微藻生物系統(tǒng)去除抗生素和ARGs 的研究進(jìn)展

趙學(xué)宇,任淑靜,郭 寧,張歡歡,賈玉瑩,朱兆亮

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)

自1929 年青霉素被發(fā)現(xiàn)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(lái)促進(jìn)家禽等的生長(zhǎng)發(fā)育,在治療一些細(xì)菌類(lèi)疾病、進(jìn)行器官移植、外科手術(shù)等方面發(fā)揮了不可磨滅的作用。 隨著抗生素的濫用,越來(lái)越多的抗生素進(jìn)入了環(huán)境中,這些抗生素嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡,同時(shí)抗生素驅(qū)動(dòng)的抗生素耐藥基因(ARGs)和抗生素耐藥細(xì)菌(ARB)逐漸增加[1]。 此外,抗生素會(huì)進(jìn)入生態(tài)循環(huán),最終在人體內(nèi)進(jìn)行生物富集,對(duì)人類(lèi)身體健康造成嚴(yán)重威脅[2]。 目前,被應(yīng)用于廢水處理的方法有物理法、化學(xué)法和生物法,包括生物炭吸附、高級(jí)氧化技術(shù)、膜濾技術(shù)、光催化以及生物處理等方法。其中微藻生物處理技術(shù)逐漸引起世界各地研究人員的關(guān)注。 環(huán)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(shí)還能夠去除抗生素等污染物,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染,因此,利用微藻生物處理技術(shù)處理抗生素廢水具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。 然而微藻系統(tǒng)去除抗生素和ARGs 的過(guò)程復(fù)雜,去除機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。 本文系統(tǒng)地闡述了微藻對(duì)不同種類(lèi)抗生素的去除機(jī)制,總結(jié)了抗生素去除的重要影響因素,介紹了微藻對(duì)ARGs的去除效率,為抗生素廢水的有效去除提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 幾種典型抗生素的去除機(jī)理

微藻系統(tǒng)可以有效地去除幾種典型的抗生素。例如姜現(xiàn)靜等[5]研究發(fā)現(xiàn),微藻對(duì)氟喹諾酮類(lèi)抗生素去除率達(dá)到60%～90%;韋艷玲[6]研究發(fā)現(xiàn),微藻對(duì)氟苯尼考去除率達(dá)到70%～95%;另外,楊俊[7]研究發(fā)現(xiàn),微藻對(duì)四環(huán)素的去除效率可以達(dá)到75%～95%。 不同抗生素的物理化學(xué)性質(zhì)大不相同,因此,微藻對(duì)抗生素的去除機(jī)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(fā)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(guò)程。 生物降解是指微藻細(xì)胞通過(guò)酶促反應(yīng)使抗生素分解為小分子降解產(chǎn)物的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程可以發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)也可以發(fā)生在細(xì)胞外[8]。 生物累積是指抗生素在微藻細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行積累富集,從而實(shí)現(xiàn)抗生素去除的過(guò)程。 光生物降解是指抗生素在太陽(yáng)光的照射下發(fā)生的降解過(guò)程,包括藻類(lèi)不參與的直接光解與藻類(lèi)參與的間接光解。 另外,水解也是藻類(lèi)去除抗生素的一種方式。 研究[9]表明,微藻系統(tǒng)中抗生素是通過(guò)各種組合機(jī)制來(lái)去除的,其中生物吸附是微藻處理抗生素廢水過(guò)程中最常見(jiàn)的方式,生物降解已被證明是微藻生物處理技術(shù)中去除抗生素的最有效機(jī)制。

圖1 微藻系統(tǒng)中抗生素的去除機(jī)理Fig.1 Mechanism of Antibiotics Removal in Microalgae Systems

1.1 氟喹諾酮類(lèi)抗生素

氟喹諾酮類(lèi)抗生素的去除機(jī)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(fā)現(xiàn)環(huán)丙沙星被衣藻去除,其去除機(jī)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(guò)程中光生物降解約占78%,是最主要的去除方式。 Kiki 等[12]的團(tuán)隊(duì)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(lèi)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(nèi)酰胺類(lèi)抗生素

頭孢拉定和頭孢他啶是典型的β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素,Xiao 等[13]研究中發(fā)現(xiàn)小球藻去除頭孢拉定的能力很強(qiáng),在帶有小球藻的試驗(yàn)組中,處理24 h 后頭孢拉定的去除率達(dá)41.47%±0.62%,為無(wú)微藻對(duì)照組的去除率的3.4 倍,去除機(jī)制主要為生物降解。蛋白核小球藻對(duì)頭孢他啶最主要的去除機(jī)理是生物吸附與生物降解,去除效率可以達(dá)到93%。 對(duì)于β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素,最主要的去除機(jī)理為生物降解[13],且與無(wú)微藻系統(tǒng)相比,去除率大幅提升。

1.3 磺胺類(lèi)抗生素

研究指出,磺胺類(lèi)抗生素去除的主要機(jī)理為光生物降解和生物降解。 例如Garcia-Rodríguez 等[14]利用角果藻對(duì)磺胺吡啶處理21 d 后,發(fā)現(xiàn)暴露于光照下的磺胺吡啶去除率為45%,而沒(méi)有暴露于光照下的去除率僅為10%,這說(shuō)明角果藻和光照共同導(dǎo)致了磺胺吡啶的去除。 Xie 等[10]研究發(fā)現(xiàn),衣藻可以有效去除磺胺嘧啶,去除效率可以達(dá)到35.6%?；前奉?lèi)抗生素在光照條件下的去除率顯著高于無(wú)光照條件,有效地說(shuō)明了磺胺類(lèi)抗生素去除的主要機(jī)理為光生物降解和生物降解[6]。

1.4 大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素

大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素常見(jiàn)的有紅霉素、阿奇霉素等。 Wang 等[15]在研究中發(fā)現(xiàn),生物降解、生物吸附、水解和光生物降解都是導(dǎo)致紅霉素去除的途徑。在質(zhì)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(dá)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(dá)到了57.87%,其次是水解達(dá)到了34.13%,光生物降解僅占約5%。 Kiki 等[12]研究發(fā)現(xiàn),雨生小球藻在40 d 內(nèi)去除阿奇霉素時(shí)去除效率最大能達(dá)到78%,最主要的去除機(jī)制是生物降解。 大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)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(jī)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(lèi)

不同的微藻對(duì)抗生素的去除效果不同,因此,微藻種類(lèi)是抗生素廢水處理效率的重要影響因素。Guo 等[16]研究發(fā)現(xiàn),頭孢類(lèi)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(lèi)進(jìn)行生物吸附時(shí),小球藻表現(xiàn)出了更好的吸附能力,吸附生物量達(dá)到了4.74 mg/g,衣藻和麥克屬類(lèi)吸附的生物量?jī)H為3.09 mg/g 和2.95 mg/g。

2.2 抗生素種類(lèi)和濃度

藻類(lèi)對(duì)于不同種抗生素的耐受能力不同,因此對(duì)抗生素的去除能力也有差異。 Chen 等[17]研究發(fā)現(xiàn),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(shí),恩諾沙星的去除率最高,可達(dá)53%～73%,磺胺二甲嘧啶的去除率可達(dá)16%～33%,磺胺嘧啶的去除率最低,僅為11%～24%。 Xiao 等[13]在研究中發(fā)現(xiàn),蛋白核小球藻對(duì)阿莫西林和諾氟沙星的去除率相差極大,對(duì)阿莫西林的去除率可以達(dá)到91.13%,然而對(duì)諾氟沙星的去除率僅有7.89%。 因此,藻類(lèi)去除抗生素廢水有較強(qiáng)的特異性,在面對(duì)不同種類(lèi)的抗生素選擇合適的藻類(lèi)能夠顯著提高去除效率。 另外,藻類(lèi)對(duì)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(fā)現(xiàn),磺胺二甲嘧啶質(zhì)量濃度從0.025 mg/L 增至0.25 mg/L 時(shí),斜生柵藻對(duì)其去除率從31%增至62%。 Cheng 等[19]發(fā)現(xiàn)隨著替米考星初始質(zhì)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(xì)胞內(nèi)外濃度差增大,促進(jìn)了替米考星在細(xì)胞表面的吸收。

2.3 水力停留時(shí)間(HRT)

HRT 是微藻去除抗生素過(guò)程中一個(gè)重要的因素,一般來(lái)說(shuō),用于光生物反應(yīng)器廢水處理的HRT為2～10 d[20]。 較長(zhǎng)的HRT 更有利于微藻充分地進(jìn)行生物吸附、生物降解等活動(dòng),進(jìn)而提高對(duì)抗生素的去除效率。 例如,Norvill 等[21]研究發(fā)現(xiàn),高效率藻池中的HRT 從4 d 增至7 d 時(shí),四環(huán)素的去除率由93%提高至99%。 Peng 等[22]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于HRT為1 d 的生物膜光生物反應(yīng)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(shí),其去除率分別增至79.2%、76.7%和82.1%。

2.4 pH

pH 是影響藻類(lèi)吸附去除抗生素的重要因素,例如,Daneshvar 等[23]研究發(fā)現(xiàn)四尾藻在pH 值為2 時(shí)對(duì)四環(huán)素的去除效率接近0,當(dāng)pH 值為8 時(shí)去除效率可以達(dá)到49%,pH 繼續(xù)升高后去除效率會(huì)降低至30%。 該結(jié)果可能是pH 改變了微藻細(xì)胞膜的電荷,同時(shí)對(duì)抗生素的電離也產(chǎn)生影響,具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

2.5 光照

光照強(qiáng)度會(huì)影響微藻的生長(zhǎng),進(jìn)而影響廢水中抗生素的去除。 較高的光照會(huì)促進(jìn)微藻對(duì)抗生素的去除,但是過(guò)高的光照強(qiáng)度會(huì)損害微藻葉綠體的光系統(tǒng),降低微藻的代謝活動(dòng)和抗生素的去除效率。Du 等[24]在研究中發(fā)現(xiàn),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(dá)60.89%和37.08%,是2 500 Lux 下的兩倍左右。

表1 總結(jié)了微藻去除抗生素過(guò)程中的影響因素。

表1 微藻去除抗生素過(guò)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(yīng)用

抗生素的濫用導(dǎo)致抗生素在納克每升至毫克每升的質(zhì)量濃度下殘留在環(huán)境中,并對(duì)環(huán)境中的微生物形成持續(xù)的選擇壓力,誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性,促進(jìn)ARB 和ARGs 的大量增殖,給人類(lèi)健康帶來(lái)潛在的威脅。 而微藻在去除抗生素的同時(shí)對(duì)ARGs 的去除也有顯著效果。 Cheng 等[26]研究發(fā)現(xiàn),嗜硫原始紅藻廢水處理系統(tǒng)的出水與傳統(tǒng)污泥處理系統(tǒng)相比,twtS 和blaTEM的相對(duì)豐度均下降約50%,qnrA 和ermB 等基因的相對(duì)豐度都有不同程度的下降。 同時(shí)嗜硫原始紅藻反應(yīng)器中噬菌體中qnrS、sul1 和Intl1 的相對(duì)豐度也顯著低于污泥反應(yīng)器。 另外,Cheng 等[27]研究表明,抗生素廢水經(jīng)傳統(tǒng)污泥系統(tǒng)處理后明顯產(chǎn)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(tǒng)中只產(chǎn)生了1 個(gè)新的亞型,并且僅有4 種ARGs 亞型存活。 除了微藻系統(tǒng),菌藻共生系統(tǒng)與傳統(tǒng)污泥處理系統(tǒng)相比,去除ARGs 能力也大幅提升。 Liu等[28]研究發(fā)現(xiàn),好氧顆粒污泥系統(tǒng)和菌藻共生好氧顆粒污泥系統(tǒng)中檢測(cè)到ARG 的種類(lèi)數(shù)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(tǒng)中ARGs 相對(duì)豐度分別為1.17 和2.69,而菌藻共生好氧顆粒污泥系統(tǒng)的相對(duì)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(tǒng)中ARGs 相對(duì)豐度明顯降低。

目前,微藻對(duì)ARGs 的去除機(jī)制仍不明確,主要涉及3 個(gè)過(guò)程(圖2)。 (1)微藻細(xì)胞對(duì)移動(dòng)基因元件的吸收內(nèi)吞作用。 移動(dòng)基因元件(可傳播的質(zhì)粒和整合子)通過(guò)積累ARGs 在水環(huán)境中的持續(xù)和傳播發(fā)揮重要作用。 因此,ARGs 的減少可以通過(guò)去除含有ARGs 的移動(dòng)基因元件而實(shí)現(xiàn)。 微藻細(xì)胞可以吸收并內(nèi)吞攜帶sul1 的外源質(zhì)粒,而微藻細(xì)胞可以吸收并內(nèi)吞攜帶ARGs 的外源質(zhì)粒及其他移動(dòng)元件,從而達(dá)到去除ARGs 的目的[29]。 (2)微藻細(xì)胞分泌的EPS 對(duì)質(zhì)粒的吸附作用。 EPS 能夠促進(jìn)含有ARGs 質(zhì)粒在微藻細(xì)胞表面吸附,從而加速微藻細(xì)胞對(duì)質(zhì)粒的吸收內(nèi)吞作用實(shí)現(xiàn)ARGs 的去除。(3)微藻細(xì)胞產(chǎn)生活性氧自由基(ROS)猝滅劑過(guò)程。 ROS 可以促進(jìn)ARGs 的傳播[30],而微藻可以產(chǎn)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(lèi)產(chǎn)生的類(lèi)胡蘿卜素可以猝滅抗生素產(chǎn)生的ROS,進(jìn)一步阻斷了ARGs 的傳播途徑,促進(jìn)了ARGs 的去除。 因此,微藻的加入可以實(shí)現(xiàn)ARGs 的去除,但具體的去除機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

圖2 微藻系統(tǒng)中ARGs 的去除機(jī)制Fig.2 Mechanism of ARGs Removal in Microalgae Systems

4 結(jié)論

本文總結(jié)了微藻去除抗生素的主要機(jī)理,闡述了抗生素去除效率的影響因素,介紹了藻類(lèi)對(duì)ARGs 的去除效果。 然而微藻對(duì)抗生素及ARGs 的去除過(guò)程復(fù)雜,出水中仍含有較高濃度的ARGs,危害人類(lèi)身體健康和生態(tài)平衡。 因此,實(shí)現(xiàn)抗生素及ARGs 的有效去除依然存在挑戰(zhàn)。 基于以上問(wèn)題,今后的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。

(1)探討了藻類(lèi)對(duì)抗生素的去除路徑,明確了抗生素降解過(guò)程中的中間產(chǎn)物以及降解產(chǎn)物,總結(jié)了抗生素去除過(guò)程中相關(guān)功能基因,闡明了抗生素去除機(jī)理。

(2)探討了微藻細(xì)胞分泌的非酶類(lèi)抗氧化物質(zhì)對(duì)ROS 的猝滅機(jī)制,明確了非酶類(lèi)物質(zhì)在ARGs去除中的具體作用,闡明了藻類(lèi)對(duì)ARGs 的去除機(jī)理。

(3)應(yīng)開(kāi)發(fā)藻類(lèi)與高級(jí)氧化法的組合工藝,在抗生素高效去除的基礎(chǔ)上,通過(guò)與高級(jí)氧化技術(shù)的結(jié)合,進(jìn)一步促進(jìn)ARGs 的去除。