水環(huán)境中磺胺類抗生素的生物降解*

萬(wàn)家秀，何碧紅，張永合，趙培植，周 峰，牛愛(ài)娣

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

抗生素作為一種抗菌類藥物，廣泛應(yīng)用于畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及人類和動(dòng)物疾病防治等領(lǐng)域?；前奉惪股?SAs)是應(yīng)用最早且最廣泛的抗生素之一。SAs 具有成本低、抗菌譜廣、穩(wěn)定性高且有較強(qiáng)的親水性的特性，能干擾和抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)與繁殖，用于治療或預(yù)防細(xì)菌感染、糖尿病、高血壓和痛風(fēng)等相關(guān)研究報(bào)道，SAs進(jìn)入動(dòng)物和人的體內(nèi)后不能被完全吸收，50%～90%會(huì)被排出體外后進(jìn)入土壤或水體環(huán)境，更多地進(jìn)入城市污水處理廠。

磺胺類抗生素以痕量形式殘留于各類水體及環(huán)境中，而大多數(shù)水廠并沒(méi)有對(duì)此類抗生素的去除作針對(duì)性設(shè)計(jì)。常規(guī)的處理工藝中，混凝，沉淀，過(guò)濾對(duì)SAs的去除率都很低；城市污水處理廠對(duì)SAs的去除率在4%～22%，污水處理工藝中的活性污泥法去除效果有限甚至出現(xiàn)負(fù)去除率的情況，替代去除又易受溫度，pH影響，而且僅適用于去除某些抗生素。對(duì)于含有SAs這類復(fù)雜水質(zhì)問(wèn)題，加之SAs對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境存在著潛在的風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)于水中SAs去除技術(shù)的研究引起尤為重要。

自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中，生物降解對(duì)硫胺的去除具有重要的作用，這種方法也是目前污水處理廠應(yīng)用比較廣泛的方法，具有運(yùn)行成本低，反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。

1 SAs的去除工藝

1.1 傳統(tǒng)污水處理廠

磺胺類化合物在大規(guī)模廢水處理廠(WWTP)中的發(fā)生，轉(zhuǎn)化和結(jié)局已得到充分證明。由于磺酰胺的結(jié)構(gòu)和初始濃度，廢水成分和處理過(guò)程的差異，磺酰胺的去除率從負(fù)到100%不等[1]。通常，常規(guī)的活性污泥(CAS)處理系統(tǒng)無(wú)法完全消除磺酰胺，并且不同磺酰胺的去除率存在很大差異。例如，在華南珠江三角洲(PRD)的四個(gè)污水處理廠，磺胺甲惡唑(SMX)的消除率為0%～64%，磺胺嘧啶(SDZ)的消除率為 50%[2]。2008年在不同的污水處理廠中，其中已完全去除了磺胺甲基咪唑(SMT)，但廢水中SMX，SDZ和磺胺吡啶(SPY)的水平通常高于進(jìn)水。Chang等[3]還指出SMX和SPY的生物降解可能發(fā)生在缺氧和好氧處理中。而磺胺嘧啶(SMR)則主要通過(guò)厭氧和缺氧工藝消除。此外，SPY(-215%～76%)和SMX(-463%～72%)的去除率顯示出較高的可變性，這可能歸因于生物處理過(guò)程中這些化合物的消除和中間體的反向轉(zhuǎn)化的共同作用。但是，所有的磺酰胺類藥物(除磺胺噻唑(STZ)外)在CAS處理中都有類似的生物降解趨勢(shì)。此外，帶有厭氧-缺氧-氧化(A/A/O)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)工藝(MBBR)的磺酰胺去除率比另一種合建式氧化溝(C-Orbal)，而在去除磺酰胺方面，三重氧化工藝優(yōu)于 A/A/O 處理工藝[4]。共代謝還可以通過(guò)MBBR中的硝化和反硝化作用來(lái)增強(qiáng)某些磺酰胺的去除[5]。兩項(xiàng)研究進(jìn)一步提出，更長(zhǎng)的泥齡(SRT)也可以改善磺酰胺的消除，并且磺酰胺在反硝化條件下顯示出高的生物轉(zhuǎn)化速率常數(shù)。

1.2 生物膜反應(yīng)器法(MBR法)

膜生物反應(yīng)器(MBR)可以有效去除所有磺酰胺類物質(zhì)(去除率 90%～100%)[6]。發(fā)現(xiàn)MBR是組合處理工藝A/A/O-MBR系統(tǒng)中總磺酰胺去除的最大貢獻(xiàn)者[7]。注意到MBR中磺酰胺的生物降解不依賴于SRT，而是與有機(jī)底物的濃度成正相關(guān)。在另一項(xiàng)研究MBR和CAS中十種不同磺酰胺行為的研究中也觀察到了相似的結(jié)果。由于較高的混合液懸浮固體(MLSS)和更長(zhǎng)的SRT，MBR在磺酰胺去除方面的表現(xiàn)優(yōu)于CAS，而MBR甚至可以幾乎完全去除某些磺酰胺。由此可知，MBR工藝是去除磺酰胺的理想選擇。

1.3 有氧降解

1.3.1 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的活性污泥系統(tǒng)中的生物降解

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)已廣泛用于測(cè)試活性污泥系統(tǒng)中磺酰胺的生物降解。密閉瓶測(cè)試和測(cè)壓呼吸測(cè)試表明，磺酰胺不是易于生物降解的物質(zhì)[8]。盡管磺酰胺在活性污泥中需要約 6～12天的滯后時(shí)間，但可以按照一階或零階降解動(dòng)力學(xué)將其從馴化的污泥中清除[9]。在分批實(shí)驗(yàn)中觀察到去除率為10%～100%。不同的磺酰胺類藥物表現(xiàn)出相似的生物降解模式，某種磺酰胺類藥物的降解劑可以輕易降解其他磺酰胺類藥物，這表明磺酰胺類藥物的生物降解需要類似的酶。易于生物降解的物質(zhì)對(duì)一種生物氧化的競(jìng)爭(zhēng)性抑制可能是造成磺酰胺降解滯后的原因。而且，磺酰胺的生物降解可能受到廢水類型以及外部碳源和氮源的影響。Alvarino等[10]研究了四個(gè)處理階段收集的污水中，三種磺酰胺(20 μg/L)的好氧生物降解，活性污泥處理產(chǎn)生的廢水沒(méi)有適應(yīng)階段，降解速率最高，但是對(duì)于磺胺類生物降解初級(jí)處理廢水，需要10～15天的滯后時(shí)間。易于降解的物質(zhì)可以刺激SMX的生物降解。發(fā)現(xiàn)光解能夠促進(jìn)SDZ生物降解和礦化，通過(guò)生產(chǎn)共底物來(lái)刺激SDZ生物降解的初始單加氧反應(yīng)。相反，在硝化條件下，外部碳源對(duì)SMX去除率的影響可忽略不計(jì)。SMX的生物降解可能受到氮修正的不利影響。此外，鹽度也對(duì)磺酰胺的降解性產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.3.2 自然環(huán)境中的生物降解

生物降解在土壤生態(tài)系統(tǒng)中磺酰胺的消散中起主要作用，降解過(guò)程遵循一階動(dòng)力學(xué)模型是細(xì)菌而不是真菌主要負(fù)責(zé)SMX的降解[11]。盡管降解率很高，但土壤系統(tǒng)中磺酰胺的礦化率通常低于2%[12]。長(zhǎng)期接觸獸用抗生素的土壤能夠促進(jìn)抗生素的生物降解?；酋０窛舛葘?duì)土壤生物降解率的影響尚不清楚。先前的一些研究表明，磺酰胺的生物降解率不受其初始濃度的明顯影響，而其他研究表明，磺胺類生物降解率隨SD的降低而降低。增加初始濃度降解率提高[13]。2010年發(fā)現(xiàn)SMX在有氧和缺氧條件下的半衰期分別為2天和7天，這表明氧化還原條件對(duì)磺酰胺的降解有相當(dāng)大的影響。還觀察到SDZ在缺氧土壤中的持久性，其半衰期為57～237天?；酋０芳捌銷4-乙?；x物不易生物降解，從市政污水處理廠獲得的廢水中磺酰胺的去除率從4%～22%不等[14]。在海水蝦塘沉積物中，不同的磺酰胺類藥物的半衰期差異很大，并且SMX的半衰期(9.6天)比SDZ(833天)和 SDM(272天)短得多。然而，SMX被認(rèn)為是污染河水中最難降解的磺酰胺，而STZ是生物降解性最高的磺酰胺[15]。較高的磺酰胺濃度有助于在污水中更快地降解，而較高的初始磺酰胺濃度可以抑制沉積物中的降解。此外，季節(jié)變化和微生物群落是影響磺酰胺生物降解的兩個(gè)關(guān)鍵因素，鹽度、重金屬、pH和濁度也可能影響河水中磺酰胺的生物降解。SMX降解隨溫度和腐殖酸含量的升高而顯著增加，但并不容易依賴于河水和沉積物中初始SMX濃度。

1.4 厭氧生物降解

在厭氧活性污泥系統(tǒng)中，磺酰胺的高去除率也可能發(fā)生。有學(xué)者研究了SMX和SPY的生物降解可能發(fā)生在缺氧和好氧處理單元中，但是磺胺嘧啶(SMR)主要通過(guò)厭氧和缺氧過(guò)程消除。在與環(huán)境相關(guān)的濃度(μg/L)下，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的厭氧間歇反應(yīng)器中的磺酰胺去除率介于22%～100%之間[16]。厭氧硫酸鹽還原菌污泥系統(tǒng)中SMX(100 μg/L)的去除遵循偽零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，比重為(13.2±0.1)mg/L/d。表明，較高的SMX含量會(huì)降低生物降解率?；酋０啡コ孰S水力停留時(shí)間(HRT)的增加而增加，并且當(dāng)HRT保持24 h時(shí)，磺胺二甲嘧啶(SMZ)的降解率為75%。而且，厭氧磺酰胺的生物降解會(huì)受到容易獲得的有機(jī)底物的影響。外源化學(xué)需氧量(COD)的添加提高了SMZ去除的效率，并且SMZ去除率與COD去除率呈正相關(guān)，表明在厭氧條件下SMZ轉(zhuǎn)化的協(xié)同代謝機(jī)制[17]。

在高濃度(263 mg/L)和低濃度(0.02 mg/L)的情況下，受污染的地下水均具有高厭氧降解硫胺(SAD)的能力。沉積物中的兼性厭氧菌可以厭氧降解SMX。在厭氧條件下(7.0～79.2天)，沉積物中磺酰胺的半衰期甚至比有氧條件下(>165天)的半衰期更短，產(chǎn)甲烷和硫酸鹽還原條件有利于SDM的生物轉(zhuǎn)化，但添加電子供體和受體不能顯著增強(qiáng)磺酰胺的生物降解[18]。當(dāng)存在替代碳源時(shí)，甚至可以觀察到對(duì)SAD去除的不利影響。

發(fā)酵和厭氧堆肥也可以有效減少豬糞便和污水中的磺胺?；酋０穼?duì)沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量均無(wú)負(fù)面影響。某些磺胺類幾乎完全除去，而其它磺胺(STZ和SMZ)顯示持久性在發(fā)酵試驗(yàn)，表明磺酰胺去除取決于磺酰胺的類型。有學(xué)者研究了在不同溫度下厭氧堆肥中磺酰胺的去除，他們發(fā)現(xiàn)去除效率最高的是 35 ℃。他們進(jìn)一步得出結(jié)論，所用肥料的水分和生物降解物質(zhì)是磺酰胺去除的兩個(gè)關(guān)鍵決定因素。此外，較高的HRT和與稻草的共消化可改善磺酰胺的降解，這與磺酰胺和COD的共代謝結(jié)果一致。

因此，在有氧或厭氧條件下，在自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中磺酰胺的生物降解都可能發(fā)生。厭氧工藝可以選擇去除磺酰胺，特別是在豬糞和廢水中?；酋０返南目梢酝ㄟ^(guò)分解代謝和共代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)?；酋０返娜コ俾嗜Q于磺酰胺的類型和初始濃度，水或土壤的性質(zhì)以及處理技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化處理單元的運(yùn)行條件可以有效去除磺胺。而且升級(jí)或先進(jìn)的處理工藝顯示出比CAS處理工藝更高的磺酰胺去除能力。

2 磺酰胺降解菌種和微生物群落

2.1 磺酰胺降解菌

從馴化的活性污泥和經(jīng)長(zhǎng)期處理的土壤中已分離出許多微生物菌株，它們能夠利用磺酰胺作為唯一碳源[19]。從MBR中分離出BR1菌株，并利用SMX作為唯一碳和能源，能夠在含有維生素和酵母提取物的礦物質(zhì)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)24.5 h后，SMX，SDZ，SMZ，SDM和SMT可能會(huì)完全降解。其中菌株BR1和SDZ的降解率最高。從經(jīng)過(guò)SMX馴化的活性污泥中分離出的兩種微生物菌株(SMXB24和SMX348)能夠完全消散SMX，這與BR1菌種的降解是一致的[20]。此外，SMX的生物降解模式取決于培養(yǎng)基的組成和細(xì)菌種類，并且在存在易于降解的碳源和氮源的情況下，SMX可以更快地降解。另外兩個(gè)土微生物菌株(SDZm4和sp.C448)可以完全降解SDZ和SMZ，并且磺胺類藥物的生物降解率會(huì)隨著碳源的增加而增加。

從活性污泥中分離出了幾種降解磺酰胺的無(wú)色桿菌Achromobactersp的SMX 礦化率為24%～44%[21]。在16天之內(nèi)就檢測(cè)到了BR3，Achromobactersp去除了最大的SMZ。S-3在30 ℃和pH=7.0時(shí)達(dá)到33.4%。反硝化無(wú)色桿菌從活性污泥和廢水中分離出的PR1可以利用SMX作為唯一來(lái)源或與乙酸和琥珀酸酯共代謝SMX，并且能夠以環(huán)境相關(guān)和高濃度(從ng/L到mg/L)完全消散SMX。PR1菌株對(duì)其他磺酰胺的去除率很高，并且SDZ，SMZ，SPY和磺胺甲氧基噠嗪(STP)在56 h內(nèi)被耗盡至檢測(cè)極限。此外，這些無(wú)色桿菌通過(guò)添加氨基酸，維生素和膽堿，該物種可將SMX(150 mg/L)降解速率提高一倍。盡管在5mM琥珀酸鹽存在下，高含量的SMX的降解率較低，但添加碳源可以提高ng/L濃度的SMX的降解率。

不動(dòng)桿菌菌株也稱為磺酰胺降解劑。從海洋環(huán)境中分離出兩種細(xì)菌菌株，其中一種被鑒定為不動(dòng)桿菌屬HS51。該菌株在2天內(nèi)代謝了高達(dá)72%的SPY(10 mg/L)和67%的STZ (10 mg/L)。從活性污泥中分離出的新型不動(dòng)桿菌菌株(W1)在24 h內(nèi)顯示出 SMX(5～240 mg/L)地顯著礦化(95%～100%)。該菌株的最佳SMX生物降解條件為25 ℃和 pH=7.0[22]。

拉爾赫和雅高報(bào)告指出馬紅球菌從污水處理廠中分離，活性污泥有可能在120 h血糖的存在除去SMX的29%，而當(dāng)觀察到低移除速率(5%)馬紅球菌與其它微生物混合。發(fā)現(xiàn)外源性輔因子(維生素B6，維生素C和氧化型谷胱甘肽)可以增強(qiáng)糞便產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenesfaecalis)去除SMX的能力。希瓦氏菌OneidensisMR-1和希瓦氏菌sp.MR-4菌株也是磺酰胺去除的潛在候選者，它們?cè)?天內(nèi)分別消耗SPY的23.91%和23.43%，SMX的59.88%和 63.89%。由于抑菌作用，磺酰胺的降解隨初始磺酰胺濃度的增加而降低，pH值也影響Shewanella菌株對(duì)磺酰胺的降解[23]。

2.2 磺酰胺降解細(xì)菌群落

磺酰胺降解系統(tǒng)中的主要細(xì)菌群對(duì)抗生素具有抗藥性，它們可能有助于磺酰胺的生物降解。土壤中SMZ降解細(xì)菌的集合主要以變形桿菌，酸性細(xì)菌，擬桿菌為代表。發(fā)現(xiàn)降解SAD的細(xì)菌種群主要由變形菌門菌和擬桿菌屬中的生物組成，而芽孢桿菌屬和金細(xì)菌屬是主要屬。Rhodopirellula波羅，Methylibiumpetroleiphilum，藤黃微球菌，食酸戴爾福特菌，Oligotrophacarboxidovorans，不動(dòng)桿菌屬，和假單胞菌被認(rèn)為是在活性污泥優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類能夠降解磺酰胺。他們還發(fā)現(xiàn)，紫外線可以增強(qiáng)SMX的生物降解并誘導(dǎo)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化，其中主要的生物體從波多黎各紅藻和石油甲基苯丙酸PM1變?yōu)槲⑶蚓?，黃褐藻和酸菌。寡核寡糖。有學(xué)者指出無(wú)色桿菌和假單胞菌是微生物燃料電池反應(yīng)器用于降解SMX的陽(yáng)極室中的主要細(xì)菌群，并且在純培養(yǎng)中已經(jīng)很好地證實(shí)了這兩個(gè)屬中的生物降解磺酰胺的能力[24]。但是，在其他微生物燃料電池反應(yīng)堆中檢測(cè)到的最大細(xì)菌群與Thauera屬有關(guān)，Thauera屬是一種眾所周知的芳香分解生物[25]。確定了堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌為SMX-水沉淀系統(tǒng)中的主要生物，這表明這兩種生物都有降解SMX的潛力。

如上所述，已經(jīng)分離并表征了多種降解磺酰胺的微生物，其中一些能夠在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的分批測(cè)試中完全去除磺酰胺。特別是它們可以使用磺酰胺作為唯一的碳源或共底物，并且碳源的存在可以刺激磺酰胺的生物降解。已知的磺酰胺降解劑甚至可能在磺酰胺降解系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，這證明了這些微生物在實(shí)踐中消除磺酰胺的潛力。

3 結(jié) 論

關(guān)于磺酰胺去除效率，磺酰胺降解物種和代謝途徑的大量研究已被記錄。在有氧或厭氧條件下，生物降解是磺胺在自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中消散的主要途徑。磺酰胺的生物降解可能受許多因素影響。另外，來(lái)自不同屬的微生物能夠降解磺酰胺。在磺酰胺降解的純培養(yǎng)物和混合培養(yǎng)物中可以存在不同的降解途徑。

以前的研究主要集中在少數(shù)微生物對(duì)SMX和SDZ的生物降解機(jī)理上。關(guān)于磺酰胺代謝途徑的信息仍然有限，尤其是在厭氧條件下。代謝物形成與環(huán)境因素之間的聯(lián)系仍然鮮為人知。因此，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以鑒定更多磺酰胺生物降解的代謝產(chǎn)物并辨別關(guān)鍵途徑，尤其是在混合培養(yǎng)和厭氧條件下。作為唯一報(bào)道的磺酰胺分解代謝基因，Sad A基因?qū)⒊蔀槲磥?lái)研究中檢測(cè)磺酰胺降解微生物群的有用生物標(biāo)記。此外，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中的原位降解細(xì)菌，磺酰胺降解系統(tǒng)中的主要細(xì)菌群與磺酰胺生物降解能力沒(méi)有直接聯(lián)系。關(guān)于磺酰胺生物降解的分解代謝基因知之甚少。鑒定原位降解物和磺酰胺生物降解的功能基因是未來(lái)的巨大挑戰(zhàn)。另外，AOB和 AOA在磺酰胺降解中的作用需要進(jìn)一步闡明。盡管已分離并鑒定了多種降解磺酰胺的微生物，但迄今為止，沒(méi)有進(jìn)行生物強(qiáng)化試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道。應(yīng)注意在自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)使用分離的降解劑來(lái)降解磺酰胺。