微藻生物系統去除抗生素和ARGs 的研究進展

趙學宇,任淑靜,郭 寧,張歡歡,賈玉瑩,朱兆亮

(山東建筑大學市政與環境工程學院,山東濟南 250101)

自1929 年青霉素被發現后,抗生素作為一種抗菌藥物被廣泛用于治療一些感染性疾病,以及被用來促進家禽等的生長發育,在治療一些細菌類疾病、進行器官移植、外科手術等方面發揮了不可磨滅的作用。 隨著抗生素的濫用,越來越多的抗生素進入了環境中,這些抗生素嚴重破壞了生態平衡,同時抗生素驅動的抗生素耐藥基因(ARGs)和抗生素耐藥細菌(ARB)逐漸增加[1]。 此外,抗生素會進入生態循環,最終在人體內進行生物富集,對人類身體健康造成嚴重威脅[2]。 目前,被應用于廢水處理的方法有物理法、化學法和生物法,包括生物炭吸附、高級氧化技術、膜濾技術、光催化以及生物處理等方法。其中微藻生物處理技術逐漸引起世界各地研究人員的關注。 環境中存在著大量的微藻,其作為一種可再生的生物資源[3],不僅可以提供氧氣,還可以吸收氮磷等元素[4],凈化水源,同時還能夠去除抗生素等污染物,不會對環境造成二次污染,因此,利用微藻生物處理技術處理抗生素廢水具有其獨特優勢和發展前景。 然而微藻系統去除抗生素和ARGs 的過程復雜,去除機理仍需進一步研究。 本文系統地闡述了微藻對不同種類抗生素的去除機制,總結了抗生素去除的重要影響因素,介紹了微藻對ARGs的去除效率,為抗生素廢水的有效去除提供科學基礎。

1 幾種典型抗生素的去除機理

微藻系統可以有效地去除幾種典型的抗生素。例如姜現靜等[5]研究發現,微藻對氟喹諾酮類抗生素去除率達到60%～90%;韋艷玲[6]研究發現,微藻對氟苯尼考去除率達到70%～95%;另外,楊俊[7]研究發現,微藻對四環素的去除效率可以達到75%～95%。 不同抗生素的物理化學性質大不相同,因此,微藻對抗生素的去除機理也是多樣的,包括生物吸附、生物降解、生物累積、光生物降解和水解揮發5種(圖1)。 其中最主要的去除方式是生物吸附、生物降解和生物累積。 生物吸附是指由于靜電引力的作用,微藻分泌的胞外聚合物(EPS)吸附抗生素的過程。 生物降解是指微藻細胞通過酶促反應使抗生素分解為小分子降解產物的過程,這個過程可以發生在細胞內也可以發生在細胞外[8]。 生物累積是指抗生素在微藻細胞內進行積累富集,從而實現抗生素去除的過程。 光生物降解是指抗生素在太陽光的照射下發生的降解過程,包括藻類不參與的直接光解與藻類參與的間接光解。 另外,水解也是藻類去除抗生素的一種方式。 研究[9]表明,微藻系統中抗生素是通過各種組合機制來去除的,其中生物吸附是微藻處理抗生素廢水過程中最常見的方式,生物降解已被證明是微藻生物處理技術中去除抗生素的最有效機制。

圖1 微藻系統中抗生素的去除機理Fig.1 Mechanism of Antibiotics Removal in Microalgae Systems

1.1 氟喹諾酮類抗生素

氟喹諾酮類抗生素的去除機制包括生物降解、光生物降解、生物累積、生物吸附。 Xie 等[10]在研究中發現環丙沙星被衣藻去除,其去除機理主要為生物降解,約占去除總量的65%。 Hom-Diaz 等[11]在研究中證明萊茵衣藻去除諾氟沙星的過程中光生物降解約占78%,是最主要的去除方式。 Kiki 等[12]的團隊研究證明,左氧氟沙星被小球藻去除的40 d中,生物降解與生物累積是去除左氧氟沙星的主要方式,約占82%,生物吸附僅占1%～2%。 研究[6]表明,氟喹諾酮類抗生素的去除中,生物累積與生物吸附所占比重較小,一般為光生物降解或生物降解。

1.2 β-內酰胺類抗生素

頭孢拉定和頭孢他啶是典型的β-內酰胺類抗生素,Xiao 等[13]研究中發現小球藻去除頭孢拉定的能力很強,在帶有小球藻的試驗組中,處理24 h 后頭孢拉定的去除率達41.47%±0.62%,為無微藻對照組的去除率的3.4 倍,去除機制主要為生物降解。蛋白核小球藻對頭孢他啶最主要的去除機理是生物吸附與生物降解,去除效率可以達到93%。 對于β-內酰胺類抗生素,最主要的去除機理為生物降解[13],且與無微藻系統相比,去除率大幅提升。

1.3 磺胺類抗生素

研究指出,磺胺類抗生素去除的主要機理為光生物降解和生物降解。 例如Garcia-Rodríguez 等[14]利用角果藻對磺胺吡啶處理21 d 后,發現暴露于光照下的磺胺吡啶去除率為45%,而沒有暴露于光照下的去除率僅為10%,這說明角果藻和光照共同導致了磺胺吡啶的去除。 Xie 等[10]研究發現,衣藻可以有效去除磺胺嘧啶,去除效率可以達到35.6%。磺胺類抗生素在光照條件下的去除率顯著高于無光照條件,有效地說明了磺胺類抗生素去除的主要機理為光生物降解和生物降解[6]。

1.4 大環內酯類抗生素

大環內酯類抗生素常見的有紅霉素、阿奇霉素等。 Wang 等[15]在研究中發現,生物降解、生物吸附、水解和光生物降解都是導致紅霉素去除的途徑。在質量濃度為1、10 μg/L 和100 μg/L 的紅霉素條件下, 去除效率分別達到94.18%、 80.59% 和49.60%,其中生物降解與生物吸附的去除率最大達到了57.87%,其次是水解達到了34.13%,光生物降解僅占約5%。 Kiki 等[12]研究發現,雨生小球藻在40 d 內去除阿奇霉素時去除效率最大能達到78%,最主要的去除機制是生物降解。 大環內酯類抗生素的去除一般包括生物降解、生物吸附與水解,其中最重要的去除機制是生物降解[12]。

2 微藻處理抗生素廢水的影響因素

2.1 微藻種類

不同的微藻對抗生素的去除效果不同,因此,微藻種類是抗生素廢水處理效率的重要影響因素。Guo 等[16]研究發現,頭孢類抗生素7-氨基頭孢烷酸(7-ACA),在分別用小球藻、衣藻和麥克屬類進行生物吸附時,小球藻表現出了更好的吸附能力,吸附生物量達到了4.74 mg/g,衣藻和麥克屬類吸附的生物量僅為3.09 mg/g 和2.95 mg/g。

2.2 抗生素種類和濃度

藻類對于不同種抗生素的耐受能力不同,因此對抗生素的去除能力也有差異。 Chen 等[17]研究發現,使用普通小球藻去除恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和磺胺嘧啶時,恩諾沙星的去除率最高,可達53%～73%,磺胺二甲嘧啶的去除率可達16%～33%,磺胺嘧啶的去除率最低,僅為11%～24%。 Xiao 等[13]在研究中發現,蛋白核小球藻對阿莫西林和諾氟沙星的去除率相差極大,對阿莫西林的去除率可以達到91.13%,然而對諾氟沙星的去除率僅有7.89%。 因此,藻類去除抗生素廢水有較強的特異性,在面對不同種類的抗生素選擇合適的藻類能夠顯著提高去除效率。 另外,藻類對不同濃度的抗生素的去除效果也不盡相同。 例如,Xiong 等[18]研究發現,磺胺二甲嘧啶質量濃度從0.025 mg/L 增至0.25 mg/L 時,斜生柵藻對其去除率從31%增至62%。 Cheng 等[19]發現隨著替米考星初始質量濃度的增加(從0.01 mg/L 增加到50 mg/L),其去除效率也顯著升高,由90.2%增加到99.8%。 這是由于微藻細胞內外濃度差增大,促進了替米考星在細胞表面的吸收。

2.3 水力停留時間(HRT)

HRT 是微藻去除抗生素過程中一個重要的因素,一般來說,用于光生物反應器廢水處理的HRT為2～10 d[20]。 較長的HRT 更有利于微藻充分地進行生物吸附、生物降解等活動,進而提高對抗生素的去除效率。 例如,Norvill 等[21]研究發現,高效率藻池中的HRT 從4 d 增至7 d 時,四環素的去除率由93%提高至99%。 Peng 等[22]研究發現,對于HRT為1 d 的生物膜光生物反應器,磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶和磺胺甲惡唑的去除率分別為61%、50%和60.8%,而HRT 為2 d 時,其去除率分別增至79.2%、76.7%和82.1%。

2.4 pH

pH 是影響藻類吸附去除抗生素的重要因素,例如,Daneshvar 等[23]研究發現四尾藻在pH 值為2 時對四環素的去除效率接近0,當pH 值為8 時去除效率可以達到49%,pH 繼續升高后去除效率會降低至30%。 該結果可能是pH 改變了微藻細胞膜的電荷,同時對抗生素的電離也產生影響,具體機制仍需進一步研究。

2.5 光照

光照強度會影響微藻的生長,進而影響廢水中抗生素的去除。 較高的光照會促進微藻對抗生素的去除,但是過高的光照強度會損害微藻葉綠體的光系統,降低微藻的代謝活動和抗生素的去除效率。Du 等[24]在研究中發現,在5 500 Lux 下的頭孢拉定和8 500 Lux 下的阿莫西林的去除率可達60.89%和37.08%,是2 500 Lux 下的兩倍左右。

表1 總結了微藻去除抗生素過程中的影響因素。

表1 微藻去除抗生素過程中的影響因素Tab.1 Influence Factors of Antibiotics Removal by Microalgae

3 微藻在ARGs 去除中的應用

抗生素的濫用導致抗生素在納克每升至毫克每升的質量濃度下殘留在環境中,并對環境中的微生物形成持續的選擇壓力,誘導細菌產生耐藥性,促進ARB 和ARGs 的大量增殖,給人類健康帶來潛在的威脅。 而微藻在去除抗生素的同時對ARGs 的去除也有顯著效果。 Cheng 等[26]研究發現,嗜硫原始紅藻廢水處理系統的出水與傳統污泥處理系統相比,twtS 和blaTEM的相對豐度均下降約50%,qnrA 和ermB 等基因的相對豐度都有不同程度的下降。 同時嗜硫原始紅藻反應器中噬菌體中qnrS、sul1 和Intl1 的相對豐度也顯著低于污泥反應器。 另外,Cheng 等[27]研究表明,抗生素廢水經傳統污泥系統處理后明顯產生了37 種新的ARGs 亞型,有24 種ARGs 亞型存活,而在嗜硫原始紅藻廢水處理系統中只產生了1 個新的亞型,并且僅有4 種ARGs 亞型存活。 除了微藻系統,菌藻共生系統與傳統污泥處理系統相比,去除ARGs 能力也大幅提升。 Liu等[28]研究發現,好氧顆粒污泥系統和菌藻共生好氧顆粒污泥系統中檢測到ARG 的種類數量分別為45～53 和44～47,加入鏈霉素和阿奇霉素后,好氧顆粒污泥系統中ARGs 相對豐度分別為1.17 和2.69,而菌藻共生好氧顆粒污泥系統的相對豐度分別為0.653 和0.964,因此,與好氧顆粒污泥相比,菌藻共生好氧顆粒污泥系統中ARGs 相對豐度明顯降低。

目前,微藻對ARGs 的去除機制仍不明確,主要涉及3 個過程(圖2)。 (1)微藻細胞對移動基因元件的吸收內吞作用。 移動基因元件(可傳播的質粒和整合子)通過積累ARGs 在水環境中的持續和傳播發揮重要作用。 因此,ARGs 的減少可以通過去除含有ARGs 的移動基因元件而實現。 微藻細胞可以吸收并內吞攜帶sul1 的外源質粒,而微藻細胞可以吸收并內吞攜帶ARGs 的外源質粒及其他移動元件,從而達到去除ARGs 的目的[29]。 (2)微藻細胞分泌的EPS 對質粒的吸附作用。 EPS 能夠促進含有ARGs 質粒在微藻細胞表面吸附,從而加速微藻細胞對質粒的吸收內吞作用實現ARGs 的去除。(3)微藻細胞產生活性氧自由基(ROS)猝滅劑過程。 ROS 可以促進ARGs 的傳播[30],而微藻可以產生ROS 猝滅劑,包括抗氧化酶和光合色素。 Ren等[31]研究表明,藻類產生的類胡蘿卜素可以猝滅抗生素產生的ROS,進一步阻斷了ARGs 的傳播途徑,促進了ARGs 的去除。 因此,微藻的加入可以實現ARGs 的去除,但具體的去除機制仍需進一步研究。

圖2 微藻系統中ARGs 的去除機制Fig.2 Mechanism of ARGs Removal in Microalgae Systems

4 結論

本文總結了微藻去除抗生素的主要機理,闡述了抗生素去除效率的影響因素,介紹了藻類對ARGs 的去除效果。 然而微藻對抗生素及ARGs 的去除過程復雜,出水中仍含有較高濃度的ARGs,危害人類身體健康和生態平衡。 因此,實現抗生素及ARGs 的有效去除依然存在挑戰。 基于以上問題,今后的研究應集中在以下幾個方面。

(1)探討了藻類對抗生素的去除路徑,明確了抗生素降解過程中的中間產物以及降解產物,總結了抗生素去除過程中相關功能基因,闡明了抗生素去除機理。

(2)探討了微藻細胞分泌的非酶類抗氧化物質對ROS 的猝滅機制,明確了非酶類物質在ARGs去除中的具體作用,闡明了藻類對ARGs 的去除機理。

(3)應開發藻類與高級氧化法的組合工藝,在抗生素高效去除的基礎上,通過與高級氧化技術的結合,進一步促進ARGs 的去除。