卫生组织(World Health Organization,WHO)发表的《抗菌药物耐药:2014年全球监测报告》显示,2004年至2013年的10年间,全球抗生素的使用量增长了36%,已经出现滥用趋势。

  抗生素的滥用提高了环境中抗生素残留水平,还导致了抗生素抗性基因和抗生素耐药菌(Antibiotic Resistant Bacteria,ARB)的出现,严重威胁公共健康。细菌对抗生素产生抗性的实质是细菌体内的ARGs序列成功表达。细菌基因组中本身携带的抗性基因以及环境中的天然抗性基因序列称为固有性ARGs;微生物在抗生素诱导下通过基因突变或基因转移等方式获得的抗生素抗性序列成为获得性ARGs。目前,人们普遍认为抗生素的耐用是引起环境微生物产生耐药性甚至增加耐药性的重要途径之一,已有研究表明抗生素抗性基因和抗生素耐药菌的存在以及浓度与抗生素的检出浓度之间存在明显的相关性。

  2 抗生素抗性基因存在危害

  我们研究抗生素抗性基因和抗生素耐药菌在饮用水系统中赋存状态以及变化情况,最终目的是降低抗生素抗性对于人类健康造成的风险。存在于水环境中的抗性基因可以通过多种途径进入人体内,并与质粒、转座子、整合子等可移动基因元件结合,将抗性片段水平转移给人体的致病菌,这样造成了人体的耐药性增加,使致病菌感染性疾病的治疗更加困难。

  有学者通过建立定量模型评估抗生素耐药性从环境传播给人体的风险,结果表明饮用水中的抗性菌通过口服进入人体,不会短期内发生疾病,当积累一定值,人体免疫力低下的时候便会感染。抗性基因在环境中是循环传播的过程,并人体内可以积累。在美国,每年由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌引起的感染病,导致的死亡人数比肺气肿、艾滋病、帕金森症以及被杀人犯杀害的总和还要多。

  另外,不容忽视的是当致病菌获得多重抗性的情况。当致病菌获得多重抗性基因,那么它将既有致病性又有多重耐药性,对人体的危害显而易见。2010年印度新德里首次在人体内发现含NDM-1基因的超级细菌,引起世界范围内的恐慌,超级细菌可同时对多种抗生素药物产生抵抗力,导致人类因无药医治而死亡。综上所述,必须找到合理有效的去除环境中抗生素抗性基因的方法。

  3 抗生素抗性基因扩散传播机制

  3.1 抗性基因的转移形式

  抗性基因的存在是细菌对抗生素产生抗性的分子生物学基础。细菌获得抗性基因有两种途径:一种是基因的垂直转移,即通过遗传的形式,抗性基因从父代传到子代,这种转移形式可以使对抗生素的抗性在整个细菌种群中广泛传播。另一种是基因的水平转移,这种形式主要有3种类型:

  ①接合:通过一些可移动的基因元件比如质粒、整合子、转座子等在供体和受体细胞之间转移抗性基因,这是基因水平转移最主要的方式;

  ②转导:这种方法通过噬菌体转移抗性基因,噬菌体感染了含抗性基因的细菌,抗性基因整合到噬菌体中,噬菌体的后代又去感染其他细菌,把这种抗性基因也注入到其他细菌中;

  ③转化:感受态的细胞吸收胞外游离的DNA(包含抗性基因),在体内整合表达。正是由于基因的水平转移这种形式存在,导致饮用水系统中的原水里不含抗性基因的菌群很可能拥有抗性基因,变成抗性菌。

  3.2 抗性基因的传播方式

  无论是将抗生素用来治疗疾病还是在动物饲料内添加抗生素,抗生素进入人体或动物体内都会诱导产生抗性菌和抗性基因。禽畜粪便、人类粪尿以及制药厂工业废水、生活污水中的抗性菌和抗性基因进入环境后,通过抗性基因的水平转移与环境中土著细菌发生基因交换。抗性基因由于雨水冲刷或地表径流实现在土壤和水环境中的迁移,造成水环境中ARB和ARGs的污染;受污染土壤中的ARB和ARGs与农作物之间也可能发生水平转移。植物性食用产品和畜禽养殖业生产的动物性食用产品,通过食物链的传递进入人体,并在人体内积累,造成健康隐患。

  4 供水管网中抗性基因来源

  参考最近几年的国内外文献,可以把供水管网中抗性基因的来源分为3个途径:

  ①抗生素抗性基因经过给水处理厂并没有完全去除,甚至可能高于进水。Xu等选取杭州市两个城市供水厂及居民区生活用水为研究对象,检测供水厂处理后的出水中抗性基因的数量,发现仍残留一定量的抗性基因,且经过生物活性炭吸附处理工艺后,供水厂出水中的抗性基因相对丰度还会增加。Su等通过试验也得出了类似的结论,试验调查了华南珠江三角洲地区水源水、饮用水处理厂各环节出水和自来水中ARGs的多样性。饮用水处理厂中的砂滤和沉淀可以有效去除ARGs,而颗粒状活性炭过滤却增加了ARGs的含量,有研究发现假单胞菌可能参与了饮用水处理系统中ARGs的增殖和传播。经饮用水处理厂处理后,尽管抗生素抗性基因明显减少了,但仍存在于供水厂出水中,随后进入供水管网中。

  ②消毒剂和消毒副产物可能会富集抗性基因,使抗性基因含量增加。Guo等通过试验证明在消毒剂的压力下,一些细菌显示出较高的水平基因转移(Horizontal Gene Transfer,HGT)和突变率,促进了抗性基因的获得,证明了低剂量氯可显著提高大肠杆菌的接合频率,相关机理是氯和水中的氨生成氯胺,增加了细胞膜的通透性,有利于ARGs从供体细菌中流出以及受体细菌的接收。消毒剂和饮用水接触作用后很容易产生消毒副产物,消毒副产物对于细菌产生抗性方面具有一定的促进作用。Lv等选取了4种典型的消毒副产物和10种抗生素作用于细菌,结果表明细菌对抗生素的抗性和多重耐药性均有所提高,这项试验说明了消毒副产物的致突变性可能诱导细菌对抗生素产生耐药性。

  ③供水管网中管壁的生物膜会增加抗性基因的数量。即便管网中存在少量微生物,仍然会在管壁附着进而形成生物膜。供水管网中抗性基因可能被附着在生物膜中的细菌吸收,或者是管网运输的饮用水中存在的抗性菌通过抗性基因的水平转移,感染供水管网管壁生物膜中附着的土著细菌。因此,在自来水的运输中可能造成微生物的二次污染。尤其是有些实验表明,处理后的饮用水经过供水管网运输到用户时,供水管网出水中ARGs的绝对丰度显着增加。管道运输系统可能是抗性细菌和抗性基因的一个重要污染源,从而可以推测,水中的抗性菌很可能是和供水管网管壁上的生物膜发生交互作用,使得抗性细菌和抗性基因的数量增加。Flemming等已证实管网中超过95%的生物量都存在于管壁的生物膜中,水中只有5%的细菌以悬浮状态存在于水中。且生物膜对附着在上面的抗性细菌起到保护作用,保护其不与残留的消毒剂接触。Savage等曾经通过试验观察到生物膜中的金黄葡萄球菌的耐药性比游离的金黄葡萄球菌高1 000倍。供水管网中的生物膜和游离的抗性基因以及抗性菌存在交互作用的机理可能是生物膜结构中细胞的浓度比较高,同时可移动基因元件和抗性基因在生物膜基质中积累,导致细胞间的交流更频繁,从而促进了基因水平转移。

  不论是通过上述哪种途径,又或是多种途径并存,都可以从多角度证明供水管网具有生态安全风险。特别是管网中生物膜的存在,潜在威胁了人类的健康,需要得到重视,但现在国内外对于供水管网中抗性基因的研究还处于空白阶段。

  5 供水管网中抗性基因的风险控制措施

  (1)管网起始端消毒。现有的消毒工艺主要有加氯消毒、氯胺消毒、臭氧消毒及紫外线消毒。在众多消毒工艺中,应用最广泛的是加氯消毒和紫外消毒。Xagoraraki等发现经过氯消毒处理后,抗性基因的含量并未显著减少。与加氯消毒不同,紫外消毒是一个物理过程,紫外光的专一性使其具有潜在的有效灭活抗性基因的可能。有学者研究发现,紫外辐射能够破坏DNA中抗性基因的转换能力,从而降低了抗性基因的水平转移风险。McKinney等用紫外消毒处理4种抗性基因后发现,紫外辐射确实能够降低抗性基因的含量,但灭活抗性基因3~4个数量级所需要的的紫外剂量远大于实际消毒中的剂量。近年来,有不同学者提出添加TiO2纳米颗粒与近紫外光复合使用可以提高其去除抗性基因的效率,或者加入AgTiO2复合纳米材料也能大大提升紫外光消毒效果。

  (2)控制供水管网生物膜的形成。饮用水处理厂的出水经过消毒会杀灭一部分微生物,由于供水管网使用年限较长,出厂水中即使有少量的微生物也会在管壁形成生物膜,且不管采用何种净水工艺、消毒工艺和何种材质的管道,微生物再生从而产生生物膜的现象是普遍存在的。所以供水管网对饮用水存在二次污染的问题,即供水管网成为污染源。抗性细菌在管网中可能经历了复杂的反应过程,引起抗性基因行为特征的变化。因此,削减供水管网抗性基因的方法之一是减少管壁生物膜的量。有试验表明管材对生物膜的生物量和发育速度有显著的影响,综合考虑生物膜形成、成本以及消毒剂等因素,目前普遍应用的PVC是一种较为理想的管材。此外,针对如何去除管网中的生物膜还没有低成本、高效率的方法,现实中常用的方法是物理冲刷,周期性冲洗减少管道内腐蚀的发生,从而抑制管网生物膜的形成。

  (3)建筑二次供水设施消毒。饮用水的生物安全问题需要引起重视,因为饮用水中的抗性菌是通过口服进入人体,并在体内积累的。Xi等对自来水厂及饮用水分配系统中的抗性污染情况做了研究,结果表明水龙头出水中细菌含量和抗性基因浓度均高于出厂水,这说明经过前期处理过程,水中抗性细菌的抗性反而提升。因此要考虑加强保障小区内用户的饮用水安全问题,可以对屋顶水箱单独进行定期消毒。这里推荐采用紫外线或臭氧消毒的方式,因为配水时间短,不需要考虑余氯浓度,不用氯系消毒剂也避免了消毒副产物生成。但需要考虑的是紫外线和臭氧消毒在灭活细菌的同时,可能造成细菌中的抗性基因游离出来,游离的抗性基因又被其他细菌主动吸收造成新的风险,这些需要进一步探究。

  目前,国内对于给水处理系统和给水分配系统中抗性基因的研究少之甚少,针对抗生素抗性基因的研究仍然有很多问题亟待解决。关于供水管网中抗生素抗性基因的削减方法,还需要通过大量实验探究ARGs在水环境中转移的机制,从而真正去除抗性基因。

  6 结语

  总之,进入管网的饮用水经过饮用水处理厂处理时经常引起ARGs富集,随后可能污染处理后的水。另外,管网前段消毒过程可以降低ARGs的绝对丰度并增加其相对丰度。这些都是需要注意的问题,也是未来研究的重点内容。管网末端应采取必要的消毒手段,控制进入建筑管道系统的抗生素抗性基因含量。为了确保供水管网内饮用水的生物安全,评估抗生素抗性的风险被认为是迫切需要的工作。可以追踪导致感染性疾病或定殖于人体内的ARGs宿主细菌,定量评估ARB或ARGs使人类致病的量,作为去除标准的参考。此外,管网内由于生物膜的存在,对水中抗生素抗性基因起到了富集的作用,其中的机制比较复杂,还需要进一步探究。


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