《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Role of anaerobic digestion in removing antibiotic resistance agents from Brazilian and Spanish sewage sludge
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抗生素残留季节性差异及厌氧消化影响分析，比较巴西与西班牙污水处理厂中次生污泥与厌氧消化污泥的抗生素残留、耐药菌及基因水平变化，发现消化显著降低抗生素残留（巴西84%、西班牙69%），但耐药菌及sul1基因水平保持稳定或升高，微生物群落与耐药性指标正相关。
埃莉安娜·克里斯蒂娜·布拉加·马丁斯·贡萨尔维斯（Eliane Cristina Braga Martins Gon?alves）| 安德烈莎·雷赞德·佩雷拉（Andressa Rezende Pereira）| 杰西卡·阿帕雷西达·德贝萨·卡布拉尔（Jéssica Aparecida de Bessa Cabral）| 阿琳·戈麦斯·德奥利维拉·帕拉尼奥斯（Aline Gomes de Oliveira Paranhos）| 卡拉·瓦伦西亚·贝尔佐萨（Carla Valencia Berzosa）| 伊斯雷尔·迪亚兹（Israel Díaz）| 萨拉·伊莎贝尔·佩雷斯-埃尔维拉（Sara Isabel Pérez-Elvira）| 西尔瓦娜·德凯罗兹·席尔瓦（Silvana de Queiróz Silva）| 塞尔吉奥·弗朗西斯科·德阿基诺（Sérgio Francisco de Aquino）
巴西米纳斯吉拉斯州奥鲁普雷图联邦大学矿业学院环境工程研究生项目，校园地址：Morro do Cruzeiro，Eleven Street，35402-163，奥鲁普雷图
摘要
本研究对比分析了巴西和西班牙两个全规模污水处理厂中，好氧消化污泥与厌氧消化污泥中抗生素残留物、耐抗生素细菌（ARB）、抗生素抗性基因（ARGs）以及微生物群落组成的季节性变化。在旱季，好氧消化污泥中的抗生素浓度高于厌氧消化污泥（巴西：2.7–108 μg/kgTS?1 vs 3.2–20 μg/kgTS?1；西班牙：56–866 μg/kgTS?1 vs 8.6–183 μg/kgTS?1），表明厌氧消化过程中抗生素有一定程度的降解（巴西为84%，西班牙为69%）。在雨季，抗生素的去除率降至46%，这表明其存在季节性分布和持久性。同时，耐抗生素细菌和抗生素抗性基因在两种污泥中均被持续检测到。其中，磺胺类抗生素耐药细菌占主导地位，并在消化后仍然存在：巴西为7.7 log?? CFU/gTS?1（好氧消化污泥相比厌氧消化污泥降低了0.86 log??），西班牙为9.2 log?? CFU/gTS?1（降低了0.14 log??）。在遗传标记物中，sul1是最丰富的基因（约12 log??拷贝/gTS?1），且在两种污泥中消化后均未发生显著变化。相关性分析显示，抗生素抗性与微生物群落之间存在正相关。研究还检测到31种潜在致病微生物，包括肠球菌（Enterococcus），该属包含具有临床意义的耐药菌株）。总体而言，在本研究的条件下，厌氧消化并未有效降低关键的抗抗生素指标。这提示在将污泥用于土地改良时，需要实施有针对性的监测和补充性缓解策略，尤其是在相关法规未涵盖抗生素抗性指标的情况下。
引言
污泥是一种由有机和无机成分组成的复杂混合物，其中含有对农业有价值的营养物质（如氮、磷和钾），能够提高土壤肥力[1]。然而，污泥也可能携带污染物，包括致病微生物、有害化学物质以及抗生素等人工化合物，即使在这些物质浓度很低（ng/kg或μg/kg）的情况下，也会对生态系统产生影响[2]。
污泥微生物组具有高度多样性和动态性，受进水负荷变化和污水处理厂运行条件的影响[3]。高微生物密度、营养物质的可利用性、金属及其他共同选择压力因素可能促进抗菌素耐药性（AMR）的出现和维持[3]。来自人类和兽医用途的抗生素残留物持续进入污水系统，进一步增加了选择压力，有利于耐药微生物的持续存在和繁殖[4]。污泥还可能作为移动遗传元件（MGEs，如整合子和质粒）的储存库，在环境压力下促进抗生素抗性基因（ARGs）的水平传播[5]。在环境和临床细菌中频繁检测到sul1等标记物，表明环境和临床耐药组之间存在潜在联系[6]。此外，非致病细菌也可能作为ARGs的储存库，促进耐药性因子向致病菌株的传播[7]。
厌氧消化（AD）被广泛用于污泥稳定[3]，但有研究表明，抗生素、耐抗生素细菌（ARB）和ARGs在厌氧消化后仍然存在，包括那些计划用于土地改良的消化污泥[8]、[9]、[10]。尽管抗菌素耐药性是一个公认的环境和公共卫生问题，但对全规模厌氧消化过程中耐药性行为的机制理解仍有限[3]、[5]、[11]。具体而言，目前尚不清楚在运行条件下哪些抗性指标最持久，以及微生物群落组成如何影响这些指标在污水处理厂中的出现和命运[3]、[6]、[11]。不同地理和监管背景下的比较证据较少，限制了针对污泥再利用的监测指标和缓解策略的发展。
目前的污泥管理法规主要依赖于传统的微生物学和化学标准[2]。在巴西，CONAMA第498/2020号决议规定了污泥生产和土地应用的要求，包括减少病原体吸引、微生物和化学风险控制，以及根据作物类型和收获前间隔限制使用[12]。在欧盟，西班牙遵循86/278/EEC指令，该指令设定了重金属限值和操作限制以降低健康风险[13]。然而，这两种法规均未明确要求监测抗生素、ARB或ARGs。因此，厌氧消化在全规模条件下的实际缓解效果仍不确定。
本研究通过统一的设计方法解决了这些不足：（i）量化抗生素抗性因子（ARA），包括抗生素残留物、可培养的耐抗生素细菌以及通过qPCR测量的ARGs；（ii）追踪它们在厌氧消化过程中的命运；（iii）将ARA特征与通过16S rRNA基因扩增子测序（V3–V4区域）表征的好氧消化污泥微生物群落进行关联。研究选择了位于巴西米纳斯吉拉斯州和西班牙巴利亚多利德两个不同地理和监管环境、具有不同污泥处理方式的污水处理厂作为案例研究对象，旨在探讨厌氧消化相关模式的一致性和驱动因素，而非评估污水处理厂的性能。尽管跨国比较受到规模和污泥处理方式差异的限制，但比较这两种处理方式下的污泥样本仍能提供关于季节性变化和ARA命运的实际见解。各国好氧消化污泥微生物组成的差异进一步揭示了微生物池的变化是否与ARA在好氧消化污泥和厌氧消化污泥中的存在和去除有关。总体而言，这些发现为评估厌氧消化对ARA的影响提供了过程相关的证据，并为超越传统监管参数的污泥监测提供了支持。
化学物质
红霉素（ERI）购自Sigma-Aldrich（美国）。阿莫西林（AMX）、头孢氨苄（CEF）、磺胺甲噁唑（SMX）、磺胺二甲嘧啶（SDZ）、甲氧苄啶（TMP）、环丙沙星（CIP）、左氧氟沙星（LEV）和诺氟沙星（NOR）购自Inlab Confian?a?（巴西）。HPLC级乙腈和甲醇购自J.T. Baker?（墨西哥）。氢氧化铵和甲酸分别购自Quemis?（巴西）和Merck?（美国）。
样品收集
收集了好氧消化污泥（AE）样本
结果与讨论
讨论部分强调了污水处理厂内部好氧消化污泥与厌氧消化污泥之间的差异。巴西和西班牙污水处理厂之间的差异应被视为特定环境下的结果，而非整体性能的比较。这是因为两者的处理规模和污泥处理方式不同（见表S1），这些因素会影响污泥负荷和基线微生物群落。西班牙污水处理厂仅采集了一次样本（2024年5月），因此无法进行季节性推断。
结论
在巴西和西班牙评估的两个全规模污水处理厂中，研究结果表明，厌氧消化可以显著减少污泥中的抗生素残留物（减少41–88%，具体取决于化合物类型），但这并未始终导致耐抗生素细菌和抗生素抗性基因的相应减少。相反，某些耐抗生素细菌和抗生素抗性基因在消化后仍然存在甚至增加。此外，磺胺类抗生素相关的标记物sul1仍然占主导地位。
未引用的参考文献
[87]
CRediT作者贡献声明
西尔瓦娜·德凯罗兹·席尔瓦（Silvana de Queiróz Silva）：撰写、审稿与编辑、监督。塞尔吉奥·弗朗西斯科·德阿基诺（Sérgio Francisco de Aquino）：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理。萨拉·伊莎贝尔·佩雷斯-埃尔维拉（Sara Isabel Pérez-Elvira）：撰写、审稿与编辑、监督。伊斯雷尔·迪亚兹（Israel Díaz）：撰写、审稿与编辑、监督。卡拉·瓦伦西亚·贝尔佐萨（Carla Valencia Berzosa）：研究。阿琳·戈麦斯·德奥利维拉·帕拉尼奥斯（Aline Gomes de Oliveira Paranhos）：研究。杰西卡·阿帕雷西达·德贝萨·卡布拉尔（Jéssica Aparecida de Bessa Cabral）：研究。安德烈莎·雷赞德·佩雷拉（Andressa Rezende Pereira）：撰写、审稿与
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢巴西的CNPq和CAPES资助机构提供的财务支持（财务代码001）。本研究还得到了海外三明治博士项目（PDSE，授权号88881.934215/2024-01）的支持。此外，该研究还在MCIN/AEI/10.13039/501100011033项目和欧盟NextGenerationEU/PRT的资助下进行。
