抗性基因在BPAC-UF再生水处理工艺中的水平转移与去除机制

The development of reclaimed water treatment process on the basis of antibiotic resistance genes (ARGs) removal is fundamental to control water quality risks and to achieve the safe water reclamation. This project focuses on the interfacial interactions between typical ARGs, biological powdered activated carbon (BPAC) and ultra-filtration (UF) membrane, and investigates the adsorption, biological enrichment and degradation of ARGs on the surfaces of BPAC and the removal of these particulates by UF filtration. Moreover, this project uses different molecular biological methods and interfacial characterization techniques to indicate the transformation and composition of different bacteria on the surfaces of BPAC under ARGs stress, and to illustrate the interactions between ARGs, BPAC and UF. Furthermore, this project illuminates the horizontal gene transfer and removal mechanism of ARGs in the BPAC-UF process. On the basis of the above mentioned research, the BPAC-UF treatment process for ARGs risk management is proposed. This project provides scientific and fundamental support for the advanced treatment of reclaimed water and the assurance of safe water reclamation.

建立针对污水厂二级出水抗性基因（ARGs）去除的再生水净化工艺，是控制再生水质风险、实现再生水安全回用的重要前提。本项目以水中典型ARGs、生物粉末活性炭（BPAC）、膜表面的界面相互作用为依据，综合利用分子生物学解析和颗粒物界面表征手段，研究ARGs在BPAC表面的吸附、微生物富集与转化以及超滤（UF）过滤去除过程，阐明ARGs胁迫条件下BPAC微生物菌群结构演变规律，明确不同形态ARGs、不同表面特征BPAC与UF的界面相互作用，揭示典型ARGs在BPAC-UF体系的水平转移机制和去除机制，建立再生水ARGs风险控制与安全回用工艺模式。本项目将为再生水深度净化与水质安全保障提供科学依据与基础性支持。

抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）及其诱导产生抗性菌，可能是今后威胁人类健康与生态安全的重要环境问题之一。鉴于绝大多数污水处理系统难以有效去除控制ARGs，污水回用过程中就需要高度关注ARGs 及其可能产生的健康与生态风险。本课题主要围绕生物活性炭（Biological powdered activated carbon, BPAC）-超滤（Ultrafiltration, UF）再生水处理工艺中的ARGs去除及水平转移机制，以BPAC、UF等单元过程中ARGs的水平转移、增殖传播与膜滤为切入点深入开展研究，构建集吸附、生物转化与膜滤过程协同的BPAC-UF再生水ARGs控制工艺模式，并评价其他二级出水深度处理工艺对ARGs的去除效能及机制。研究结果表明：城市污水厂二级出水中的ARGs（tetA、tetC、sulⅠ、sulⅡ）、I类整合子（intⅠ1）及微生物总量（16S rRNA）普遍存在于>100K Da区间范围，且游离态是主要的存在形态；水中DOC、intⅠ1和16S rRNA的去除有利于ARGs的削减；BPAC-UF组合工艺对细胞态和游离态ARGs去除率均在90%以上，且游离态ARGs较细胞态ARGs更难去除；BPAC表面微生物的优势菌种大多为革兰氏阴性菌，并且多数具备运动器官鞭毛，这是促进ARGs水平转移扩散的重要原因；抗性质粒可以通过供体菌和受体菌细胞的表面接触，实现在同种属或跨种属细菌间的接合转移；低温（4℃）和碱性（pH=9）条件更有利于抗性基因质粒的水平转移扩增；混凝沉淀-UF组合工艺、预氧化-PAC-UF组合工艺、过硫酸盐高级氧化-UF组合工艺也可作为有效控制ARGs风险的再生水深度净化工艺。本课题研究成果将为再生水深度净化与水质安全保障提供科学依据与技术支撑。