抗生素在環境中轉化降解的研究進展

陳昌燕?高璐瑤?侯建華

摘要：抗生素因具有良好的治療效果而被廣泛應用于生產生活實踐，但抗生素在自然界中難以降解和轉化，導致其長期存在環境中，對人類的生存和健康產生了巨大的影響。因此尋求更加高效，節能的方法是現階段降解抗生素的迫切需求。本文詳細綜述了物理法，生化法和高級氧化法的作用機理，影響因素和去除效果。同時，對抗生素處理工藝進行了總結和展望。

關鍵詞：抗生素;降解;物理法;生化法;高級氧化法

隨著農業和畜牧業的飛速發展，我國的抗生素需求量也越來越大，主要包括 β-內酰胺類、四環類、氨基糖苷類、大環內酯類等 9 大類，抗生素很難被動物和微生物吸收利用，其中約有30%～ 90%的抗生素依然以母體化合物的形式存在于生物體中，并隨著養排泄物和廢水廢渣排出[1]。大量不同種類的抗生素進入環境后，發生持久性的積累，從而污染土壤環境和地表水水質，甚至在自然沉降和雨水沖刷的作用下浸入地下水[1]。多數抗生素在水中具有較大溶解度，自然降解去除抗生素極為困難。近年來，關于抗生素降解方法的報道逐漸增多，本文結合國內外研究現狀就物理處理，生化處理和高級氧化處理三個主要方面進行分析，總結和歸納。

一、物理法

（一）吸附

吸附是指吸附材料在分子間的作用力或化學力的作用下將污染物分子從原有的介質中分離出來的過程[2]。目前較為普遍使用的吸附材料有活性炭、樹脂、金屬氧化物和硅酸鹽類吸附劑等。其中活性炭是常用的吸附材料，對溶劑中的顆粒狀污染物去除效果極好，但對于易溶于水的高極性抗生素處理效能相當有限。秦小寧等將顆粒活性炭和十六烷基三甲基嗅化銨作為改性劑處理凹凸棒土使其成為具有高吸附性能表面活性吸附劑用于去除水中磺胺吡啶和磺胺噻唑 [2]。

（二）膜過濾

膜分離處理是指當各種粒子通過半透膜的過程中對特定的污染物進行選擇性分離的技術。膜過濾根據孔徑的大小和推動力的不同包括微濾，超濾，納濾和反滲透等方式[3]。膜過濾工藝耗能較大，價格昂貴且容易堵塞，因此只能用作低濃度污染物廢水去除和地下水水體凈化過程，雖然如此，但膜具有良好的選擇性對水中溶解性難降解的物質具有很好的去除效果，因此具有廣泛的應用價值[3]。Lu等在0.4 A 的恒定電流作用下通過超濾電滲析膜處理工藝有效去除89.8%的青霉素，且20.3%的青霉素被有效的回收 [3]。

二、生化法

（一）生物降解

微生物處理技術效果良好，操作簡單，運行成本較低且一般不產生二次污染。但是，微生物處理的前期準備工作（如：微生物的選擇、培養、馴化等）需要較長的時間，無法在短時間內調試運行成功，同時抗生素本身對微生物生長具有抑制作用，利用細菌為主體的常規生物處理工藝對抗生素的去除效果較差[4]。因此，從長期受抗生素污染的土壤和水體環境中篩選出抗生素的耐藥菌株是現階段去除抗生素的有效方法。祁為寧等測試了溫度為40℃，溶液呈中性，且在金屬Fe3+促進假單胞菌生長的情況下可降解80.96%的上霉素（50mg/L）[4]。

（二）好氧堆肥

好氧堆肥技術主要用于農作物秸稈和動物糞便等的廢棄物降解和轉化過程，微生物通過異化作用將畜禽糞便等發酵為腐殖質并在一定的條件下將其腐熟為肥料[5]。抗生素的降解過程主要發生在發酵階段，堆體反應強度受溫度，PH，通風方式，微生物種類和活性，抗生素含量等因素的影響。沈穎等通過單因素變量實驗發現在一定范圍內升高堆體溫度可有效提高金霉素、四環素和土霉素的去除效果，這與微生物酶活性增強有關[5]。

三、高級氧化法

（一）電化學法降解

電化學降解的原理是在電場驅動力的作用下在陰極和陽極發生氧化還原反應，使污染物得失電子從而破壞其原有的分子結構來實現降解的目的。電化學直接降解是通過電子轉移來實現污染物的氧化降解，電化學間接降解是在可逆反應過程中形成活性自由基團，這些活性基團一般具有更強的氧化活性可以使部分難降解的有機物降解為H2O和CO2等無機物[6]。Brim等研究的微生物燃料電池可以同時去除65.5%諾氟沙星和94.5%的COD，是一種很有前途的抗生素廢水處理技術[7]。

（二）光催化氧化

光催化氧化是半導體類光催化劑在入射光的作用下，激發出光生載流子，分離的e-和h+分別與吸附在材料表面的O2和H2O形成超氧自由基和羥基自由基[8]。Hou等通過加入硫脲和醋酸制備的BiOCl光催化劑在8分鐘內幾乎降解了約95%的四環素（20 mg/L），其中約90%的四環素在20分鐘內完全礦化為二氧化碳和水[8]。

（三）臭氧氧化

臭氧分子一方面可以與污染物直接接觸將其氧化降解，另一方面可以在紫外光激發作用下生成活性自由基，進而對污染物進行礦化降解。這兩種方式都具有降解速率快，去除效率很高，且不產生二次污染的特點，但臭氧需要隨制隨用，制備費用也比較高，并且單一的臭氧技術在處理生化性低的工業廢水時效果較差，因此研究的重點逐漸轉為通過臭氧聯用技術開發制造更多的強氧化性的自由基。徐紅巖等采用浸漬法制備的錳缽復合物作為臭氧催化劑可在30分鐘降解94.7%的土霉素（200 mg/L）。與直接氧化法相比，催化臭氧氧化通過生成大量氧化性的自由基的去除效果顯著提高[9]。

四、總結與展望

物理法去除抗生素效果明顯，去除率基本都能達到90%以上，但抗生素的分離和提純過程極其復雜。生化法是目前去除抗生素類污染物的常用方法，但大部分的工藝去除效果不明顯，且容易導致細菌失活，造成整個污水處理系統運行效果變差。高級氧化法逐漸成為現階段快速發展的新型處理辦法，電化學降解和臭氧氧化具有高效的分解和去除能力，但所需的設備投資較大，能源消耗量多，且受抗生素廢水水質影響較大。光催化技術充分吸收利用太陽能作為降解抗生素的內在動力表現出良好催化降解性能，是一種綠色，節能，環保，高效的新型處理工藝，具有很大的開發利用價值。

參考文獻：

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[9]徐紅巖，王俊，蘇本生等.環境工程學報2017 （5）：2819 -2827.

項目基金 ：大學生創新創業訓練計劃資助項目（X20190520），揚州大學本科專業品牌化建設與提升工程資助項目。

作者簡介：

陳昌燕（1997-10-），女，揚州大學環境工程專業。

*侯建華（1984-03-） ，男，揚州大學，博士，副教授，博士生導師。