人工濕地去除養(yǎng)殖廢水中磺胺類抗生素的影響因素研究進展

李澤兵，韓飛，曾圣男，謝馥芳，葉培，孫占學1,

1. 東華理工大學核資源與環(huán)境國家重點實驗室，南昌 330013 2. 東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院，南昌 330013 3. 江西五豐畜牧科技有限公司，贛州 341905

抗生素作為藥物和添加劑被廣泛應用于各類畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖，它既能促進動物生長，又能夠起到預防動物疾病的作用。自1929年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來，不斷有新型抗生素被發(fā)現(xiàn)與合成，可將其劃分為7類：β-內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類、磺胺類、喹諾酮類、氨基糖苷類、大環(huán)內(nèi)酯類和多肽類[1]。我國是抗生素生產(chǎn)和消費大國，據(jù)統(tǒng)計，2013年我國抗生素生產(chǎn)量為24.8萬t，國內(nèi)消耗量為16.2萬t，其中，磺胺類藥物占抗生素生產(chǎn)總量的5%[2]，在各類天然水體中檢出頻率最高[3-6]。2011年，阮悅雯等[7]對天津近郊地區(qū)淡水養(yǎng)殖水體及沉積物中典型抗生素進行了檢測，結(jié)果表明，磺胺類抗生素(sulfonamides, SAs)在水體和沉積物中最高含量分別為14.31 μg·L-1和21.69 μg·kg-1。2018年，李文最等[8]對閩江流域福州段水體中抗生素進行了檢測，其中，SAs濃度最高，達到60.9 ng·L-1。

SAs是一類具有對氨基苯磺酞胺結(jié)構的合成抗菌藥物[9]，具有化學穩(wěn)定性強、易于生產(chǎn)、便于保存、抗菌譜廣和療效明確等優(yōu)點[10-11]。在養(yǎng)殖過程中，SAs以痕量形式擴散到天然水體，然而由于難降解性和持續(xù)輸入性使其呈現(xiàn)出一種“持久性”狀態(tài)，當累計到一定濃度和含量時將對整個生態(tài)環(huán)境和人類健康構成嚴重危害[12]。例如，水環(huán)境中的抗生素不僅會造成有機污染，還會誘導環(huán)境微生物產(chǎn)生抗性基因，并且通過基因水平轉(zhuǎn)移在菌群間傳播，對公共衛(wèi)生安全造成危害[13]。人工濕地作為一種生態(tài)污水處理技術，具有運行成本低、處理水質(zhì)好和易于維護等特點，能夠基于基質(zhì)吸附截留、植物吸收降解和微生物分解等途徑深度去除畜禽養(yǎng)殖廢水中的SAs。

本文主要針對人工濕地去除畜禽養(yǎng)殖廢水中SAs的關鍵影響因素進行綜述，為SAs的深度去除研究提供理論基礎，同時為今后人工濕地的優(yōu)化和應用提供指導。

1 人工濕地去除SAs的機理和應用(Mechanism and application of constructed wetland in SAs removal)

SAs在人工濕地中的去除機制主要包含2個關鍵過程：(1)濕地介質(zhì)從液相主體中吸附去除SAs，其中，關鍵影響因素為環(huán)境pH值。在酸性環(huán)境條件下，SAs呈陽離子形態(tài)，吸附去除以離子交換為主，主要依靠濕地基質(zhì)的陽離子與SAs間發(fā)生陽離子交換，然后吸附去除。在中性或堿性條件下，SAs呈中性或陰離子形態(tài)，吸附去除以物理吸附為主，主要依靠濕地基質(zhì)或土壤中的有機質(zhì)極性基團(酚羥基和羧基等)與SAs間的氫鍵作用和范德華作用鍵合。(2)植物吸收和微生物降解。其中的關鍵過程為微生物降解，在植物根系分泌物或腐殖質(zhì)等的促進作用下，濕地中厭氧或好氧微生物可氧化分解SAs轉(zhuǎn)化為氨、甲烷、CO2和H2O等，最終實現(xiàn)SAs的徹底去除。

國內(nèi)外文獻中關于人工濕地去除典型SAs(磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶和磺胺甲惡唑)的研究結(jié)果如表1所示。從實驗結(jié)果可知，作為去除SAs最有效的途徑之一，人工濕地能夠去除所有的SAs。近年來，Song等[14]應用3個種植水芹的上流式垂直潛流人工濕地處理含磺胺甲惡唑廢水，在進水濃度分別為200、500和800 μg·L-1條件下，出水磺胺甲惡唑濃度分別為0.27～0.99、0.54～4.40和1.37～12.62 μg·L-1，磺胺甲惡唑去除率均>98%。2019年，Button等[15]在中試規(guī)模的蘆草強化型垂直流人工濕地中發(fā)現(xiàn)，進水1 h后磺胺甲惡唑的去除率即可達到80%，在人工濕地內(nèi)反應168 h后，磺胺甲惡唑去除效率則高達99.7%，幾乎被完全去除。另外，與表面流、水平流人工濕地相比，垂直流人工濕地去除SAs效果更好，種植適當?shù)闹参锬軌蛱岣呋前房股氐娜コ省?/p>

2 人工濕地去除SAs的影響因素(Factors affecting SAs removal in constructed wetlands)

2.1 pH值

目前，大部分學者通過研究抗生素的親疏水性來確定其被基質(zhì)吸附的能力。SAs的親疏水性通常與辛醇-水分配系數(shù)(Kow)有關[19]，分配系數(shù)越大，抗生素在水中的溶解度越小，更容易被吸附。如圖1所示，SAs是典型的兩性化合物，相對疏水性在很大程度上取決于環(huán)境的pH值，pH值越低，相對疏水性越小，pH值越高，相對疏水性越大[20-21]，因此，pH值也被認為是影響基質(zhì)吸附去除SAs的關鍵因素。另外，在較低的pH值下，由于吸附物的陽離子交換作用，陽離子含量較高的基質(zhì)對SAs的吸附作用增強。Lertpaitoonpan等[22]研究發(fā)現(xiàn)，SAs在不同pH下電離狀態(tài)不同，當土壤pH值由高向低轉(zhuǎn)變時，SAs由陰離子型向中性和陽離子型轉(zhuǎn)變，土壤基質(zhì)的吸附性能顯著增加。同時，Kurwadkar等[23]的研究表明，當pH>7.5時，中性和陽離子形式的磺酰胺轉(zhuǎn)化為陰離子形式的磺酰胺，導致土壤基質(zhì)的吸附能力較低。

2.2 基質(zhì)

基質(zhì)是人工濕地的基本組成部分之一，為植物和微生物提供基本的生長環(huán)境?，F(xiàn)階段，常用于人工濕地中去除SAs的基質(zhì)主要有礫石、土壤、活性炭、沸石和火山石等。SAs的去除主要受基質(zhì)有機質(zhì)組成、pH、離子強度、陽離子和陰離子比例以及氧化還原電位等本身理化性質(zhì)的影響[24-25]，不同基質(zhì)與抗生素間的范德華力、電子間相互作用、離子交換和表面絡合作用與其表面結(jié)構密切相關，從而影響目標抗生素在不同基質(zhì)表面的吸附效果[26]。

表1 人工濕地去除磺胺類抗生素(SAs)的研究Table 1 The research on sulfonamides (SAs) removal by constructed wetlands

圖1 磺胺二甲嘧啶(SMN)和磺胺噻唑(STZ)的分子結(jié)構、一般電離平衡和形態(tài)圖Fig. 1 Molecular structures, general ionization equilibria and speciation diagrams of sulfamethazine (SMN) and sulfathiazole (STZ)

(1)礫石。礫石是最常用的濕地基質(zhì)之一，主要通過分子間的物理吸附作用來去除抗生素，且易于解吸。(2)土壤。土壤對抗生素的吸附能力與土壤中有機質(zhì)的組成及數(shù)量和陽離子的數(shù)量正相關[27]。在酸性條件下，SAs與土壤陽離子間發(fā)生交換。在中性和堿性條件下，SAs與土壤有機質(zhì)的羧基或酚羥基間發(fā)生氫鍵作用[28]。(3)生物炭。生物炭也是人工濕地中常用的基質(zhì)之一，其表面酸性官能團含量與堿性官能團含量相當，酸性官能團主要由羧基、內(nèi)酯基和酚羥基構成[29]，使得生物炭表現(xiàn)出親水、疏水和酸堿性等性質(zhì)，從而決定生物炭對不同pH環(huán)境下的SAs均有良好的吸附性能。(4)活性炭。pH值對活性炭表面官能團的電離狀態(tài)有影響[30]，當活性炭經(jīng)HCl酸洗后，表面帶有較高密度的正電荷。而在中性水體中，SAs以中性分子形態(tài)存在，活性炭仍可表現(xiàn)出較強的吸附能力。(5)火山石與沸石。與火山石相比，以沸石為基質(zhì)的人工濕地能夠去除更多的SAs，這可能與它們的pH值不同有關[31]?；鹕绞c沸石的pH值分別為8.6和5.9左右，在堿性和中性條件下，SAs分別普遍呈陰離子形式和非電離形式[32]。一般來說，陰離子形式的抗生素與帶負電荷的火山石表面靜電斥力會相應增大。

其次，SAs的去除還與基質(zhì)的粒徑與孔隙度密切相關?；|(zhì)的粒徑與孔隙度決定了人工濕地滲透系數(shù)的大小。滲透系數(shù)越大表明流速越快，但滲透系數(shù)太大會縮短污水在濕地床內(nèi)的停留時間，無法確?？股乇桓咝コ?。因此，需要通過確定基質(zhì)適當?shù)耐杆砸约昂线m的孔徑，從而為基質(zhì)與抗生素間提供合適的接觸面積，同時有助于微生物在基質(zhì)表面掛膜吸附分解SAs。不同種類的基質(zhì)對SAs有著不同的吸附效果，目前在實際應用中常使用混合基質(zhì)作為填料，可以充分發(fā)揮各種基質(zhì)的作用，使人工濕地處理SAs的效果達到最大化。

2.3 植物

植物是人工濕地的另一基本組成部分，對SAs的轉(zhuǎn)化與降解具有重要的作用。植物通過直接吸收、根系分泌作用和根區(qū)環(huán)境改善方式促進微生物降解抗生素，直接或間接去除抗生素[33]。根據(jù)植物的生長形式不同，主要將人工濕地植物分為挺水植物、浮水植物和沉水植物。國內(nèi)外常用于人工濕地去除SAs的植物主要有蘆葦、香蒲、風車草和黑麥草等。Yan等[34]研究人工濕地中種植風車草對去除磺胺甲惡唑、羅紅霉素和氧氟沙星的影響，結(jié)果表明，3種植物在種植植物條件下的去除率均高于未種植植物的去除率。

水生植物能夠直接吸收污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，供其自身生長發(fā)育，并能富集重金屬和一些有毒有害物質(zhì)?？股剡M入植物組織的擴散過程取決于化合物的物理化學特性，包括疏水性(用對數(shù)辛醇/水分配系數(shù)logKow表示)、水溶性和濃度[31,35-36]。一般而言，logKow在0.5～3.5的范圍內(nèi)的化合物具有親脂性，足以通過植物細胞膜的脂質(zhì)雙層，進入植物的細胞液中[36-40]。Liu等[36]研究發(fā)現(xiàn)，磺胺甲嘧啶logKow值<0.5，該作者認為這種高水溶性化合物最可能受植物吸收中的蒸騰水流與植物組織的遷移而驅(qū)動。此外，他們還發(fā)現(xiàn)抗生素濃度與植物體內(nèi)抗生素積累水平呈正相關。當SAs被吸收進入植物組織后，可能通過代謝過程被降解。代謝過程可能包括一系列的生化反應，如母體有機物的轉(zhuǎn)化、代謝物與大分子的偶聯(lián)、偶聯(lián)產(chǎn)物與植物細胞壁和液泡的結(jié)合等[26]。

植物還能通過根系分泌氧氣，直接促進氧的運輸，在根際微生物的活動和代謝中起著至關重要的作用[41]。根際釋放的氧氣可以促進廢水中污染物的氧化分解過程，有利于根際好氧微生物種群的生長，誘導有效的生物降解過程，提高微生物對SAs的利用效果。然而，不同的植物表現(xiàn)出不同的氧氣釋放速率：寬葉香蒲釋放氧最高(1.41 mg·(h·株)-1)，其次是是蘆葦(1.0 mg·(h·株)-1)，接著是燈芯草(0.69 mg·(h·株)-1)，釋放氧最低的是黃菖蒲(0.34 mg·(h·株)-1)[42]。除為微生物降解提供氧氣供應外，某些植物的分泌物還能作為微生物降解SAs的催化劑[38]。最后，Torrens等[43]的研究還表明，植被覆蓋能夠減弱人工濕地的溫度波動，冬季種植植物的人工濕地比未種植植物的濕地溫度更高(大約0～4 ℃)，污染物去除效果更穩(wěn)定。

2.4 微生物

微生物是人工濕地去除SAs的最終過程?；瘜W物質(zhì)的生物降解通常涉及一系列復雜的生物化學反應，而且隨著微生物的不同而變化。SAs親水性較強，隨著人工濕地的運行也容易被微生物降解。一般來說，人工濕地中有機物的生物降解主要與異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌、真菌(包括酵母菌和擔子菌)以及特定的原生動物有關[44]。在先前的綜述研究中，好氧生物降解被認為是SAs的主要貢獻者[45]，但Hijosa-Valsero等[46]的研究證實同化SMX-c和/或SMX-n的厭氧異養(yǎng)菌以及氧化磺胺甲惡唑(SMX)芳香烴上功能氨基的自養(yǎng)硝化菌等2個代謝菌群也是導致SMX生物降解的關鍵原因。在好氧或厭氧條件下[47]，隨著環(huán)境中可降解碳源和氮源逐漸缺乏，微生物即利用SAs作為碳源或者氮源，SAs的生物降解得到增強。在好氧或厭氧條件下，SAs呈現(xiàn)不同的降解趨勢，可由此推斷，SAs既可通過好氧生物降解又可通過厭氧生物降解。在好氧條件下，抗生素的生物降解與硝化速率相關，而在厭氧條件下則與產(chǎn)甲烷速率相關。好氧異養(yǎng)菌以氧為最終電子受體氧化SAs，釋放二氧化碳等無機物，厭氧異養(yǎng)菌則在發(fā)酵和產(chǎn)甲烷兩步過程中同步降解SAs。

生物降解過程主要分為2種途徑，即微生物的代謝和共代謝途徑。一方面抗生素可以作為微生物生長的唯一碳源和氮源，另一方面可以被微生物群落分泌的酶降解[48]。有機化合物的結(jié)構是影響微生物降解抗生素的重要因素。同一類化合物也可能具有不同的結(jié)構，生物降解涉及特定化學結(jié)構的酶反應，這可能會導致生物降解速率的巨大差異[49]。對于結(jié)構簡單、水溶性高和吸附性低的有機化合物，結(jié)構與微生物常用作能源的天然化合物相似，更容易被微生物降解。相反，對于結(jié)構與之差異較大的有機化合物，由于微生物體內(nèi)缺乏相應的酶則降解比較緩慢。不同的SAs表現(xiàn)出相似的生物降解模式，說明在生物降解過程中需要相似的酶[50-51]。目前，關于將人工濕地中的微生物群落與抗生素的代謝途徑結(jié)合起來的研究還很少。因此，從分子水平上研究抗生素對人工濕地系統(tǒng)中細菌群落發(fā)育、功能和穩(wěn)定性的影響是有價值的。

人工濕地中存在大量的微生物，但是，單純依靠微生物來實現(xiàn)畜禽廢水中SAs的快速降解則十分困難，而合理選擇濕地填充基質(zhì)和種植植物將會顯著促進濕地微生物降解SAs。SAs同時具有生物降解性和生物抑制性，它的出現(xiàn)會改變處理系統(tǒng)中微生物的組成結(jié)構，對各類微生物的生長和代謝作用產(chǎn)生抑制。但相關研究表明，抗生素對濕地中的微生物豐度和多樣性并無顯著影響，這表明，濕地中的微生物群落相對穩(wěn)定，既可以適應畜禽污水中的抗生素，又能夠同步凈化畜禽污水和去除抗生素[52]。

2.5 濕地類型

根據(jù)濕地水文學特征，目前主要將人工濕地分為自由水面流(FWS)和潛流(SSF)兩大類[53]。FWS系統(tǒng)與天然濕地相似，污水在基質(zhì)上層流動。根據(jù)水流方向，還可將SSF系統(tǒng)進一步分為垂直流(VF)和水平流(HF)。與自由水面流人工濕地相比，潛流式人工濕地具有水力負荷高、占地面積小和處理效果好等優(yōu)點，同時很少產(chǎn)生臭氣和滋生蚊蠅。Chen等[16]研究發(fā)現(xiàn)，各類人工濕地對SAs的去除率在22.1%～69.2%范圍內(nèi)，且潛流人工濕地比表面流人工濕地的去除率更高。Liu等[36]對比了3種濕地去除畜禽污水中四環(huán)素和磺胺嘧啶的效果，結(jié)果表明，垂直潛流式人工濕地顯著優(yōu)于其他2種濕地，表明垂直潛流濕地能夠更高效和穩(wěn)定地去除畜禽污水中的抗生素。

2.6 其他影響因素

人工濕地去除抗生素的效果除了受工藝類型影響以外，還受流速和季節(jié)等因素影響。為達到較好的SAs去除效果，還需對流速進行調(diào)節(jié)[54-55]。流速的優(yōu)化設計對提高人工濕地對SAs的去除率起著重要的作用。流速越大，污水與各種介質(zhì)間的接觸時間越少，抗生素的吸附去除效果也會相應的降低。此外，微生物群落降解SAs也需要足夠的接觸時間。2013年，Dan等[17]研究不同類型人工濕地對SAs的去除，結(jié)果表明，SAs的去除效率隨著流速的增加而降低。

此外，季節(jié)也是可能影響人工濕地對SAs去除效果的因素之一。季節(jié)變化改變了日照時間以及濕地溫度，從而影響其對抗生素的去除效率[52]。在溫度較高的情況下，人工濕地內(nèi)相應的降解微生物能夠快速增殖，植物根系的分泌物也能達到最好的催化效果，從而加快SAs在人工濕地中的去除。在夏季，人工濕地中的生物降解、水解和植物吸收加強，而在冬季底物吸附增強[18]。

3 展望(Prospects)

SAs仍然在畜禽養(yǎng)殖中大量使用，日益積累的抗生素對自然水體生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的傷害。人工濕地提供了一種去除畜禽養(yǎng)殖廢水SAs的有效方法，SAs的親疏水性，人工濕地的類別、基質(zhì)、植物、微生物和水力流速，以及環(huán)境季節(jié)變化等都會對人工濕地吸附和生物去除SAs產(chǎn)生重要影響。鑒于濕地元素和SAs去除過程本身的復雜性提出以下展望：

(1)目前，已經(jīng)有大量的實驗室開展了SAs在人工濕地中的物理化學吸附和生物去除研究工作。但實際結(jié)果遠不能充分揭示SAs在濕地中的遷移轉(zhuǎn)化機制，尤其是分子水平上的代謝途徑及其中的物質(zhì)和能量平衡。因而，在后續(xù)的研究中，還需考慮應用最新的分子生物學分析方法，例如宏基因組和代謝組學等方法解析SAs的完整代謝途徑。

(2)人工濕地最大的優(yōu)勢為低維護和低運行成本，其中，持續(xù)穩(wěn)定的污染物去除效果則是對人工濕地設計的最大挑戰(zhàn)。但是，在實際的畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)中，通常面臨各類防疫需求，故需使用多種抗生素，因此，污水處理工程將面臨多種抗生素共存的問題。因此，在濕地的設計和應用過程中首先應充分考慮處理系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性問題，可以考慮采用包含多種基質(zhì)和多種植物的復合濕地作為抗生素的深度處理系統(tǒng)，其多樣化的轉(zhuǎn)化途徑將更有利于濕地去除廢水中不斷更替的抗生素類型。