左氧氟沙星在水環(huán)境中的賦存、風(fēng)險及降解技術(shù)研究進展*

盧洪斌 盧少勇 曾澤泉 黃張根#

(1.中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所,煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室,山西 太原 030001;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 100012;3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

據(jù)研究估計,到2050年抗生素耐藥性問題每年可能導(dǎo)致1 000萬人死亡[1-2]。氟喹諾酮類抗生素(FQs)被列于《世界衛(wèi)生組織人類醫(yī)學(xué)至關(guān)重要抗菌素清單》中,優(yōu)先遏制其耐藥性對于抗生素的風(fēng)險評估及風(fēng)險管理至關(guān)重要[3],[4]2,[5]。FQs生理毒性強[6],使用量占抗生素總使用量的17%[7],且具有較低的衰減系數(shù)(0.08～0.45 h-1)。因此,FQs在環(huán)境中殘留時間較長,濃度處于較高水平[8]。其中,左氧氟沙星(LVFX)是使用最廣泛的FQs之一[9],其副作用小于氧氟沙星,且體外抗菌活性為氧氟沙星的2倍。LVFX分子中含有羧基和哌嗪環(huán),因此具有兩個酸性解離常數(shù)(6.02、8.15),其在不同pH環(huán)境中有3種存在形態(tài)[10]3:陽離子形態(tài)(pH<6.02)、陰離子形態(tài)(pH>8.15,親水性較強)和兩性離子形態(tài)(6.02

LVFX具有化學(xué)穩(wěn)定性,使用過程中80%～90%的體量隨糞便或尿液排放到環(huán)境中,因此LVFX在環(huán)境中被檢出范圍廣且賦存濃度高[14]。因此,不斷向環(huán)境中輸入LVFX導(dǎo)致其在生活污水及地表水中具有較高的檢出率和檢出濃度[15]。LVFX不僅威脅環(huán)境內(nèi)生命體健康,而且誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生抗性基因(ARGs)和耐藥細菌[16]。因此,亟需掌握LVFX在水環(huán)境中的賦存特征,厘清其對生態(tài)環(huán)境的危害,并比較分析現(xiàn)有技術(shù)對其去除效果。

基于上述問題,本研究在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上綜述了LVFX在水環(huán)境中的賦存特征,從誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ARGs和耐藥細菌及威脅水生態(tài)安全兩個方面闡述了LVFX的生態(tài)風(fēng)險,并比較了現(xiàn)有技術(shù)對LVFX的去除效果,以期對以LVFX為代表的抗生素治理及管控提供參考。

1 LVFX在水環(huán)境中的賦存特征

抗生素生產(chǎn)企業(yè)排水、醫(yī)療廢水、人類及動物排泄物中的抗生素排放到環(huán)境中,誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ARGs和耐藥細菌,經(jīng)過一系列的傳播和富集,最終影響人類生命健康安全(見圖1)。我國抗生素年排放量超過5萬t[17],其中LVFX隨生活污水排放至環(huán)境中是其污染環(huán)境的重要途徑之一。我國生活污水、污水處理廠進水及地表水環(huán)境中LVFX均有較高的檢出率和檢出濃度[18-19]。我國生活污水中LVFX濃度最高可達幾毫克/升,自然水體中檢出質(zhì)量濃度達6 800 ng/L[20-21],處于世界較高水平。意大利LVFX及其代謝產(chǎn)物的年排放量分別為34 843、845 kg。歐洲主要城市污水處理廠進水LVFX為西班牙卡斯迪隆((2 743.3±455.5) ng/L)>意大利米蘭((1 861.3±352.4) ng/L)>瑞士蘇黎世((255.6±98.2) ng/L)>英國布里斯托爾((40.8±7.3) ng/L)>挪威奧斯陸((36.1±52.0) ng/L)>荷蘭烏特勒支((23.5±5.0) ng/L)>丹麥哥本哈根((23.0±3.3) ng/L)[4]10。LVFX很難被污水處理廠完全去除,因而LVFX在污水處理廠出水中被廣泛檢出,威脅生態(tài)水環(huán)境健康。已有研究表明,LVFX在地表水中質(zhì)量濃度范圍為未檢出至μg/L。LVFX在西班牙的塔古斯河瓜達拉馬河、賈拉馬河、赫納雷斯河、曼薩納雷斯河等水體中均有檢出[22]。印度、日本和中國地表水體中LVFX高達2 030、3 600、6 840 ng/L[23],中國地表水中LVFX的賦存濃度處于世界較高水平。因此,加強LVFX防治勢在必行。

圖1 抗生素及ARGs在自然界的傳導(dǎo)過程

2 LVFX在水環(huán)境中的風(fēng)險

2.1 誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ARGs

微生物長期暴露于含有LVFX的環(huán)境下會被誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ARGs,從而提高了“超級細菌”形成的風(fēng)險[24]。細菌耐藥性的提高極不利于治療相關(guān)疾病,與此同時超級耐藥細菌可能會進一步傳播,導(dǎo)致更廣泛的耐藥性[25]。

微生物對LVFX耐藥機制主要有染色體和質(zhì)粒介導(dǎo)機制[26]。微生物通過編碼不同耐藥機制和移動基因元素的各種基因可降低對FQs的敏感性[27]。染色體介導(dǎo)機制引起的耐藥性包括靶位改變、外膜通透性改變以及外排泵系統(tǒng)作用;質(zhì)粒介導(dǎo)機制引起的耐藥性包括脫氧核糖核酸(DNA)解旋酶和拓撲異構(gòu)酶保護蛋白(由gr基因(主要有qnr4、qnrB、qnrC、gnrD和gnrS)編碼)及鈍化酶(由aac(6’)-Zb-cr編碼)[28-32]。1998年首次在臨床分離株中發(fā)現(xiàn)pmqR基因,該基因可在細菌間水平轉(zhuǎn)移[33]。現(xiàn)有研究表明,FQs耐藥細菌占有率可達52%～100%[34]。

氟喹諾酮類ARGs在水環(huán)境中已被廣泛檢出。其中,基因qnrS是水環(huán)境中常見的氟喹諾酮類ARGs之一,qnrA和qnrB檢出率相對較低[35]。這是qnrS對FQs藥物敏感性降低導(dǎo)致的[36-37]。歐洲污水處理廠每升進水中qnrS拷貝數(shù)為2.0×107～2.4×107,其含量排序特征為英國布里斯托爾>挪威奧斯陸>意大利米蘭>西班牙卡斯迪隆>瑞士蘇黎世>荷蘭烏特勒支[4]9。qnrS在不同地區(qū)污水處理廠進出水中的賦存差異顯著,維爾巴尼亞某大型污水處理廠和意大利皮埃蒙特東部某污水處理廠進出水中每拷貝16S rRNA含有ARGs的總體豐度為2.98×10-3～5.43×10-3,其中含有qnrS的豐度為2×10-3～27×10-3[38],且qnrS和sulⅡ、czcA、arsB、int1均不具有顯著相關(guān)性。PAIVA等[39]從進水及污泥中分離的細菌中qnrS的檢出率為9/70,而qnrA和qnrB未被分離出來。大多數(shù)的qnrS陽性分離株屬于腸道菌科(Enterobacteriaceae),主要是大腸桿菌(Escherichiacoli),其次是摩根腸道細菌(Morganellamorganii)和雷特洛變形桿菌(Proteusrettgeri)。多種基因可在同一菌株中共存,一株EscherichiacoliAS150同時含有基因qnrS和aac(6’)-Ib。aac(6’)-Ib是另一種常見的氟喹諾酮類ARGs,在奇異變形桿菌(Proteusmirabilis)、摩根腸道細菌、大腸桿菌、雷特洛變形桿菌和糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenesfaecalis)分離株中被檢出。aac(6’)-Ib蛋白可促進氨基糖苷類藥物的乙酰化和失活,其cr變體也可導(dǎo)致對FQs藥物的敏感性降低[40]。cr變體可能出現(xiàn)在糞產(chǎn)堿菌和雷氏普羅威登斯菌(Providenciarettgeri)等菌株中[41]。沿海地區(qū)qnrS的檢出率相對較低,已有研究表明中國北部灣沿海地區(qū)qnrS的檢出率為16%,低于qnrD(32%)和qnrA(28%)[42]。但相關(guān)研究有限,缺乏更多數(shù)據(jù)支撐。已有研究表明,氟喹諾酮類ARGs之間不具有顯著相關(guān)性,但ARGs的產(chǎn)生及耐藥細菌的演變與抗生素的使用量存在正相關(guān)[43]。LVFX對腸桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌等引起的疾病具有較好的治療效果,若LVFX誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生較高賦存量的ARGs,意味著人類治療重大疾病時少了一種重要的特效藥。

2.2 威脅生物安全

LVFX進入環(huán)境后將對生物健康產(chǎn)生危害。LVFX對發(fā)光細菌的半數(shù)效應(yīng)濃度(EC)為0.129×10-3mol/L,高于加替沙星(0.084×10-3mol/L),比洛美沙星(0.137×10-3mol/L)和諾氟沙星(0.151×10-3mol/L)毒性更強[44]。由此可見,LVFX的生物毒性效應(yīng)強于其他抗生素。LVFX對藻類和植物的影響特征是低濃度條件下促進其生長,而高濃度條件下抑制生長。萬禁禁[45]研究了LVFX對淡水微藻的脅迫作用,LVFX為1～100 ng/L時促進水華微囊藻的生長,10 μg/L時水華微囊藻的影響呈現(xiàn)先促進后抑制的效果,而40～100 μg/L的LVFX對水華微囊藻有明顯的抑制作用。試驗7 d后,0.001、0.01、0.1、1.0 μg/L的LVFX對水華微囊藻的生長促進率分別為4.99%、3.13%、1.52%、0.89%;10、40、70、100 μg/L的LVFX對水華微囊藻的抑制率分別為11.92%、81.57%、83.22%、88.38%。當(dāng)LVFX低于1 000 μg/L時促進蛋白核小球藻的生長,而當(dāng)LVFX為10 mg/L時,蛋白核小球藻表現(xiàn)為先促進生長后抑制生長;當(dāng)LVFX大于10 mg/L時,處理第3天后表現(xiàn)為明顯受到抑制作用。XIONG等[11]56研究發(fā)現(xiàn),用含有20、50、100 mg/L的LVFX溶液培養(yǎng)斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)11 d后,其生長速率分別被抑制了14%、35%、52%。水稻幼苗的根長度、苗長度、根數(shù)量均隨著LVFX濃度的增加而減少,當(dāng)LVFX高于0.1 mg/L時各項指標(biāo)與空白組相比均顯著受到抑制;當(dāng)LVFX高于50 mg/L時,水稻種子萌發(fā)將受到明顯抑制,發(fā)芽率顯著下降,水稻的活力指數(shù)隨著LVFX濃度的增加而顯著下降,表明LVFX抑制了發(fā)芽的過程,延長了發(fā)芽時間;LVFX對玉米、小麥等作物種子萌發(fā)及幼苗的生長均表現(xiàn)出低濃度促進而高濃度抑制的作用[46-47]。低濃度的LVFX因具有殺菌作用而有利于生命體活動,但LVFX濃度達到某一閾值時,LVFX將危害生物的生命活動。

藻類中的過氧化氫酶(CAT)與受到LVFX的抑制程度具有顯著關(guān)系,是LVFX毒性的指示牌。水華微囊藻CAT活性隨著LVFX濃度升高呈現(xiàn)逐漸升高趨勢,表明水華微囊藻受到侵害。當(dāng)LVFX從10 μg/L升高到20 μg/L再到30 μg/L的過程中,CAT活性呈現(xiàn)幾何倍數(shù)增加,但當(dāng)LVFX為40 μg/L時,CAT活性下降,表明水華微囊藻細胞已遭到破壞。植物中葉綠素、可溶性蛋白及根系活力同樣對LVFX的脅迫具有指示作用。將鳳眼蓮置于投加LVFX的營養(yǎng)液中培養(yǎng)3周,結(jié)果顯示,隨著LVFX濃度的升高,單次投加0～100 mg/L的LVFX會導(dǎo)致葉綠素升高、光合速率下降;單次投加0～50 mg/L的LVFX會導(dǎo)致可溶性蛋白含量和根系活力增加,當(dāng)超過50 mg/L后可溶性蛋白含量和根系活力下降[48]。

綜上所述,LVFX進入環(huán)境中不僅誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ARGs及耐藥細菌,還會危害生物安全。因此,減少LVFX進入環(huán)境、削弱ARGs及耐藥細菌的產(chǎn)生及傳導(dǎo)對于人類生命健康安全至關(guān)重要。

3 LVFX去除技術(shù)

目前針對LVFX的去除技術(shù)發(fā)展迅速,主要包括物理法、化學(xué)法和生物法。其中,吸附和高級氧化技術(shù)相關(guān)研究最多。不同處理工藝對LVFX的去除效果見表1。

表1 不同處理工藝對LVFX的去除效果

吸附法的關(guān)鍵為篩選出廉價且高效的吸附劑,使其具備較大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)及豐富的表面官能團[65]。吸附劑對LVFX的性能受到原材料類型、熱解溫度和吸附條件等影響。有學(xué)者通過化學(xué)改性技術(shù)使吸附劑具有更強的吸附性能。王磊等[66]通過硫酸改性豐富了火山石孔隙結(jié)構(gòu),對LVFX的吸附去除率達99.46%。復(fù)合材料負載同樣提高了吸附劑性能,對LVFX的去除率可達96.6%以上。三維石墨烯摻雜石墨相氮化碳吸附劑對LVFX的吸附量為147.05 mg/g[58]。廢棄生物質(zhì)作為原材料被廣泛應(yīng)用于吸附劑制備,促進了“以廢治廢”的研究進展。姚斌[57]研究表明,BMF-700對LVFX的吸附量為122.21 mg/g;活化后的BMF-700/過硫酸鹽體系對LVFX的去除率為87.87%。李玉蓮[67]將多殼空心CuFe2O4活化過一硫酸鹽,在催化劑為0.5 g/L、pH為6、反應(yīng)時間為2 h的條件下,LVFX初始質(zhì)量濃度為20、50、100 mg/L時對LVFX的去除率分別為95%、72%、60%;其他條件不變,在LVFX初始質(zhì)量濃度為20 mg/L、pH為6.5的條件下,對LVFX的去除率為80%。由此表明,吸附劑對LVFX的去除效果與LVFX濃度成反比。

π-π和n-π電子供體受體(EDA)相互作用是生物炭體系中吸附的關(guān)鍵機制[10]11。生物炭的-OH和羧基基團可能與LVFX分子發(fā)生π-π和n-πEDA相互作用,從而進一步增強了吸附過程。LVFX上的π-電子可能與生物炭中的苯或萘酚芳香環(huán)結(jié)合。從農(nóng)業(yè)廢棄物和玉米殼中獲得的含鐵生物炭中,除通常的靜電和氫鍵吸引外,通過橋接雙齒配體和氟取代的絡(luò)合也在吸附機制中發(fā)揮了重要作用[68]。在中性條件下,生物炭都有脫質(zhì)子化的羧基,這有利于與氧化鐵形成配合物,從而產(chǎn)生最大的吸附;在酸性和堿性條件下,由于脫質(zhì)子羧基含量的降低和靜電排斥作用,吸附量均下降。

化學(xué)法包括(類)芬頓法、光/電催化、高級氧化等工藝。該類方法均是通過化學(xué)手段產(chǎn)生具有強氧化能力的羥基自由基,從而降解LVFX。其中,改性結(jié)構(gòu)光催化法對LVFX的作用效果顯著。孫海波[69]研究表明,Ag3VO4/Ag2CO3p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化法在60 min內(nèi)對LVFX的去除率達82.0%。曾立彬[70]自組裝三維MoS2花球修飾TiO2納米管電極,在630 nm可見光照射下對LVFX的催化降解速率為2.0×10-2min-1;微生物燃料電池驅(qū)動零維/一維MoS2/TiO2基光電催化系統(tǒng),可見光(>420 nm)照射85 min下對LVFX的催化降解速率為2.5×10-2min-1;光驅(qū)動生物電化學(xué)系統(tǒng)合成二維/一維MoS2/聚多巴胺/TiO2材料,可見光(>420 nm)照射95 min下對LVFX的催化降解速率為5.2×10-2min-1。此外,UV/Cu2O/H2O2耦合體系[71]、非均相Co-Fe類普魯士藍負載石墨烯/單過氧硫酸氫鉀體系[72]、TaON/Bi2MoO6核殼S型異質(zhì)結(jié)納米纖維及綠色納米鐵的類芬頓法(鐵基納米粒子/H2O2)對LVFX的去除率可達79.8%～96.22%,極大推動了化學(xué)法去除LVFX的研究進程。化學(xué)法具有反應(yīng)速度快、處理效果好、適用范圍廣等優(yōu)點。但普遍具有費用昂貴、消耗藥劑與電能的缺點;芬頓試劑會產(chǎn)生鐵泥,需酸性環(huán)境。化學(xué)法中間產(chǎn)物的生態(tài)毒性可能增強,需重點關(guān)注。

生物法因去除效果好、運營成本低被廣泛應(yīng)用。生物法去除LVFX機制包括非生物去除、生物吸附、生物積累和生物降解,其中生物降解是主要的去除途徑。DOORSLAER等[73]總結(jié)了37項污水處理廠凈化含LVFX污水的研究,結(jié)果表明,污水處理廠對LVFX的去除率為-66%～98%,平均去除率為53%。LVFX的去除效果與生物法類型和工況條件緊密相關(guān)。如溫度和進水LVFX濃度是調(diào)控UASB去除LVFX的關(guān)鍵參數(shù)。王凱凱[61]39研究了UASB對LVFX的凈化效果,在中溫厭氧、進水LVFX為10 μg/L、反應(yīng)20 d條件下,對LVFX的去除率為16%;在中溫厭氧、進水LVFX為1 000 μg/L、反應(yīng)26 d的條件下,對LVFX的去除率為26%;在高溫厭氧、進水LVFX為10 μg/L、反應(yīng)7 d的條件下,對LVFX的去除率為54%;在高溫厭氧、進水LVFX為1 000 μg/L、反應(yīng)7 d的條件下,對LVFX的去除率為44%。LVFX可能在系統(tǒng)中累積并對處理系統(tǒng)造成持續(xù)性影響,污泥中吸附的LVFX可能成為污染源,因此可能出現(xiàn)出水濃度高于進水濃度現(xiàn)象。生物法去除LVFX的關(guān)鍵問題是在抗生素背景下產(chǎn)生相應(yīng)的ARGs,并隨污水處理過程在環(huán)境中傳播。測定生物法系統(tǒng)內(nèi)gyrA基因[61]40,空白對照組的厭氧污泥中沒有g(shù)yrA,而實驗組內(nèi)均產(chǎn)生了gyrA,LVFX投加量為10、1 000 μg/L條件下每克厭氧污泥gyrA最大拷貝數(shù)分別為3.15×106、6.43×106,gyrA含量與LVFX投加量成正比。gyrB表現(xiàn)出同樣的趨勢,LVFX投加量為10、1 000 μg/L時,每克厭氧污泥gyrB最大拷貝數(shù)分別為6.95×107、8.33×106。調(diào)控溫度為53 ℃后,LVFX投加量為10、1 000 μg/L時對LVFX的去除率分別為54%和44%,去除率均有顯著提高,而兩種LVFX投加量下qepA和gyrB兩種基因均隨著時間延長而豐度降低。ARGs的種類及豐度隨著微生物菌屬演替而變化。若ARGs宿主微生物豐度提高,對應(yīng)的基因豐度升高,反之亦然。因此,通過改變參數(shù)調(diào)控宿主微生物種類及豐度是控制ARGs傳播的重要手段。

綜合來看,物理法和化學(xué)法去除效果好、降解速度快,但成本較高,造成這兩類技術(shù)推廣阻力較大;生物法運行成本低,但去除效果相對較差且易產(chǎn)生并擴散ARGs。因此,開發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價的LVFX處理技術(shù),抑制LVFX和ARGs傳播,是當(dāng)下亟需解決的問題。

4 結(jié) 論

(1) LVFX在地表水體中賦存濃度為未檢出至μg/L,中國部分地表水體中LVFX最高達3 600 ng/L,處于世界較高水平。

(2) 微生物長期暴露于含有LVFX的環(huán)境下會被誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生ARGs,從而提高了“超級細菌”形成的風(fēng)險;微生物對LVFX耐藥機制主要有染色體和質(zhì)粒介導(dǎo)機制,其中qnrS是水環(huán)境中常見的氟喹諾酮類ARGs之一。

(3) LVFX進入自然水體后將對生物產(chǎn)生危害,低濃度的LVFX因具有殺菌作用而有利于生命體活動;但LVFX濃度達到某一閾值時,LVFX將危害生物的生命活動,不同種類生物的危害閾值具有較大差異。

(4) 吸附法和高級氧化技術(shù)是研究最多的LVFX去除技術(shù),現(xiàn)有報道中可實現(xiàn)99.9%的去除率,但受限于運行成本,該類技術(shù)大規(guī)模推廣阻力較大;生物法對LVFX的研究較少,相對去除率較低且易產(chǎn)生ARGs。開發(fā)高效、低廉、穩(wěn)定的LVFX處理技術(shù),是當(dāng)下亟需解決的問題。