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

文章標(biāo)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in hospital wastewater: Comparativeanalysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting theimpact of outdated treatment plants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：Journal of Hazardous Materials

影響因子：13.6

合作單位：中國疾病預(yù)防控制中心、中國農(nóng)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(yī)院廢水富含抗生素殘留和抗生素耐藥細(xì)菌，被認(rèn)為是抗生素耐藥基因(ARGs)傳播到環(huán)境中的主要來源。雖然聚合氯化鋁(PAC)混凝去除污染物的有效性已經(jīng)在各種廢水場景中得到了證明，但它在醫(yī)院廢水(HWW)處理中去除常規(guī)污染物和有害遺傳污染物的具體應(yīng)用還沒有研究過。

2024年4月17日，中國疾病預(yù)防控制中心和中國農(nóng)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in hospital wastewater: Comparative ?analysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting the impact of outdated treatment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(duì)三個(gè)醫(yī)院污水處理廠(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)，以及使用過時(shí)設(shè)備的PAC混凝系統(tǒng)(ODE-PACHWTP)處理的污水是否符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，PAC-HWTP對(duì)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(yī)院污水處理廠進(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(biāo)檢測

測定化學(xué)需氧量（COD）、總有機(jī)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(yàn)證

水樣宏基因組測序；

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

研究結(jié)果

1.理化性質(zhì)的變化

該研究共同評(píng)估了九種常見的理化指標(biāo)，這些指標(biāo)在三個(gè)污水處理廠的出水點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的梯度分布。在這些指標(biāo)上，ODE-PAC-HWTP 超過了 PAC-HWTP，PAC-HWTP 超過了 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(biāo)準(zhǔn)。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(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)，允許排放到通向市政污水處理廠的下水道中。相反，ODE-PAC-HWTP出水中COD和BOD5的濃度超過國家預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)。此外，還對(duì)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(hù)法制定的鋁廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值為 5.0 mg/L 。

2.ARGS、MRGs和MGES的變體

1）ARGs的多樣性和去除效率

研究發(fā)現(xiàn)，三個(gè) HWTP 的進(jìn)水和出水中總共存在 26 種 ARG 類型的694種 ARG 亞型。在三個(gè)污水處理廠的出水中，ARGs 的總相對(duì)豐度普遍低于進(jìn)水。然而，統(tǒng)計(jì)分析顯示僅 PAC-HWTP 的數(shù)據(jù)存在顯著差異（圖2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 中 ARGs 相對(duì)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(duì)豐度低于BCO-HWTP和ODE-PAC-HWTP。與 BCO-HWTP 和 ODE-PACHWTP 相比，PAC-HWTP 中多種 ARG 類型的相對(duì)豐度在出水中低于進(jìn)水中（圖2A）。這些結(jié)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，觀察到 33 種 ARG 的相對(duì)豐度顯著下降（圖2B）。春雷霉素抗性蛋白 ksgA、OXA-309、cpxA、adeF 和 abeM 僅在 BCO-HWTP 中表現(xiàn)出顯著降低。MexB 僅在 ODE-PAC-HWTP 中表現(xiàn)出顯著下降。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)污水處理廠的廢水中，只有多重耐藥基因 emrB 的相對(duì)豐度顯著下降。

為了提供更詳細(xì)的評(píng)估，進(jìn)行了 qPCR 分析來測量臨床關(guān)鍵抗生素抗性基因 OXA 豐度的絕對(duì)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(jié)果表明不同 HWTP 中 blaOXA-58的減少，其中在 PAC-HWTP 中觀察到的絕對(duì)減少量最大。

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自 17 個(gè) MRG 類型的 194 個(gè) MRG 亞型。在三個(gè) HWTP 的污水中，總 MRG 相對(duì)豐度始終低于進(jìn)水；然而，統(tǒng)計(jì)分析表明僅 BCO-HWTP 和 PAC-HWTP 的數(shù)據(jù)存在顯著差異（圖2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP和PACHWTP中MRG相對(duì)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(duì)豐度低于ODE-PAC-HWTP。主要的 MRG 類型包括多金屬、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 類型的相對(duì)豐度在出水中低于進(jìn)水中（圖2A）。在三個(gè) HWTP 的廢水中，觀察到 19 種 MRG 的相對(duì)豐度顯著降低。具體來說，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 的顯著減少（圖2B）。這些結(jié)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 類型。值得注意的是，在所有三個(gè) HWTP 的污水中，MGE 的相對(duì)豐度始終低于進(jìn)水。然而，統(tǒng)計(jì)分析顯示僅 PAC-HWTP 的數(shù)據(jù)存在顯著差異（圖2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 中 MGE 相對(duì)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(xiàn)，通過 qPCR 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，重點(diǎn)關(guān)注 tnpA 基因的絕對(duì)豐度。qPCR 結(jié)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(duì)影響。Mantel測試和Procrstes分析表明，ARG和MRG之間的成分相似性在統(tǒng)計(jì)上具有顯著的一致性(圖3a)。在PAC-HWTP和BCO-HWTP出水中，與MRGs基因共處的ARGs的相對(duì)豐度低于進(jìn)水中的ArGs。然而，統(tǒng)計(jì)分析表明，只有來自PAC-HWTP的數(shù)據(jù)存在顯著差異。相反，在ODE-PAC-HWTP的出水中，與MRGs基因共存的ArGs的相對(duì)豐度呈現(xiàn)出增加的趨勢(圖3B)。共有9種類型的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(duì)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)專門在進(jìn)水中發(fā)現(xiàn)，14個(gè)專門在出水中發(fā)現(xiàn)。與MRG共存的最常見的ARG型是多藥耐藥。HWTP出水中氨基糖苷類、β-內(nèi)酰胺類、卡蘇霉素、MLS、多藥、多粘菌素和四環(huán)素基因的相對(duì)豐度始終低于進(jìn)水。然而，其他多肽抗生素基因的相對(duì)豐度在HWTP的進(jìn)水和出水中仍然是相當(dāng)?shù)摹Ｖ挥袟U菌素抗性基因在HWTP出水中的相對(duì)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(xiàn)出排他性的遺傳共定位，反過來，四環(huán)素抗性基因也與汞(Hg)抗性基因表現(xiàn)出排他性的遺傳共定位。

3.病原體多樣性評(píng)估了三種不同的HWTP對(duì)病原體的去除效率。

利用宏基因組分析，我們觀察到病原菌的相對(duì)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)污水處理廠中，出水的病原菌相對(duì)豐度均低于進(jìn)水。統(tǒng)計(jì)分析表明，只有來自BCOHWTP和PAC-HWTP的數(shù)據(jù)有顯著差異(圖4A)。PAC-HWTP出水中病原體總相對(duì)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(xiàn)，采用定量去qPCR應(yīng)來評(píng)估16個(gè)S rRNA基因的絕對(duì)豐度的去除情況。觀察到的平均對(duì)數(shù)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(biāo)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(duì)豐度呈下降趨勢的同時(shí)，病原微生物個(gè)體的相對(duì)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(duì)豐度呈現(xiàn)出不同的趨勢。BCO-HWTP出水中肺炎克雷伯菌的相對(duì)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(duì)豐度變化相對(duì)較小。

4.ARGs的病原宿主

進(jìn)一步研究了ARGs的流行與HWW內(nèi)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(tǒng)計(jì)上具有顯著的一致性(p<0.05，參見圖4C)。圖5D中的網(wǎng)絡(luò)圖描述了病原體、流入水、來自三個(gè)HWTP的流出物和ARG之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在3個(gè)污水處理廠的出水點(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(jié)

該研究通過整合宏基因組測序、qPCR驗(yàn)證、水理化指標(biāo)檢測，評(píng)估了PAC混凝-次氯酸鈉消毒工藝對(duì)常規(guī)污染物和遺傳污染物的去除效果。結(jié)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(shè)備老化的情況下，PAC混凝-次氯酸鈉處理后的BOD5和COD的去除效率超過了污水處理廠出水的國家標(biāo)準(zhǔn)，遺傳污染物的去除效率也有所下降，凸顯了老化設(shè)備升級(jí)的迫切性。

 

參考文獻(xiàn)：

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