環境中抗生素修復技術研究進展

陳 濤，沈夢楠，蔡 航，張 明，劉青宇，樊闖宇

（吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林長春 130118）

關鍵字：抗生素；生態風險；水環境；土壤；聯合修復

我國社會經濟在高速發展，環境也面臨著嚴重挑戰。近年來畜禽養殖業、水產養殖業、制藥廢水等存在大量的抗生素，如果處理不當進入環境中，則可能造成生態風險。環境中抗生素會直接影響微生物群落的多樣性，并且影響動物、植物的生長發育，也會對人類產生健康風險。長期使用抗生素，可能導致抗藥性細菌產生，這會使得在治療某種疾病中，抗生素類藥物達不到治療的效果或見效慢。抗生素在滅殺有害菌的同時，也會破壞人體正常的菌群平衡，破壞人體正常的免疫平衡，對人體健康造成危害。在全球的范圍內，預計到2030年將比2015年的420億限定日劑量(DDDs)高出200%[1]。抗生素的消費總量逐年提高，其中部分抗生素不可避免地會流入環境中，對環境也造成極大的威脅，對于抗生素的治理也刻不容緩。目前對于抗生素的治理，主要集中在水體和土壤各類復雜環境中，除了傳統工藝，我們還需要尋求新方法。

1 水環境中抗生素來源

研究表明，城市廢水抗生素含量約在100～1 000 ng/L之間[2]。在目前的城市污水系統中已經檢測出了包括環丙沙星、磺胺甲惡唑和甲氧芐啶等在內的多種抗生素。進入到生物體內的抗生素將以抗生素代謝物、葡萄糖醛酸和硫酸偶聯物或母體化合物的形式，通過糞便和尿液中的泌尿系統排出體外，進入土壤，經雨水沖刷進入環境中，或排放至污水處理系統。在我國的市政污水出水標準中并沒有對抗生素排放標準的要求有相應規定限制，依靠污水處理廠的傳統工藝是不能徹底地去除污水中抗生素，使得抗生素的殘留物通過管網系統流入環境。城市污水系統中的抗生素大部分來自兩方面，一方面，來自居民日常家庭使用的抗生素。2019年的一項調查，在歐美國家有75%的抗生素是來自城市居民貢獻。另一方面，則主要來自醫用抗生素，大多數醫院并沒有設置污水處理設施，而是直接進行引入城市污水系統中，從而使得大量抗生素進入環境中。

畜禽養殖企業也是環境中抗生素的主要來源之一。在畜牧業中，抗生素普遍被用于動物的飼料添加劑，使得動物快速生長，獲得最大利益。抗生素通過動物的糞便、尿液釋放到農田，地表水等環境中，再通過徑流擴散到地下水、溝渠、溪流、河流等更廣的范圍。有研究表明，若金霉素添加于牛飼料中的量為70 mg/(頭·d)時，牛糞便中金霉素可達到14 μg/g[3]。動物排泄物接觸土壤后，隨著時間的推移，雖然會在土壤中發生生物降解，但是在土壤中殘存的抗生素濃度也足夠改變土壤微生物的生存環境，引起土壤微生物的耐藥性。

2 抗生素在環境中的生態風險

2.1 抗生素在水環境中的生態風險

抗生素及其化合物通過醫院排放、制藥企業排放、農業用水、養殖業廢水等各種途徑進入水環境中，對水生生態系統直接造成不可逆影響。抗生素及其化合物在水環境中最直接的影響是對水生生物的影響，除去自然降解的部分，殘余的抗生素經由食物鏈關系最終富集在高級水生生物體內，并隨著時間，抗生素的積累足以使其生長繁殖能力下降，甚至對高級水生生物的免疫系統產生抑制，最終會導致消亡[4]。水中抗生素的殘留還會通過清除和減少水生微生物對水中的微生物群落產生影響。抗生素的過度使用可能導致病原微生物的抗藥性增強，使得某些病原體在水體中重新出現并引發新的疾病。

2.2 抗生素在土壤環境中的生態風險

抗生素進入土壤后，會影響土壤微生物的豐度及多樣性，同時也能影響土壤的理化性質[5]。土壤中長期存在的抗生素會導致一些敏感細菌死亡或誘導土壤微生物產生耐藥基因，即使土壤環境中殘留的抗生素濃度很低，也可以誘導微生物群落中的基因融合和基因組重組，誘導耐藥基因出現，同時提高耐藥基因在環境中的豐度和多樣性，對土壤微生物的平衡造成影響。抗生素的存在，對土壤酶活性也可能會造成潛在的影響。有研究指出，四環素類抗生素對土壤真菌漆酶和磷酸酶有非常明顯的抑制作用[6]。值得注意的是，抗生素在進入農田土地會對土壤動物也造成一定的影響。有研究發現，在含有恩諾沙星的土壤中，蚯蚓經過8周的暴露后，其挖穴活動和呼吸作用有明顯地減弱，蚯蚓的健康和繁殖均受到影響[7]。

3 抗生素修復方法

3.1 污水中抗生素的去除方法

環境中抗生素種類多，且許多抗生素具有穩定性高，難以降解等特征，因此需發展高效的抗生素去除技術。污水中去除抗生素的傳統方式主要包括活性污泥法、高級氧化法、活性炭吸附和膜生物反應器法等[8]。

活性污泥法是通過污泥表面積吸附抗生素等污染物質，再使用好氧微生物生化反應的方式來凈化水中包括抗生素等有機物質的污染物。該方法意味著有兩種方法去除污染物的機制。第一種通過吸附作用，如四環素類抗生素會附著在污泥顆粒上，從水體中直接去除，第二種通過生化反應，如磺胺類需要利用好氧微生物的代謝作用去除抗生素。此方法降解過程主要有微生物起作用，是一種比較經濟有效的方法，且適合處理污水中含有大量有機污染物。然而，該方法對于微量的污染物的去除效果并不理想。

高級氧化法是一種通過強氧化劑或電化學反應，如臭氧氧化、芬頓反應、電化學氧化及光催化，破壞抗生素分子結構，從而從污水中去除抗生素的方法。其優點在于能夠降解生物難降解的有機物，并且產生有毒的副產物較少，這對于環境保護和可持續發展具有重要意義。然而，高級氧化法的生產成本較高，對于大規模應用來說可能存在一定的經濟壓力。因此，在推廣應用中需要考慮其經濟成本和適用范圍。

活性炭是一種多孔物質，孔隙發達，占總表面積的90%以上，其粒徑適中，化學穩定性好，吸附性能強，并且可以重復使用。這些特點使得活性炭成為一種高效、穩定且經濟的吸附劑，能夠有效地去除水中的多種有機污染物，其中就包括抗生素[9]。研究結果表明，活性炭對初始濃度為10 μg/L的四環素類抗生素的吸附效果顯著，能夠去除68%以上的抗生素[10]。活性炭的多孔結構有利于對小分子質量的有機物富集，以達到良好的去除污染的效果，但是水中往往包含多種大分子污染物，其中就包括抗生素物質，所以活性炭孔隙的表面積不能夠有效得到利用，這就會使得活性炭的吸附能力下降并使其很快飽和，使用壽命大幅度下降。對于活性炭去除水中抗生素類，我們需要對活性炭進行改性和制備，去除不利因素，擴大活性炭多孔隙的優勢，使其達到良好的吸附效果再投以使用。

膜生物反應器已被廣泛認為是去除污水處理廠中抗生素的有效方法，但其相較于傳統工藝的優勢尚未得到明確的量化。在抗生素污水處理中，膜生物反應器的去除率大約在25% ～95%[11]。水流經過生物膜時，高生物密度和豐富的生物噬菌酶可以提高污染物去除效率[8]。膜生物反應器的優點在于其可以在高進料條件下運行，并利用高污泥濃度對反應器進行精確控制[8]。然而，如何解決膜污染的問題是關鍵所在，膜污染的處理是當前面臨的主要挑戰。

隨著技術研究的深入，如何處理污水中的抗生素，也出現了諸多新方法，新技術。例如人工濕地技術、電子束輻照技術、納米材料處理技術等，都具有成本低、去除效果好等特點[8]。人工濕地是仿制自然濕地的生態功能，經由基質、微生物、植物等因子相互影響，達到清除污水中抗生素等污染物目的。這種技術不僅美觀、環保且成本低，能夠有效地凈化污水。電子束輻照技術利用高能電子束對污水進行直接輻射，也會出現具有氧化還原作用的活性粒子，這些活性粒子可以破壞抗生素的分子結構，從而實現抗生素的去除。這種技術高效、清潔且成本較低。但是這些新技術還未在實際應用中充分運行實踐，在實際使用中的運行條件優化等方面還待進一步探究。

3.2 土壤中抗生素的去除方法

土壤中的抗生素污染更具有隱蔽性、累積性和長期性。雖然傳統物理化學方法治理土壤中抗生素可以在短時間內見效，但對于大規模的土壤污染并不適用。土壤情況非常復雜，土壤類型、污染物種類和濃度等因素常會影響去除效果，因此常需要采用多種方法進行聯合修復治理。在實際應用時，通常采用生物修復和物理化學修復有機結合的方法，以達到最佳修復效果。聯合修復可以結合生物修復和物理化學修復的優點，既可以利用微生物的作用快速分解抗生素，又可以利用物理化學方法將剩余的抗生素進行分離或改變其化學性質，從而達到更高效、更全面的修復效果。因此，在進行土壤修復時，需要根據具體情況選擇適合的方法和方案，以達到最佳的修復效果。

化學-植物聯合修復技術具有環保可持續、低成本高效率的優勢。利用有機物質或無機物質或兩種混合物質制作土壤改良劑改變土壤的物理化學性質，再利用植物的富集和吸收作用來達到去除污染物的目的。如，在土壤中加入化學試劑將3價鎘離子轉化為土壤的有效鎘濃度，可以明顯提高植物富集重金屬鎘[12]。

植物-微生物聯合修復就是一類適用面廣，去除效果好，對環境無污染的一種方法。研究發現黑麥草、苜蓿、微生物菌劑聯合對多環芳烴污染過的土壤的處理效果是高于單獨植物或微生物對污染土壤修復的處理效果。污染土壤的現實情況中，往往會出現重金屬和抗生素復合污染的情況，研究人員針對土霉素和鎘的污染土壤，利用紫茉莉、孔雀草兩種植物和紫金牛葉桿菌、真菌膠紅酵母進行植物-微生物聯合修復土壤。土霉素降解菌提高了生物量，促進了鎘的吸收。當土霉素質量分數達到5 mg·kg-1，其降解率更是達到70.6%[13]。

目前關于聯合修復去除土壤中抗生素研究和案例相對較少，但是在去除土壤中其他有害物質中已經有了廣泛的應用，也為聯合修復去除抗生素的研究方向提供了思路，未來可以進一步探索聯合修復土壤抗生素應用潛力。

4 結語

抗生素污染是我們人類所共同面臨的威脅，是一個全球性的環境問題。目前抗生素種類達一萬多種、檢測方法局限性給抗生素去除帶來困難和挑戰，我們需要去探索更多的新技術和新方法來檢測并去除污水和土壤中的抗生素。除此之外，加強跨界合作，進行多學科交叉，共同推動抗生素污染修復技術的發展，這也是改良方法和研究新技術的方向。近些年，也陸續出現耐藥細菌和耐藥基因擴散，這都和抗生素的污染有著密不可分的關系。對于抗生素已造成污染的后續問題，我們也需格外地警惕，防止擴大化、規模化、嚴重化。最后，我們也需要重視社會各界的參與和教育，提高公眾對抗生素污染問題的認識和環保意識，促進全社會的共同治理和可持續發展。