我國水環(huán)境中抗生素污染的研究進展

殷強　付崢嶸

摘要介紹了抗生素在我國水環(huán)境中的主要來源及積累產(chǎn)生的危害。闡明了水環(huán)境中抗生素遷移轉(zhuǎn)化的主要機理，即吸附、水解、光解及生物轉(zhuǎn)化等。整合了目前常用來去除水環(huán)境中抗生素的技術(shù)。最后探討了我國水環(huán)境中抗生素去除的發(fā)展方向及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞抗生素；水環(huán)境；遷移轉(zhuǎn)化；AOPs；活性炭吸附；生物技術(shù)

中圖分類號S181.3；X52文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）31-0050-02

AbstractThe main sources and the accumulated hazards of antibiotics in water environment in China were briefly introduced. The main migration and conversion mechanism of the adsorption， hydrolysis， photolysis and biotransformation of antibiotics in water environment were elucidated. The common removal technologies of antibiotics were integrated. The prospect of the application and development of antibiotics rempval in water environment in China were also discussed.

Key wordsAntibiotics；Water environment；Migration and transformation；AOPs；Activated carbon adsorption；Biotechnology

抗生素（Antibiotics）是一種治療和預(yù)防各種細菌、致病微生物感染疾病的化學(xué)物質(zhì)，天然的抗生素不下萬種。PPCPs是一種新型污染物，包括各類抗生素、藥品、化妝品等，其中我國調(diào)查的158種PPCPs中，占據(jù)研究種類前十的物質(zhì)都屬于抗生素[1]。而抗生素污染屬于藥品及個人護理品PPCPs污染，嚴重威脅著人類健康。抗生素在水環(huán)境中的污染問題已受到各國重視。我國水環(huán)境中殘留的抗生素檢測手段日趨成熟，目前已在各類水體中檢測到不同濃度的抗生素。筆者就抗生素在我國水環(huán)境中的來源、危害及去除技術(shù)等進行了探討。

1抗生素在我國水環(huán)境中的來源

我國水環(huán)境中的抗生素主要來源于污水處理廠、制藥廠、醫(yī)院、農(nóng)業(yè)耕地、畜牧養(yǎng)殖地等[2]。在養(yǎng)殖畜禽及人體疾病治療的過程中，有機體只能吸收小部分抗生素，大部分抗生素由有機體排泄進入水環(huán)境中，難以被現(xiàn)有的污水處理廠去除，最終大部分抗生素進入水體，污染了地表水源；含有抗生素的農(nóng)藥，在經(jīng)過土壤滲透后進入地下水體，污染了地下水源[3-4]。

1.1抗生素在地表水中的污染

多種抗生素已經(jīng)在我國地表水中被檢測出，其含量已經(jīng)超標。石浩[5]研究已檢測出68種抗生素和90種非抗生素類醫(yī)藥成分，且檢測地區(qū)大部分為沿海發(fā)達城市。有些抗生素藥品制藥廠偷排含抗生素的污廢水，嚴重污染了水體，造成了地表水的污染；有些醫(yī)院的污廢水未經(jīng)過深度處理就排入了污水管網(wǎng)，一些抗生素類的藥劑瓶丟棄在環(huán)境中，最終進入水環(huán)境，造成重大污染；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，含有大量抗生素的農(nóng)藥殘留在植物上，經(jīng)過雨水的沖刷進入水體，也會造成地表水的污染。

1.2抗生素在污水處理廠出水中的污染

人體服藥后難以代謝分解大部分抗生素，這些抗生素經(jīng)排泄后進入生活污水，而污水處理廠的現(xiàn)有工藝難以清除藥物殘留成分，大部分抗生素仍存在于污水處理廠中[6]。

1.3抗生素在地下水中的污染

抗生素可通過受污染地表水和垃圾填埋場滲濾液的滲濾作用進入地下水，相關(guān)研究人員已經(jīng)在地下水中檢測到抗生素藥物，多處地區(qū)的地下水受到污染，并且為了深入研究抗生素在水環(huán)境中的轉(zhuǎn)化機理，目前對地下水中抗生素的研究越來越多[7]。

2抗生素在我國水環(huán)境中的危害

水環(huán)境中的抗生素是微量的，長期飲用含微量抗生素的水，會使生物慢性中毒。抗生素經(jīng)過食物鏈不斷向上一級傳遞，在生物體內(nèi)蓄積富集，最終可能會使生物體發(fā)生質(zhì)變。微量的抗生素也可能會影響人體的細胞，如腎細胞、血液細胞和癌細胞等。

2.1對水生動物的毒性效應(yīng)

抗生素作用于人體和動物體內(nèi)產(chǎn)生細菌及致病微生物，會對水體中魚類等水生動物產(chǎn)生惡性影響。許多畜牧養(yǎng)殖場中對含有抗生素的動物糞便用水沖洗，最終進入水體；水產(chǎn)養(yǎng)殖場中的抗生素類藥物直接排入水體。這些殘留的抗生素一部分被水生動物吸收，一部分溶解于水中，另一部分沉積在底泥中。有學(xué)者研究認為，抗生素對動物肝臟、腎臟和生殖器官等具有顯著的毒性效應(yīng)[8]。

2.2對水生植物的毒性效應(yīng)

藻類屬于初級生產(chǎn)者，在生態(tài)系統(tǒng)中，藻類利用光合作用和呼吸作用進行物質(zhì)交換和能量流通，當水體受到污染時，水體中的分解者（細菌）失去了生態(tài)平衡，導(dǎo)致水體的持續(xù)性污染，水體自凈能力下降，從而使水生植物也受到傷害[9]。

2.3對人體健康的毒理效應(yīng)

抗生素會殘留在飲用水中，其含量通常較低，目前飲用水處理工藝難以將其完全去除，長期攝入含抗生素的飲用水，會增加機體內(nèi)病菌的耐藥性，降低人體免疫力；動物體內(nèi)的抗生素經(jīng)過食物鏈不斷向上一級傳遞，直至傳遞給人類，可能會引發(fā)過敏反應(yīng)（如青霉素可發(fā)生過敏性休克、皮疹和藥物熱等）甚至食物中毒；部分抗生素藥物可能會使人體機能紊亂；部分抗生素藥物在殺滅細菌的同時，會產(chǎn)生毒性效應(yīng)（如蛋白質(zhì)羰基化、核苷酸氧化、DNA雙鏈斷裂等）[10]。

3水環(huán)境中抗生素遷移轉(zhuǎn)化的主要機理

抗生素通常會經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化和非生物轉(zhuǎn)化2種途徑進入水環(huán)境中，非生物轉(zhuǎn)化包括吸附、水解、光解等。

3.1吸附

吸附過程主要在土壤中進行。物理吸附是指抗生素利用物理作用力等吸附在水環(huán)境中。而當抗生素與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成絡(luò)合物或螯合物吸附在水環(huán)境中，則為化學(xué)吸附。若抗生素的吸附能力較強，則抗生素在水環(huán)境中可以穩(wěn)定保存；若抗生素的吸附能力弱，則抗生素在外界作用下極易進入水環(huán)境中[11]。

3.2水解

水解過程是指可溶性的抗生素在水體中通過水解作用進行自身降解。水溶液的酸堿度直接影響抗生素的水解速率與程度，若水溶液偏酸性，則磺胺類抗生素易水解且水解速率較快；若水溶液顯中性，則磺胺類抗生素不發(fā)生水解[12]。

3.3光解

光解過程是一種非生物過程，可去除表層水中的抗生素。光子與抗生素發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)稱為直接光解，而間接光解是指水溶液中的自然光敏物質(zhì)（硝酸鹽、腐殖酸等）在光照作用下產(chǎn)生基團，能夠吸收光子，并作用于抗生素使其降解。污水處理廠的許多水處理構(gòu)筑物（沉砂池、初沉池、曝氣池、二沉池等）都是露天設(shè)置，抗生素在光照作用下易發(fā)生光解[13]。

3.4生物轉(zhuǎn)化

生物轉(zhuǎn)化過程是利用微生物作用改變抗生素結(jié)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)化為小分子化合物。抗生素長期存在于水體中，使微生物產(chǎn)生抗體，從而降低了微生物的降解作用[14]。

4水環(huán)境中常用的抗生素去除技術(shù)

“混凝—沉淀—過濾—消毒”作為常規(guī)處理，在工藝上難以去除抗生素類藥物，目前常用于去除水環(huán)境中抗生素的技術(shù)有物理化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)等，其中物理化學(xué)技術(shù)包括活性炭吸附技術(shù)、膜過濾技術(shù)、高級氧化技術(shù)等。

4.1活性炭吸附技術(shù)

活性炭因孔隙較多，故比表面積較大，可以吸附水中的可溶性、低含量、難降解的污染物。活性炭強大的吸附性、催化性及還原性可去除水中的抗生素污染物。

劉夢薇[15]研究靜態(tài)模式及連續(xù)流模式下新型碳納米材料活性炭纖維（ACFs）對磺胺類抗生素SMX和SA-Na的吸附作用，結(jié)果表明：連續(xù)流模式下活性炭纖維過濾器能有效去除SMX和SA-Na，在1 V的外加電壓下，SMX和SA-Na的最高去除率均可接近100%。

4.2膜過濾技術(shù)

膜過濾技術(shù)利用半透膜的選擇透過性對不同理化性質(zhì)的2種物質(zhì)進行有效分離。具備選擇透過性膜的孔徑非常細，因此成本較高。常用的半透膜有微濾膜、超濾膜、納濾膜等[16]。膜過濾技術(shù)具有處理效果好、占地面積少、能耗低等特點。

王金榮等[17]采用“陶瓷膜超濾+反滲透”組合工藝處理含有抗生素的發(fā)酵液廢水，結(jié)果表明：超濾和反滲透相結(jié)合，使得出水COD降到50 mg/L以下；陶瓷膜可以防止抗生素廢水的毒性，對抗生素具有較好的去除效果；恒定的流量輔以反沖洗，既能節(jié)約成本，又能提高處理效果。

4.3高級氧化技術(shù)（AOPs）

AOPs置于生化處理單元后，作為強化處理單元，去除生化處理難以去除的污染物，AOPs利用具有強氧化性的自由基使水中有機物氧化分解，故AOPs 可去除水體中的抗生素。自由基的氧化還原電位很高，與大分子有機物反應(yīng)，使其氧化分解[18]。

AOPs包括：化學(xué)氧化法，利用強氧化劑（O3、ClO2、H2O2、KMnO4）氧化污染物；電化學(xué)氧化法，一種是利用強氧化性基團氧化有機污染物；另一種是電極（石墨、TiO2、Pt、金剛石等）表面產(chǎn)生氧化劑與有機污染物接觸進行氧化還原反應(yīng)；超聲氧化法、光催化氧化法及聯(lián)合處理方法等，其中聯(lián)合處理法主要有芬頓法、紫外線臭氧光解氧化法、O3/H2O2法。AOPs的特點是高效無害。

孫秋月[19]利用臭氧催化氧化工藝去除飲用水中的典型抗生素，結(jié)果表明：阿莫西林（Amoxicillin）、土霉素（Oxytetracycline）和四環(huán)素（Tetracycline）的去除率為85%～90%，紅霉素（Erythrocin）、磺胺二甲嘧啶（Sulfadimidine）及磺胺甲噁唑（Sulfamethoxazole）幾乎完全被去除。

4.4生物技術(shù)

生物技術(shù)是利用微生物的共同代謝及混合機制增長來降解抗生素，是一種重要的降解途徑。生物技術(shù)的特點是經(jīng)濟、易運行、可強化等，是目前常用的去除有機污染物的方法，包括好氧生物法（活性污泥法、生物接觸氧化法）、厭氧生物法（UASB、厭氧復(fù)合床）及組合處理法（SBR、MBR）等方法[20]。微生物在處理污水過程中，若受到抗生素的毒性效應(yīng)，則會降低生物處理部分的效率。

丁佳麗[21]采用間歇曝氣式膜生物反應(yīng)器（AMBR）處理長江三角洲地區(qū)大型養(yǎng)豬場中含有4類11種獸用抗生素的養(yǎng)豬廢水，結(jié)果表明：IAMBR對廢水中抗生素的去除大部分為生物分解，小部分被污泥吸附，對磺胺類（Sulfonamides）和四環(huán)素的去除率分別為95.8%、87.5%。

5結(jié)語

抗生素是新興的有機污染物，對我國水環(huán)境造成了嚴重污染。我國的污染物排放標準已經(jīng)有很多不能適應(yīng)當前的環(huán)境需求，如地表水的109項水質(zhì)檢測指標中并沒有抗生素的檢測標準，常規(guī)飲用水處理工藝也難以去除水體中殘留的全部抗生素。水體中不應(yīng)該含有具有生物活性的抗生素，相關(guān)部門對于抗生素的排放沒有明確標準，且低濃度的抗生素難以體現(xiàn)在化學(xué)需氧量（COD）上。

目前來看，光降解和高級氧化技術(shù)是降解去除水環(huán)境中抗生素的有效途徑，但是需要研究出高效的催化劑并投入生產(chǎn)使用；而半導(dǎo)體光催化是高級氧化技術(shù)中新興的技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景；膜過濾技術(shù)及電化學(xué)氧化法的成本及能耗相對較高；活性炭吸附及生物技術(shù)的結(jié)合可提高整體抗生素的去除率。

我國每年的抗生素使用量巨大，但是尚無藥品可以替代抗生素，因此仍需相關(guān)專業(yè)人士解決水體中抗生素的分布規(guī)

律、代謝轉(zhuǎn)化、污染狀況及毒理研究，改進現(xiàn)有的污水處理工藝，提高飲用水中的抗生素去除率，為我國水環(huán)境污染修復(fù)提供可靠的數(shù)據(jù)[22]。

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