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发布于 2024年5月27日

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in hospital wastewater: Comparativeanalysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting theimpact of outdated treatment plants

期刊名称：Journal of Hazardous Materials

影响因子：13.6

合作单位：中国疾病预防控制中心、中国农业大学资源与环境学院

测序技术：宏基因组测序

太阳集团电子游戏为该研究提供了宏基因组测序服务。

研究背景

医院废水富含抗生素残留和抗生素耐药细菌，被认为是抗生素耐药基因(ARGs)传播到环境中的主要来源。虽然聚合氯化铝(PAC)混凝去除污染物的有效性已经在各种废水场景中得到了证明，但它在医院废水(HWW)处理中去除常规污染物和有害遗传污染物的具体应用还没有研究过。

2024年4月17日，中国疾病预防控制中心和中国农业大学资源与环境学院在Journal of Hazardous Materials 期刊发表题为“Enhancing pollutants removal in hospital wastewater: Comparative analysis of PAC coagulation vs. bio-contact oxidation, highlighting the impact of outdated treatment plants”研究论文，该研究对三个医院污水处理厂(HWTP)，包括PAC混凝-次氯酸钠消毒工艺(PAC-HWTP)，生物接触氧化-沉淀-次氯酸钠工艺(BCO-HWTP)，以及使用过时设备的PAC混凝系统(ODE-PACHWTP)处理的污水是否符合国家排放标准进行了评估。结果表明，PAC-HWTP对抗生素抗性基因、金属抗性基因、移动基因具有较高的去除效率。

材料方法

1.水样收集

医院污水处理厂进水点和出水点8个时间点，收集了30份水样（2L/样）

分为三种处理方式：BCO-HWTP；ODE-PAC-HWTP；ODE-PAC-HWTP；

2.理化指标检测

测定化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、pH值、氨氮 (NH3-N)

悬浮物（SS）、残留铝（Al）；

3.宏基因组测序与qPCR验证

水样宏基因组测序；

qPCR定量：16S rRNA、大肠杆菌生物标志物基因 (uida)、临床显着抗生素耐药性基因 OXA-58 和 MGE tnpA

研究结果

1.理化性质的变化

该研究共同评估了九种常见的理化指标，这些指标在三个污水处理厂的出水点表现出明显的梯度分布。在这些指标上，ODE-PAC-HWTP 超过了 PAC-HWTP，PAC-HWTP 超过了 BCO-HWTP。BCO-HWTP出水中COD、BOD5、pH、NH3-N、AS、Color、VP、SS等浓度基本符合国家排放标准。PAC-HWTP 出水的 COD、BOD5、pH、NH3-N、AS、颜色、VP 和 SS 水平通常符合国家预处理标准，允许排放到通向市政污水处理厂的下水道中。相反，ODE-PAC-HWTP出水中COD和BOD5的浓度超过国家预处理标准。此外，还对两个经 PAC 处理的 HWTP 出水中的残留铝浓度进行了测试。在 ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 的出水中，检测到的残留 Al 浓度分别为 0.86 ± 0.09 mg/L 和 0.32 ± 0.11 mg/L。这些值符合 2002 年环境保护法制定的铝废水排放标准，该标准规定限值为 5.0 mg/L 。

表1-三个 HWTP 废水的物理化学参数

2.ARGS、MRGs和MGES的变体

1）ARGs的多样性和去除效率

研究发现，三个 HWTP 的进水和出水中总共存在 26 种 ARG 类型的694种 ARG 亚型。在三个污水处理厂的出水中，ARGs 的总相对丰度普遍低于进水。然而，统计分析显示仅 PAC-HWTP 的数据存在显着差异（图2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 中 ARGs 相对丰度的平均去除效率分别为 16.09%、18.68% 和 45.13%。值得注意的是，PAC-HWTP废水中ARG的总相对丰度低于BCO-HWTP和ODE-PAC-HWTP。与 BCO-HWTP 和 ODE-PACHWTP 相比，PAC-HWTP 中多种 ARG 类型的相对丰度在出水中低于进水中（图2A）。这些结果表明，与 BCO-HWTP 和 ODE-PAC-HWTP 相比，PAC-HWTP 在去除 ARG 方面更有效。

在三个 HWTP 的污水中，观察到 33 种 ARG 的相对丰度显着下降（图2B）。春雷霉素抗性蛋白 ksgA、OXA-309、cpxA、adeF 和 abeM 仅在 BCO-HWTP 中表现出显着降低。MexB 仅在 ODE-PAC-HWTP 中表现出显着下降。与 BCO-HWTP 和 ODE-PAC-HWTP 相比，PAC-HWTP 中 ARG 的减少量更大。此外，值得注意的是，在所有三个污水处理厂的废水中，只有多重耐药基因 emrB 的相对丰度显着下降。

为了提供更详细的评估，进行了 qPCR 分析来测量临床关键抗生素抗性基因 OXA 丰度的绝对减少量。在 BCO-HWTP、ODE- 上，减少量被量化为 0.17 log、0.59 log 和 1.68 log。分别为 PAC-HWTP 和 PAC-HWTP。该结果表明不同 HWTP 中 blaOXA-58的减少，其中在 PAC-HWTP 中观察到的绝对减少量最大。

图2-(A) 复合热图的上半部分为桑基图，展示了三个 HWTP 进水和出水处 ARG 总相对丰度、MRG 总相对丰度和 MGE 总相对丰度的变化和统计差异。下半部分展示了了三个 HWTP 进水点和出水点特定 ARG 类型、MRG 类型和 MGE 类型的相对丰度。(B) 使用 Wilcoxon 秩和检验确定每个 HWTP 进水和出水中表现出统计变化的 ARG 亚型、MRG 亚型和 MGE 亚型。

2）MRGs的多样性和去除效率

在三个 HWTP 的进水和出水中鉴定出了来自 17 个 MRG 类型的 194 个 MRG 亚型。在三个 HWTP 的污水中，总 MRG 相对丰度始终低于进水；然而，统计分析表明仅 BCO-HWTP 和 PAC-HWTP 的数据存在显着差异（图2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP和PACHWTP中MRG相对丰度的平均去除效率分别为42.08%、19.92%和57.54%。BCO-HWTP和PAC-HWTP出水中MRG的总相对丰度低于ODE-PAC-HWTP。主要的 MRG 类型包括多金属、汞 (Hg)、铜 (Cu)、砷 (As)、锌 (Zn)、银 (Ag) 和镍 (Ni)。与 BCO-HWTP 和 ODE-PAC-HWTP 相比，PAC-HWTP 中多种 MRG 类型的相对丰度在出水中低于进水中（图2A）。在三个 HWTP 的废水中，观察到 19 种 MRG 的相对丰度显着降低。具体来说，BCO-HWTP 中 2 个 MRG 的减少，ODE-PAC-HWTP中 1个 MRG 的减少，PAC-HWTP 中 18 个 MRG 的显着减少（图2B）。这些结果表明，与ODEPAC-HWTP 相比，BCO-HWTP 和 PAC-HWTP 能更有效地去除 MRG。

3）MGE的多样性和去除效率

在三个 HWTP 的进水和出水中总共确定了 164 个 MGE 亚型，属于 30 种不同的 MGE 类型。值得注意的是，在所有三个 HWTP 的污水中，MGE 的相对丰度始终低于进水。然而，统计分析显示仅 PAC-HWTP 的数据存在显着差异（图2A）。BCO-HWTP、ODE-PAC-HWTP 和 PAC-HWTP 中 MGE 相对丰度的平均去除效率分别为 29.88%、44.40% 和 80.61%。为了进一步证实这些发现，通过 qPCR 实验进行研究，重点关注 tnpA 基因的绝对丰度。qPCR 结果证实了 PAC-HWTP 在去除 MGE 方面的优越性能，与 BCO-HWTP 的 0.35 log 和 ODE-PAC-HWTP 的 0.51 log 相比，PAC-HWTP 减少了 0.90 log。

4）MRGs基因共定位的ARGs变异

研究了HWW中ARGs和MRGs的丰度之间的关联，以确定ARGs共同选择的相对影响。Mantel测试和Procrstes分析表明，ARG和MRG之间的成分相似性在统计上具有显著的一致性(图3a)。在PAC-HWTP和BCO-HWTP出水中，与MRGs基因共处的ARGs的相对丰度低于进水中的ArGs。然而，统计分析表明，只有来自PAC-HWTP的数据存在显著差异。相反，在ODE-PAC-HWTP的出水中，与MRGs基因共存的ArGs的相对丰度呈现出增加的趋势(图3B)。共有9种类型的ARG与65个MRG亚型遗传共存。共确定了92个不同的ARG-MRG(一对一)遗传共定位关系(图3C)。在这些关系中，48个同时在进水和出水中检测到，30个专门在进水中发现，14个专门在出水中发现。与MRG共存的最常见的ARG型是多药耐药。HWTP出水中氨基糖苷类、β-内酰胺类、卡苏霉素、MLS、多药、多粘菌素和四环素基因的相对丰度始终低于进水。然而，其他多肽抗生素基因的相对丰度在HWTP的进水和出水中仍然是相当的。只有杆菌素抗性基因在HWTP出水中的相对丰度高于进水。此外，汞(Hg)抗性基因与四环素抗性基因表现出排他性的遗传共定位，反过来，四环素抗性基因也与汞(Hg)抗性基因表现出排他性的遗传共定位。

图3-(A)Procrstes分析和Mantel检验。(B)三个热泵的进水和出水中与MRG共存的ARG的相对丰度的差异。(C)显示MRG和ARG类型同时出现的网络图。

3.病原体多样性评估了三种不同的HWTP对病原体的去除效率。

利用宏基因组分析，我们观察到病原菌的相对丰度降低，BCO-HWTP的平均效率为54.58%，ODE-PACHWTP的平均效率为15.61%，PAC-HWTP的平均效率为72.17%。在三个污水处理厂中，出水的病原菌相对丰度均低于进水。统计分析表明，只有来自BCOHWTP和PAC-HWTP的数据有显著差异(图4A)。PAC-HWTP出水中病原体总相对丰度低于BCO-HWTP和ODE-PAC-HWTP。这表明BCO-HWTP和PAC-HWTP比ODE-PAC-HWTP具有更好的去除效果。为了进一步证实这些发现，采用定量去qPCR应来评估16个S rRNA基因的绝对丰度的去除情况。观察到的平均对数减少在BCO-HWTP为0.07，在ODEPAC-HWTP为0.39，在PAC-HWTP为0.87。此外，大肠杆菌生物标记物基因(UidA)的去除效率与这些趋势一致，分别减少了0.15log、0.42log和0.91log。

在三个热泵的进水和流出水中总共鉴定出30种病原体(图4B)。在病原菌总体相对丰度呈下降趋势的同时，病原微生物个体的相对丰度变化存在差异。在三个热泵的流出点，某些微生物的相对丰度呈现出不同的趋势。BCO-HWTP出水中肺炎克雷伯菌的相对丰度低于进水，而ODE-PAC-HWTP和PACHWTP出水中肺炎克雷伯菌的相对丰度变化相对较小。

图4-(A)三个污水处理厂进水和出水中病原体相对丰度的差异。(B)气泡图显示了进水口和出水口的30种病原体的相对丰富程度。(C)利用相对丰度矩阵评估属一级的微生物群落与亚型一级的ARG之间的相关性的Procrstes分析和Mantel检验。(D)=病原体、ARG和三个热泵的进水点和流出点之间对应关系的网络图。

4.ARGs的病原宿主

进一步研究了ARGs的流行与HWW内属水平上的微生物群落之间的联系。Mantel test和Procrstes分析表明，ARGs和微生物群落之间的组成相似性在统计上具有显著的一致性(p<0.05，参见图4C)。图5D中的网络图描述了病原体、流入水、来自三个HWTP的流出物和ARG之间的对应关系。在3个污水处理厂的出水点和进水点，共鉴定出7种携带ARG的致病菌。多药耐药基因是这些病原体最常携带的基因。这些HWTP的进水含有7种不同类型的病原体，并含有14个ARG。相比之下，出水只显示了三种病原体和六种ARG。值得注意的是，肺炎克雷伯菌存在于所有采样地点，显示出最高多样性的抗药性基因。

研究总结

该研究通过整合宏基因组测序、qPCR验证、水理化指标检测，评估了PAC混凝-次氯酸钠消毒工艺对常规污染物和遗传污染物的去除效果。结表表明处理效果好于生物接触氧化-次氯酸钠消毒工艺，但在设备老化的情况下，PAC混凝-次氯酸钠处理后的BOD5和COD的去除效率超过了污水处理厂出水的国家标准，遗传污染物的去除效率也有所下降，凸显了老化设备升级的迫切性。

参考文献：

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