J Hazard Mater | 宏基因組+qPCR技術(shù)揭示PAC混凝法增強醫院廢水中的污染物去除 |

作者：小邁

發(fā)布于 2024年5月27日

文章標題：Enhancing pollutants removal in hospital wastewater: Comparativeanalysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting theimpact of outdated treatment plants

期刊名稱(chēng)：Journal of Hazardous Materials

影響因子：13.6

合作單位：中國疾病預防控制中心、中國農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院

測序技術(shù)：宏基因組測序

百邁客生物為該研究提供了宏基因組測序服務(wù)。

研究背景

醫院廢水富含抗生素殘留和抗生素耐藥細菌，被認為是抗生素耐藥基因(ARGs)傳播到環(huán)境中的主要來(lái)源。雖然聚合氯化鋁(PAC)混凝去除污染物的有效性已經(jīng)在各種廢水場(chǎng)景中得到了證明，但它在醫院廢水(HWW)處理中去除常規污染物和有害遺傳污染物的具體應用還沒(méi)有研究過(guò)。

2024年4月17日，中國疾病預防控制中心和中國農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院在Journal of Hazardous Materials?期刊發(fā)表題為“Enhancing pollutants removal in hospital wastewater: Comparative ?analysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting the impact of outdated treatment plants”研究論文，該研究對三個(gè)醫院污水處理廠(chǎng)(HWTP)，包括PAC混凝-次氯酸鈉消毒工藝(PAC-HWTP)，生物接觸氧化-沉淀-次氯酸鈉工藝(BCO-HWTP)，以及使用過(guò)時(shí)設備的PAC混凝系統(ODE-PACHWTP)處理的污水是否符合國家排放標準進(jìn)行了評估。結果表明，PAC-HWTP對抗生素抗性基因、金屬抗性基因、移動(dòng)基因具有較高的去除效率。

材料方法

1.水樣收集

醫院污水處理廠(chǎng)進(jìn)水點(diǎn)和出水點(diǎn)8個(gè)時(shí)間點(diǎn)，收集了30份水樣（2L/樣）

分為三種處理方式：BCO-HWTP；ODE-PAC-HWTP；ODE-PAC-HWTP；

2.理化指標檢測

測定化學(xué)需氧量（COD）、總有機碳（TOC）、pH值、氨氮 (NH3-N)

懸浮物（SS）、殘留鋁（Al）；

3.宏基因組測序與qPCR驗證

水樣宏基因組測序；

qPCR定量：16S rRNA、大腸桿菌生物標志物基因 (uida)、臨床顯著(zhù)抗生素耐藥性基因 OXA-58 和 MGE tnpA

研究結果

1.理化性質(zhì)的變化

該研究共同評估了九種常見(jiàn)的理化指標，這些指標在三個(gè)污水處理廠(chǎng)的出水點(diǎn)表現出明顯的梯度分布。在這些指標上，ODE-PAC-HWTP 超過(guò)了 PAC-HWTP，PAC-HWTP 超過(guò)了 BCO-HWTP。BCO-HWTP出水中COD、BOD5、pH、NH3-N、AS、Color、VP、SS等濃度基本符合國家排放標準。PAC-HWTP 出水的 COD、BOD5、pH、NH3-N、AS、顏色、VP 和 SS 水平通常符合國家預處理標準，允許排放到通向市政污水處理廠(chǎng)的下水道中。相反，ODE-PAC-HWTP出水中COD和BOD5的濃度超過(guò)國家預處理標準。此外，還對兩個(gè)經(jīng) PAC 處理的 HWTP 出水中的殘留鋁濃度進(jìn)行了測試。在 ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 的出水中，檢測到的殘留 Al 濃度分別為 0.86 ± 0.09 mg/L 和 0.32 ± 0.11 mg/L。這些值符合 2002 年環(huán)境保護法制定的鋁廢水排放標準，該標準規定限值為 5.0 mg/L 。

表1-三個(gè) HWTP 廢水的物理化學(xué)參數

2.ARGS、MRGs和MGES的變體

1）ARGs的多樣性和去除效率

研究發(fā)現，三個(gè) HWTP 的進(jìn)水和出水中總共存在 26 種 ARG 類(lèi)型的694種 ARG 亞型。在三個(gè)污水處理廠(chǎng)的出水中，ARGs 的總相對豐度普遍低于進(jìn)水。然而，統計分析顯示僅 PAC-HWTP 的數據存在顯著(zhù)差異（圖2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 中 ARGs 相對豐度的平均去除效率分別為 16.09%、18.68% 和 45.13%。值得注意的是，PAC-HWTP廢水中ARG的總相對豐度低于BCO-HWTP和ODE-PAC-HWTP。與 BCO-HWTP 和 ODE-PACHWTP 相比，PAC-HWTP 中多種 ARG 類(lèi)型的相對豐度在出水中低于進(jìn)水中（圖2A）。這些結果表明，與 BCO-HWTP 和 ODE-PAC-HWTP 相比，PAC-HWTP 在去除 ARG 方面更有效。

在三個(gè) HWTP 的污水中，觀(guān)察到 33 種 ARG 的相對豐度顯著(zhù)下降（圖2B）。春雷霉素抗性蛋白 ksgA、OXA-309、cpxA、adeF 和 abeM 僅在 BCO-HWTP 中表現出顯著(zhù)降低。MexB 僅在 ODE-PAC-HWTP 中表現出顯著(zhù)下降。與 BCO-HWTP 和 ODE-PAC-HWTP 相比，PAC-HWTP 中 ARG 的減少量更大。此外，值得注意的是，在所有三個(gè)污水處理廠(chǎng)的廢水中，只有多重耐藥基因 emrB 的相對豐度顯著(zhù)下降。

為了提供更詳細的評估，進(jìn)行了 qPCR 分析來(lái)測量臨床關(guān)鍵抗生素抗性基因 OXA 豐度的絕對減少量。在 BCO-HWTP、ODE- 上，減少量被量化為 0.17 log、0.59 log 和 1.68 log。分別為 PAC-HWTP 和 PAC-HWTP。該結果表明不同 HWTP 中 blaOXA-58的減少，其中在 PAC-HWTP 中觀(guān)察到的絕對減少量最大。

圖2-(A) 復合熱圖的上半部分為?；鶊D，展示了三個(gè) HWTP 進(jìn)水和出水處 ARG 總相對豐度、MRG 總相對豐度和 MGE 總相對豐度的變化和統計差異。下半部分展示了了三個(gè) HWTP 進(jìn)水點(diǎn)和出水點(diǎn)特定 ARG 類(lèi)型、MRG 類(lèi)型和 MGE 類(lèi)型的相對豐度。(B) 使用 Wilcoxon 秩和檢驗確定每個(gè) HWTP 進(jìn)水和出水中表現出統計變化的 ARG 亞型、MRG 亞型和 MGE 亞型。

2）MRGs的多樣性和去除效率

在三個(gè) HWTP 的進(jìn)水和出水中鑒定出了來(lái)自 17 個(gè) MRG 類(lèi)型的 194 個(gè) MRG 亞型。在三個(gè) HWTP 的污水中，總 MRG 相對豐度始終低于進(jìn)水；然而，統計分析表明僅 BCO-HWTP 和 PAC-HWTP 的數據存在顯著(zhù)差異（圖2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP和PACHWTP中MRG相對豐度的平均去除效率分別為42.08%、19.92%和57.54%。BCO-HWTP和PAC-HWTP出水中MRG的總相對豐度低于ODE-PAC-HWTP。主要的 MRG 類(lèi)型包括多金屬、汞 (Hg)、銅 (Cu)、砷 (As)、鋅 (Zn)、銀 (Ag) 和鎳 (Ni)。與 BCO-HWTP 和 ODE-PAC-HWTP 相比，PAC-HWTP 中多種 MRG 類(lèi)型的相對豐度在出水中低于進(jìn)水中（圖2A）。在三個(gè) HWTP 的廢水中，觀(guān)察到 19 種 MRG 的相對豐度顯著(zhù)降低。具體來(lái)說(shuō)，BCO-HWTP 中 2 個(gè) MRG 的減少，ODE-PAC-HWTP中 1個(gè) MRG 的減少，PAC-HWTP 中 18 個(gè) MRG 的顯著(zhù)減少（圖2B）。這些結果表明，與ODEPAC-HWTP 相比，BCO-HWTP 和 PAC-HWTP 能更有效地去除 MRG。

3）MGE的多樣性和去除效率

在三個(gè) HWTP 的進(jìn)水和出水中總共確定了 164 個(gè) MGE 亞型，屬于 30 種不同的 MGE 類(lèi)型。值得注意的是，在所有三個(gè) HWTP 的污水中，MGE 的相對豐度始終低于進(jìn)水。然而，統計分析顯示僅 PAC-HWTP 的數據存在顯著(zhù)差異（圖2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 中 MGE 相對豐度的平均去除效率分別為 29.88%、44.40% 和 80.61%。為了進(jìn)一步證實(shí)這些發(fā)現，通過(guò) qPCR 實(shí)驗進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注 tnpA 基因的絕對豐度。qPCR 結果證實(shí)了 PAC-HWTP 在去除 MGE 方面的優(yōu)越性能，與 BCO-HWTP 的 0.35 log 和 ODE-PAC-HWTP 的 0.51 log 相比，PAC-HWTP 減少了 0.90 log。

4）MRGs基因共定位的ARGs變異

研究了HWW中ARGs和MRGs的豐度之間的關(guān)聯(lián)，以確定ARGs共同選擇的相對影響。Mantel測試和Procrstes分析表明，ARG和MRG之間的成分相似性在統計上具有顯著(zhù)的一致性(圖3a)。在PAC-HWTP和BCO-HWTP出水中，與MRGs基因共處的ARGs的相對豐度低于進(jìn)水中的ArGs。然而，統計分析表明，只有來(lái)自PAC-HWTP的數據存在顯著(zhù)差異。相反，在ODE-PAC-HWTP的出水中，與MRGs基因共存的ArGs的相對豐度呈現出增加的趨勢(圖3B)。共有9種類(lèi)型的ARG與65個(gè)MRG亞型遺傳共存。共確定了92個(gè)不同的ARG-MRG(一對一)遺傳共定位關(guān)系(圖3C)。在這些關(guān)系中，48個(gè)同時(shí)在進(jìn)水和出水中檢測到，30個(gè)專(zhuān)門(mén)在進(jìn)水中發(fā)現，14個(gè)專(zhuān)門(mén)在出水中發(fā)現。與MRG共存的最常見(jiàn)的ARG型是多藥耐藥。HWTP出水中氨基糖苷類(lèi)、β-內酰胺類(lèi)、卡蘇霉素、MLS、多藥、多粘菌素和四環(huán)素基因的相對豐度始終低于進(jìn)水。然而，其他多肽抗生素基因的相對豐度在HWTP的進(jìn)水和出水中仍然是相當的。只有桿菌素抗性基因在HWTP出水中的相對豐度高于進(jìn)水。此外，汞(Hg)抗性基因與四環(huán)素抗性基因表現出排他性的遺傳共定位，反過(guò)來(lái)，四環(huán)素抗性基因也與汞(Hg)抗性基因表現出排他性的遺傳共定位。

圖3-(A)Procrstes分析和Mantel檢驗。(B)三個(gè)熱泵的進(jìn)水和出水中與MRG共存的ARG的相對豐度的差異。(C)顯示MRG和ARG類(lèi)型同時(shí)出現的網(wǎng)絡(luò )圖。

3.病原體多樣性評估了三種不同的HWTP對病原體的去除效率。

利用宏基因組分析，我們觀(guān)察到病原菌的相對豐度降低，BCO-HWTP的平均效率為54.58%，ODE-PACHWTP的平均效率為15.61%，PAC-HWTP的平均效率為72.17%。在三個(gè)污水處理廠(chǎng)中，出水的病原菌相對豐度均低于進(jìn)水。統計分析表明，只有來(lái)自BCOHWTP和PAC-HWTP的數據有顯著(zhù)差異(圖4A)。PAC-HWTP出水中病原體總相對豐度低于BCO-HWTP和ODE-PAC-HWTP。這表明BCO-HWTP和PAC-HWTP比ODE-PAC-HWTP具有更好的去除效果。為了進(jìn)一步證實(shí)這些發(fā)現，采用定量去qPCR應來(lái)評估16個(gè)S rRNA基因的絕對豐度的去除情況。觀(guān)察到的平均對數減少在BCO-HWTP為0.07，在ODEPAC-HWTP為0.39，在PAC-HWTP為0.87。此外，大腸桿菌生物標記物基因(UidA)的去除效率與這些趨勢一致，分別減少了0.15log、0.42log和0.91log。

在三個(gè)熱泵的進(jìn)水和流出水中總共鑒定出30種病原體(圖4B)。在病原菌總體相對豐度呈下降趨勢的同時(shí)，病原微生物個(gè)體的相對豐度變化存在差異。在三個(gè)熱泵的流出點(diǎn)，某些微生物的相對豐度呈現出不同的趨勢。BCO-HWTP出水中肺炎克雷伯菌的相對豐度低于進(jìn)水，而ODE-PAC-HWTP和PACHWTP出水中肺炎克雷伯菌的相對豐度變化相對較小。

圖4-(A)三個(gè)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水和出水中病原體相對豐度的差異。(B)氣泡圖顯示了進(jìn)水口和出水口的30種病原體的相對豐富程度。(C)利用相對豐度矩陣評估屬一級的微生物群落與亞型一級的ARG之間的相關(guān)性的Procrstes分析和Mantel檢驗。(D)=病原體、ARG和三個(gè)熱泵的進(jìn)水點(diǎn)和流出點(diǎn)之間對應關(guān)系的網(wǎng)絡(luò )圖。

4.ARGs的病原宿主

進(jìn)一步研究了ARGs的流行與HWW內屬水平上的微生物群落之間的聯(lián)系。Mantel test和Procrstes分析表明，ARGs和微生物群落之間的組成相似性在統計上具有顯著(zhù)的一致性(p<0.05，參見(jiàn)圖4C)。圖5D中的網(wǎng)絡(luò )圖描述了病原體、流入水、來(lái)自三個(gè)HWTP的流出物和ARG之間的對應關(guān)系。在3個(gè)污水處理廠(chǎng)的出水點(diǎn)和進(jìn)水點(diǎn)，共鑒定出7種攜帶ARG的致病菌。多藥耐藥基因是這些病原體最常攜帶的基因。這些HWTP的進(jìn)水含有7種不同類(lèi)型的病原體，并含有14個(gè)ARG。相比之下，出水只顯示了三種病原體和六種ARG。值得注意的是，肺炎克雷伯菌存在于所有采樣地點(diǎn)，顯示出最高多樣性的抗藥性基因。

研究總結

該研究通過(guò)整合宏基因組測序、qPCR驗證、水理化指標檢測，評估了PAC混凝-次氯酸鈉消毒工藝對常規污染物和遺傳污染物的去除效果。結表表明處理效果好于生物接觸氧化-次氯酸鈉消毒工藝，但在設備老化的情況下，PAC混凝-次氯酸鈉處理后的BOD5和COD的去除效率超過(guò)了污水處理廠(chǎng)出水的國家標準，遺傳污染物的去除效率也有所下降，凸顯了老化設備升級的迫切性。

參考文獻：

Kang Y, Wang J, Li Z. Enhancing pollutants removal in hospital wastewater: Comparative analysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting the impact of outdated treatment plants.?J Hazard Mater. Published online April 17, 2024. doi:10.1016/j.jhazmat.2024.134340