四環素影響污水生物脫氮除磷過程的最新研究進展

周杰，宋小三，王三反

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.寒旱地區水資源綜合利用教育部工程中心，甘肅 蘭州 730070)

四環素類抗生素能夠破壞細菌核糖體形成過程，阻礙蛋白質合成，從而對細菌產生抑制作用。隨著污水處理技術及相關工藝的不斷改良，四環素污廢水的相關研究沿著更加微觀的方向發展，越來越多的學者開始關注四環素對污水生物脫氮除磷過程中微生物及四環素抗性基因所產生的影響，以便為優化和升級改造污水處理工藝、降低四環素殘留所引起的生態風險提供理論支持。本文根據當前抗生素研究領域的最新文獻報道，對四環素在水環境中的遷移轉化，四環素抗性微生物與抗性基因的產生以及四環素對活性污泥結構、微生物群落的影響進行了綜述，并對今后的研究方向進行了展望。

1 四環素在水環境中的遷移轉化

水環境中抗生素的遷移轉化途徑主要包括底泥吸附、生物降解、水解及光解等[3]。底泥具有很強的吸附能力，水環境中抗生素普遍富集于底泥中[4]。光解過程取決于光的強度及抗生素本身的性質，低光照強度環境中，抗生素很難被光解[5]。 城市污水處理廠是抗生素的重要污染源之一，污水處理工藝中停留時間相對較短，廢水中污泥或高濃度懸浮固體濃度較高，陽光無法深入廢水中。通常認為，水解，光解和揮發等過程對污水廠抗生素去除過程的影響很小，抗生素在污水廠處理工藝中的主要遷移轉化途徑為吸附，生物降解，消毒和膜分離[6-7]。

四環素是一種廣譜抗生素，目前已被廣泛應用于畜牧業、醫療等領域。城市污水處理廠是四環素在水環境中的一個重要“匯流”，四環素在城市污水處理廠主要的遷移轉化途徑為吸附，但也有研究表明，光降解也可降解四環素[8-10]污水脫氮除磷系統通常無法完全去除四環素，四環素的存在會引起環境風險，如：刺激四環素抗性基因的增殖，對敏感的水生生物產生影響，與其它具有共同抑菌機理的抗生素共同引起加成或協同作用，經食物鏈聚集并傳播擴散，威脅人類健康。探究四環素殘留對污水生物脫氮除磷過程的影響及相關機理，對降低四環素引起的環境風險，具有重要意義。

2 四環素對污水生物脫氮除磷過程的影響

長期暴露在四環素環境中，會對生物脫氮除磷系統的氮磷去除能力、活性污泥性能、抗性基因發展情況及微生物群落結構等性能產生顯著影響。目前普遍認為，四環素對氮、磷的去除存在差異，通常情況下，四環素對脫氮過程的影響比除磷過程更為顯著。四環素與污水的接觸時間也與生物脫氮除磷過程密切相關，事實上，雖然目前多集中于四環素對脫氮除磷系統短期毒性的研究，但四環素與脫氮除磷系統功能微生物的長期作用更符合污水廠實際運營情況。

四環素濃度對氮磷脫除過程起重要作用，污水廠四環素檢出濃度通常位于 ng/L到 mg/L范圍內[11]，藥廠污水四環素檢出濃度則較高，可達到32 mg/L[12]， 現有研究多側重于環境濃度(20,50 μg/L) 及高濃度(2,5 mg/L)四環素的研究。目前普遍認為，高濃度四環素比痕量四環素影響更為顯著。痕量四環素不會對脫氮除磷過程產生顯著影響，高濃度四環素會對脫氮過程產生抑制，但關于高濃度四環素對除磷過程的影響，尚存在爭議。部分學者認為高濃度四環素不會對除磷過程產生顯著影響，但也有學者認為高濃度四環素能夠對生物除磷過程起強化作用。A Chen等[13]的研究表明：低濃度四環素(0.2 mg/L)不會影響脫氮除磷效率，高濃度四環素(2,5 mg/L)雖不會顯著影響除磷效果，但會抑制反硝化作用，進而抑制脫氮過程。劉航[14]通過研究提出：長期作用下，高濃度四環素具有強化除磷過程和抑制硝化過程的作用。

高濃度四環素會破壞活性污泥結構，抑制脫氮過程，但高濃度四環素對脫氮過程的抑制主要是由于反硝化作用的抑制還是硝化作用的抑制，目前仍存在爭議。有學者提出，高濃度四環素對脫氮過程的抑制主要歸因于高濃度四環素作用下，反硝化作用受抑制[13]。EPS是微生物分泌的高分子聚合物，EPS普遍存在于活性污泥絮體表面及內部，具有聚集和保護細菌細胞、在聚合物與顆粒間形成橋梁、富集并降解環境中的營養成分等生理功能[15]。EPS與活性污泥的絮凝過程及生存能力密切相關，而四環素與活性污泥絮凝物的結合對于EPS的釋放很重要[16]。研究表明[13]，四環素與EPS的結合改變了參與四環素和EPS相互作用結構域化學基團的結構，導致污泥基質中的EPS被釋放，細菌細胞失去了EPS的保護作用，污泥活性降低、結構疏松，反硝化菌分離，四環素與反硝化劑接觸的機會增多[17]。與氨氧化細菌(AOB)，亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)和磷積累生物(PAO)相比，反硝化細菌對四環素更敏感，四環素不會抑制硝化劑，但會對反硝化器產生不利影響，并抑制聚羥基鏈烷酸酯(PHA)分解反硝化作用電子供體的產生，脫氮過程因而受到抑制。高濃度四環素還會還原游離的高價金屬離子，抑制亞硝酸還原酶與硝酸還原酶的活性，進一步抑制脫氮反應[13]。

龍婷婷[18]則提出，短期作用下，高濃度四環素會影響反硝化過程，長期作用下，高濃度四環素對硝化和反硝化過程均會產生影響。他將高濃度四環素對脫氮效果的抑制歸因于：高濃度四環素會破壞活性污泥結構，抑制微生物活性，亞硝酸鹽氧化菌比氨氧化細菌對四環素更敏感，因而亞硝酸鹽氧化過程比氨氮氧化過程更易受到抑制，亞硝酸鹽積累，脫氮過程受抑制。

林麝（Moschus berezovskii）屬于我國一級保護動物。麝香是雄性林麝的香囊分泌物，其藥用價值和商用價值舉足輕重。但是，隨著我國人口迅速增長、野外濫捕濫獵，使我國林麝資源遭到嚴重破壞，林麝數量減少，成為瀕危物種。我國自1958年開展人工養麝至今已有近60年的歷史，但由于諸多方面的因素影響，其生產能力還遠遠落后于家畜的水平。

3 四環素影響污水生物脫氮除磷效果的機理研究

目前，關于生物脫氮除磷系統中四環素的吸附和生物降解行為的機理研究較不完備。近年來，部分學者針對四環素的歸趨轉化，四環素與脫氮除磷系統中微生物、活性污泥的相互作用以及四環素對抗性基因的誘導作用做了諸多研究。

3.1 四環素與脫氮除磷系統中活性污泥的相互

作用

活性污泥廢水處理系統去除抗生素的方式包括生物降解，生物質吸附，水解作用，揮發和光降解等多種過程[19-20]?；钚晕勰喙に噷λ沫h素去除效果的研究尚且存在爭議，部分學者研究發現，活性污泥處理系統主要通過吸附作用去除四環素[9]。也有學者研究提出，一定濃度下，生物降解作用也對活性污泥處理系統四環素的降解產生顯著影響[10]。目前普遍認為，大部分四環素可通過活性污泥吸附而被去除，四環素易接觸活性污泥絮凝物中起氮磷去除作用的微生物，進而影響污泥活性，其影響程度大小取決于四環素濃度。

四環素可能影響活性污泥性能以及污泥中的功能微生物的細胞結構，影響程度與四環素濃度、接觸時間有關。龍婷婷[18]提出，低濃度四環素不會顯著影響污泥活性，高濃度四環素會顯著影響污泥結構，導致污泥膨脹。高濃度四環素條件下，短期和長期實驗中除磷效果存在顯著差異，這可能歸因于：長期暴露在四環素環境中，污泥結構被破壞，污泥吸附的磷會再次釋放，活性污泥吸磷能力被抑制。四環素可能會對功能微生物的細胞結構產生不利影響，據報道，四環素在0.2,2 mg/L濃度下不會破壞細胞膜的完整性，5 mg/L濃度下四環素會破壞細胞膜完整性、影響細胞的生物學功能，破壞污泥細菌生存力，對生物脫氮過程產生負面影響[14]。四環素也可能會影響胞外聚合物(EPS)的釋放，進而降低活性污泥沉降性能，使污泥活性降低、結構疏松，促進四環素與反硝化劑接觸，抑制生物脫氮過程[13]。

3.2 四環素與脫氮除磷系統中微生物的相互作用

3.2.1 四環素對脫氮除磷系統中微生物群落的影響 微生物是污水廠生物處理工藝的功能主體，微生物群落結構及功能對污水廠污水處理能力起決定作用，污水處理系統中微生物群落結構及其多樣研究成為近年來研究的熱點之一。脫氮除磷系統中的功能微生物主要包括氨氧化細菌(AOB)、聚磷菌(PAOs)、硝化菌屬(Nitrobacter)、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)和反硝化菌(denitrifiers)。

四環素會對脫氮除磷系統微生物的群落結構、種群豐富度、群落多樣性產生影響，且影響程度與四環素濃度密切相關，高濃度四環素是微生物群落的壓力誘導物之一，長期作用下，高濃度四環素可能會使微生物群落突變率增加[21]。劉航[14]提出：就微生物群落多樣性及豐富度而言，痕量四環素不會明顯影響脫氮除磷系統中微生物群落豐富度，但會略微降低群落多樣性，高濃度四環素則會使兩者均降低；就微生物群落組成結構而言，長期作用下，痕量四環素會影響脫氮除磷系統中微生物群落組成結構，降低Lysobacter、Dechloromonas 和 Flavobacterium 的含量，增強系統對高濃度四環素的適應性，高濃度四環素會使微生物群落組成結構發生顯著改變。

Grabert等[22]提出，當四環素濃度大于100 mg/L時，會抑制厭氧消化池中微生物的生長速率。龍婷婷[18]指出，四環素濃度對異養菌呼吸作用及分解代謝活性有顯著影響，為應對四環素的沖擊，活性污泥中微生物細胞攝取大量氧氣以用于呼吸作用、抵制外界毒性沖擊。Wang S等指出，12 mg/L四環素會對活性污泥呼吸產生明顯的抑制作用[23]。Zhang 等[24]的研究表明，痕量四環素作用下，SBR反應器中的微生物群落結構發生變化，不適應四環素的微生物逐漸被適應能力較強的微生物所替代。

四環素也會對脫氮除磷系統微生物的細胞結構產生影響。作為一種強螯合劑，四環素能夠與金屬離子發生強相互作用，破壞污泥絮體的基質結構，促進四環素與微生物接觸，使細胞膜完整性被破壞，細胞的生物學功能受到不利影響，微生物產生生物學缺陷[14]。四環素對細胞膜完整性的影響也與四環素濃度密切相關，有研究指出[14]，0.2,2 mg/L的四環素不會對細胞膜完整性產生負面影響，5 mg/L的四環素會顯著降低污泥細菌生存力，對脫氮產生負面影響。

3.2.2 四環素對脫氮除磷系統功能菌的影響 四環素也會對生物脫氮除磷系統中的功能菌產生影響，且影響程度與功能菌種類、四環素濃度、四環素與污水接觸時間密切相關。不同種功能菌對四環素的適應情況各不相同，如：有研究指出，Nitrospira功能菌和聚磷菌比氨氧化細菌、Nitrobacter功能菌和denitrifiers功能菌對四環素的適應能力更強，長期運行120 d過程中，Nitrospira功能菌和聚磷菌的相對含量逐漸升高，系統氮磷脫除功能得到一定程度的恢復，但氨氧化細菌、Nitrobacter功能菌和 denitrifiers功能菌仍無法適應[14]。

3.3 四環素對脫氮除磷系統中抗性基因的誘導及

機理

四環素類抗性基因是污水廠進水中檢出量和檢出率最高的抗性基因之一。目前普遍認為，引起四環素抗性的機理主要有可編碼四環素外排泵蛋白的抗性基因、可編碼核糖體保護蛋白的抗性基因以及可編碼對四環素類分子具有修飾或破壞作用的酶的抗性基因3種[28]。污水生物脫氮除磷系統中，引起四環素抗性的機理主要以外排泵抗性機理為主，且抗性基因的變化與微生物種類、四環素濃度密切相關。有研究表明，Lysobacter、Dechloromonas 和 Flavobacterium 對高濃度四環素的耐受性或抗性較強[29-31]。

通常認為，微生物產生抗生素抗性主要包括內外兩個部分：內部細菌發生基因突變以及水平基因轉移機制作用下外部可移動遺傳因子的擴散和傳播[32]。微生物群落中，抗生素抗性基因可整合到可移動基因原件上，經基因的水平轉移進行傳播?？梢苿踊蛟习ㄕ献?、質粒、轉座子及插入序列等。其中，由于能夠整合、捕獲外源性基因并轉化為功能性基因表達單位，整合子對環境細菌多重抗性的產生以及抗性基因的水平轉移具有重要意義。有研究表明：痕量四環素會提升水平基因轉移潛力；高濃度四環素會增加第1類整合子含量，促進水平基因的轉移，進而促進抗性基因的擴散與傳播。

四環素濃度與抗性基因的產生過程密切相關，不同四環素濃度下，抗性基因的產生過程存在顯著差異。劉航[14]的研究表明：痕量四環素會增加污水生物脫氮除磷系統中外排泵抗性基因 tet(A)和tet(G)的含量，進而增加硝化菌群四環素抗性，痕量四環素不會影響脫氮除磷系統運行效果，但會增加四環素抗性基因含量，增加水平基因轉移潛力；隨四環素濃度升高，第1類整合子以及四環素滅活抗性基因 tet(X)含量增加；高濃度四環素不僅能夠增加外排泵抗性基因、核糖體保護蛋白抗性基因、四環素滅活抗性基因以及第1類整合子的含量，增強四環素抗性微生物在微生物群落中的競爭力，而且能夠促進水平基因的轉移，促進四環素抗性基因在系統中的擴散。

有學者研究了四環素與微生物群落的長期相互作用，部分研究表明，痕量四環素長期作用下，硝化功能菌更易產生四環素抗性，這歸因于：抗性基因更易產生于生長較慢的微生物種類中[33]，而硝化抑制劑能夠抑制四環素抗性基因在污泥堆肥過程中的增長[34]。長期作用下，為適應高濃度抗生素，微生物群落水平基因的轉移會增加，胞外聚合物中腐殖酸含量增加，四環素與細胞的接觸會減少。

4 結論與展望

四環素是污水廠進水中檢出量和檢出率最高的抗生素之一。隨著污水處理技術及相關工藝的不斷改良，四環素污廢水的相關研究沿著更加微觀的方向發展。越來越多的學者開始關注污水生物處理系統中四環素抗性微生物及抗性基因的產生以及四環素對微生物所產生的影響，但截至目前，相關機制的研究仍然不夠完善，缺乏較為系統且認可度高的理論體系，今后，以下方面可能成為研究的熱點：

(1)生物處理技術與工藝污染少、成本低，是當前四環素廢水處理的主流技術，但處理高濃度四環素廢水時，生物處理技術存在四環素效價殘留、處理效果不穩定、易誘導產生耐藥基因等問題。通過預處理技術和深度處理技術聯用，將源頭控制和末端保障相結合，通過構筑多級屏障的技術體系來控制抗生素和耐藥基因，成為未來研究的熱點之一。

(2)四環素極易被活性污泥吸附，污水廠剩余污泥是四環素遷移轉化途徑中一個重要的“匯流”。四環素濃度與脫氮除磷系統運行效果、抗性微生物含量及抗性基因產生過程密切相關。加強含高濃度四環素的菌渣和污泥的處理，阻斷四環素及其抗性基因向環境中的遷移，成為未來研究的一個重要方向。

(3)城市污水中普遍含有多種抗生素，多種抗生素共同存在時會對微生物產生累加、協同、拮抗等作用，研究不同種類抗生素間的相互作用，并選取實際污水進行實驗，對加強四環素降解、阻斷四環素及其抗性基因的遷移具有重要意義。

(4)采用傳統培養法進行抗性基因檢測存在一些問題，可能會導致對抗性基因總量的低估。近年來，分子生物學手段受到國內外學者的廣泛青睞。 采用分子生物學手段檢測污水生物處理過程中微生物菌群種類和數量的變化，對探究四環素濃度變化對微生物群落結構的影響及相關機制的研究具有重要意義。