張欣陽(yáng)， 許旭萍

福建師范大學(xué)，生命科學(xué)學(xué)院，福州 350108

抗生素是一類由真菌、放線菌、細(xì)菌在其代謝過(guò)程中產(chǎn)生的具有殺滅或抑制他種生物(主要是微生物)功能的化學(xué)物質(zhì)，數(shù)十年來(lái)已被大量的應(yīng)用?？股刂饕é?內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類、鏈霉素和氯霉素等五大類，能在不同程度上起到抑菌、抗菌和殺菌作用。以用途來(lái)分，還可分為人用和獸用兩種。20世紀(jì)40年代以來(lái)，抗生素在作為藥物治療動(dòng)物疾病的同時(shí)，也被用于飼料的添加劑以促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)。其中四環(huán)素類抗生物是獸藥抗生素中最主要的一類，因其廣譜性、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)畜牧飼養(yǎng)業(yè)中使用量最大的一類抗生素［1］。有研究表明，四環(huán)素類抗生素進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后不能夠被完全吸收，約75%以原型或母體化合物的形式排出體外［2］。由于此類抗生素結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生物降解困難且水溶性較好，很容易在環(huán)境中存儲(chǔ)和積累。這些抗生素進(jìn)入環(huán)境中會(huì)對(duì)微生物及植物種群產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而對(duì)人類的健康、生存造成危害，因此被視為重要的污染物［3］。其他農(nóng)用、獸用抗生素在應(yīng)用后也均存在殘留和環(huán)境污染問(wèn)題。

目前，對(duì)抗生素污染的處理方法主要分為非生物降解和生物降解兩種［4］。非生物降解方法多為物理或化學(xué)手段，主要方式有光解、水解和氧化降解等。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速、去除率高。然而近些年國(guó)內(nèi)外均有研究表明，應(yīng)用于抗生素降解中的化學(xué)材料對(duì)環(huán)境也存在一定程度的毒副作用［5，6］。生物降解的主要方式為微生物降解、植物降解以及植物－微生物復(fù)合降解［7］?？股剡M(jìn)入環(huán)境中最主要的降解途徑就是微生物降解［8］。能夠發(fā)生降解的主要原因是抗藥細(xì)菌或真菌的作用。微生物降解按照參與反應(yīng)的微生物種類可以為分為單一菌株降解和復(fù)合菌系降解;按照生物處理技術(shù)手段主要可以分為好氧生物處理法、厭氧生物處理法、厭氧－好氧生物組合法以及固定化微生物處理法等。以往傳統(tǒng)的單一處理方法已很難解決日益復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題，越來(lái)越多的生物組合處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。探尋新型抗生素降解方法，利用生物吸收或降解抗生素是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。就目前而言，關(guān)于利用微生物方法吸收或降解抗生素的報(bào)道并不多見，因此，本文僅對(duì)近些年國(guó)內(nèi)外采用微生物方法取得的研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析，進(jìn)而為未來(lái)使用微生物資源和技術(shù)處理環(huán)境中抗生素污染物提供參考。

1 利用單一菌株處理抗生素污染物

已有報(bào)道顯示光合菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌、發(fā)酵絲狀菌、芽胞桿菌和硝化細(xì)菌等都具有降解抗生素的功能［8］。許曉玲等［9］從長(zhǎng)期堆放四環(huán)素藥渣的土壤中篩選得到2株四環(huán)素降解菌株，經(jīng)過(guò)鑒定分別為缺陷短波單胞菌(Brevundimonas diminuta)和人蒼白桿菌(Ochrobactrum anthropi)。這兩株菌的降解機(jī)理是能夠利用四環(huán)素作為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。對(duì)這2株菌進(jìn)行碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、接種量和培養(yǎng)條件的優(yōu)化后，對(duì)四環(huán)素降解率均達(dá)到了90%以上。王立群等［10］對(duì)β-內(nèi)酰胺環(huán)類抗生素生產(chǎn)廢水進(jìn)行有效處理分離得到4株高效的有機(jī)物降解菌并對(duì)β-內(nèi)酰胺環(huán)類抗生素具有較高抗性。鑒定結(jié)果顯示，4株菌分別屬于不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、埃希氏菌屬(Escherichia)和芽胞桿菌屬(Bacillus)。經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化后，對(duì)水樣中化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)的測(cè)定結(jié)果顯示，各效應(yīng)菌株均對(duì)抗生素廢水中的有機(jī)物有明顯的去除效果。馬志強(qiáng)等［11］從長(zhǎng)期堆放抗生素藥渣的土壤中篩選到一株四環(huán)素高效降解菌，16S rDNA鑒定為無(wú)丙二酸檸檬酸桿菌(Citrobacter amalonaticus)，該菌株在優(yōu)化條件后，可在72 h降解藥渣中86.1%的四環(huán)素，與其他報(bào)道的降解菌相比顯示出高效性。馮福鑫等［12］從抗生素制藥廠污水中分離篩選得到一株高效四環(huán)素降解菌，鑒定結(jié)果顯示該菌為酵母菌Trichosporon mycotoxinivorans，經(jīng)過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)條件，該菌株對(duì)初始濃度600 mg/L的四環(huán)素降解率為83.63%，顯示了該菌株對(duì)高濃度四環(huán)素廢水的耐受和降解能力。Wen等［13］將從白腐真菌中提取的木質(zhì)素過(guò)氧化物酶(LiP)用于四環(huán)素和土霉素的降解，研究發(fā)現(xiàn)LiP的降解能力受pH及溫度的影響較大，并且加入一定量的H2O2可以提升降解能力。在優(yōu)化后的反應(yīng)條件下，LiP對(duì)50 mg/L的四環(huán)素和土霉素的降解率在5 min內(nèi)均可達(dá)到95%左右。Prieto等［14］還發(fā)現(xiàn)從云芝中提取到的漆酶(LAC)對(duì)諾氟沙星和環(huán)丙沙星也有良好的降解效果。阿維菌素作為大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，雖然不能夠抗細(xì)菌、真菌，卻擁有獨(dú)特的抗蟲活性，因而作為抗生素殺蟲劑在農(nóng)田間廣泛使用，針對(duì)阿維菌素的污染降解研究發(fā)現(xiàn)，洋蔥伯克霍爾德菌(Burkholderia cepacia)的菌株GB-01和嗜熱脂肪芽胞桿菌(Bacillus stearothermophilus)對(duì)其均有良好的降解效果［15，16］。嗜熱脂肪芽胞桿菌對(duì)100 mg/L的阿維菌素降解率可以在72 h達(dá)到77.6%，而菌株GB-01則更佳，在30～36 h之內(nèi)就可以使同濃度的阿維霉素降解90%以上。從以上研究可以看出，使用單一微生物降解抗生素是一種高效無(wú)污染的綠色手段，可以進(jìn)一步尋找更為有效的抗生素降解菌。但以上研究多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，缺少應(yīng)用于自然環(huán)境中的實(shí)際成果。

2 利用復(fù)合菌系處理抗生素污染

2.1 堆肥技術(shù)處理含有抗生素的有機(jī)固體廢棄物

堆肥技術(shù)可以使有機(jī)固體廢棄物轉(zhuǎn)換成有用的物質(zhì)和能源，協(xié)調(diào)自然界物質(zhì)循環(huán)與人類社會(huì)物質(zhì)循環(huán)，且投資較低、技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)外被廣泛使用。養(yǎng)殖畜禽糞便中含有多種殘留抗生素，因此堆肥技術(shù)也應(yīng)用于抗生素降解的研究中。堆肥過(guò)程中抗生素的降解是微生物活動(dòng)和非微生物因素共同作用的結(jié)果［17］。其中微生物復(fù)合菌系的作用是糞便中抗生素降解的主要原因之一。有報(bào)告指出，堆肥過(guò)程中發(fā)揮主要作用的是嗜熱菌和嗜溫菌兩種微生物。堆肥初期，嗜熱菌快速降解易降解有機(jī)物使堆肥溫度升高，隨著易降解有機(jī)物的減少，堆肥溫度降低，嗜溫菌適宜生長(zhǎng)并緩慢分解較難降解的有機(jī)物，使堆肥逐漸腐熟穩(wěn)定［18］。

研究表明，影響堆肥是否成功的主要因素有水分、含氧量、堆肥材料的C/N、溫度及pH。C/N與堆肥的腐熟度、曝氣率有關(guān)，會(huì)影響堆肥的穩(wěn)定性，因而成為最關(guān)鍵的條件［19］。而上述條件主要都是為了使微生物能夠良好生長(zhǎng)。Ramaswamy等［20］對(duì)堆肥降解家禽糞便中的鹽霉素進(jìn)行了研究，在C/N為25∶1的條件下，99%的鹽霉素降解需要38 d以上。之前已有報(bào)告指出，鹽霉素在豬糞便中的降解主要依靠微生物降解，物理和化學(xué)降解影響不大，但糞便中鹽霉素含量與降解速率成負(fù)相關(guān)［21］，這說(shuō)明微生物受抗生素濃度影響較大，要想得到良好的堆肥效果，如何通過(guò)合適的外界條件使得微生物體系保持較高活性至關(guān)重要。

Hu等［22］研究了以腐殖化糞草混合物(雞糞、豬糞和稻草)為原料進(jìn)行堆肥，金霉素、四環(huán)素和土霉素在45 d內(nèi)能夠被降解93%，且經(jīng)X-射線衍射證明，堆肥后形成的產(chǎn)物為鳥糞石(磷酸銨鎂)。目前關(guān)于堆肥后形成具體產(chǎn)物的研究不多，由于鳥糞石是一種優(yōu)良的氮磷肥料，因此該報(bào)告也證明了堆肥是一種資源化去除抗生物污染的穩(wěn)定技術(shù)。沈穎等［23］也對(duì)豬糞中殘留的3種四環(huán)素類抗生素進(jìn)行了研究，正交結(jié)果顯示土霉素和四環(huán)素降解受溫度影響最大，而金霉素則受含水率的影響較多，但降解率都與溫度成正相關(guān)，且均在14 d時(shí)達(dá)到降解最大值。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)表明在堆肥過(guò)程中細(xì)菌、真菌和放線菌3類微生物均存在，其中細(xì)菌為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌且多為革蘭氏陽(yáng)性菌，推測(cè)其在堆肥降解抗生素的過(guò)程發(fā)揮了主要的作用。

由于堆肥過(guò)程中自然存在的微生物菌群具有不固定性，因此除了適宜的外界環(huán)境條件外，加入特定抗生素高效降解菌也是提高堆肥過(guò)程中抗生素降解效率的有效手段。Wang等［24］通過(guò)研究指出，在堆肥中接種土霉素高效降解菌可以有效提高好氧堆肥中土霉素的降解效率。沈東升等［25］在對(duì)豬糞的無(wú)害化處理中加入了土霉素高效降解菌Staphylococcus sp.，與不接種該菌株的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)土霉素的降解率提高了約20%。這與Wang等［24］的結(jié)論相似。該菌株的優(yōu)點(diǎn)在于利用土霉素作為碳源進(jìn)行代謝的過(guò)程對(duì)維持堆肥體系中微生物種群的活性和多樣性有明顯的幫助，使得整個(gè)復(fù)合菌系在降解抗生素的同時(shí)也降解了其他的有機(jī)廢棄物。張樹清等［26］在對(duì)3種四環(huán)素類抗生素處理的過(guò)程中加入一種可以促進(jìn)抗生素降解的芽胞桿菌生物復(fù)合制劑，結(jié)果顯示加入菌劑實(shí)驗(yàn)組的降解率明顯好于不加菌劑的實(shí)驗(yàn)組。秦莉等［27］在以雞糞和秸稈為原料的堆肥中馴化出具有降解纖維素和金霉素雙重功能的復(fù)合菌系，接種該復(fù)合菌系的實(shí)驗(yàn)組中金霉素的降解率為82.23%，高于不接復(fù)合菌系的金霉素降解率(60%)。且實(shí)驗(yàn)表明該復(fù)合菌系能夠在50℃快速繁殖，提高降解效率，適用于高溫好氧堆肥環(huán)境。此外，復(fù)合菌劑除了應(yīng)用于堆肥中具有良好的效果，在對(duì)抗生素廢水進(jìn)行處理中也有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 生物技術(shù)處理抗生素廢水

2.2.1 好氧生物法 常用的好氧技術(shù)主要包括活性污泥法、生物膜法、生物接觸氧化法、深井曝氣法和延時(shí)曝氣等方法。好氧處理具有效率高、速度快、投資少及選材廣等優(yōu)點(diǎn)?；钚晕勰喾ń?jīng)常用于抗生素廢水的處理。研究發(fā)現(xiàn)，用活性污泥法處理抗生素廢水時(shí)，四環(huán)素生物降解量為28% ～35%，屬于弱降解物質(zhì)，和其他研究指出四環(huán)素主要發(fā)生的是生物吸附而不是生物降解是一致的［28，29］。Li等［29］共研究了6 類11 種抗生素用活性污泥方法在淡水和鹽水兩種系統(tǒng)中處理的結(jié)果。結(jié)果顯示在兩種系統(tǒng)中，頭孢氨芐和2種磺胺類抗生素主要都是發(fā)生生物降解;3種氟喹諾酮藥物、氨芐青霉素、四環(huán)素、羅紅霉素以及甲氧芐啶主要發(fā)生的是吸附作用，其中四環(huán)素在15 min就可以達(dá)到90%的吸附，活性污泥對(duì)3種氟喹諾酮藥物的吸附能力在存在二價(jià)陽(yáng)離子的鹽水系統(tǒng)中顯著下降，但也發(fā)生一定的生物降解，而紅霉素在兩種系統(tǒng)中均不能完全去除。

好氧生物處理法的主要問(wèn)題在于抗生素工業(yè)廢水是高濃度有機(jī)廢水，該方法需要對(duì)原廢液進(jìn)行十倍乃至百倍的稀釋;并且好氧法存在動(dòng)力消耗大、處理成本高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到一定的限制［30］。近些年，好氧生物法已朝著與其他多種處理方式相組合的方向發(fā)展。

2.2.2 厭氧生物法 厭氧生物法是利用兼性厭氧菌和專性厭氧菌將污水中大分子有機(jī)物降解為低分子化合物，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳的有機(jī)污水處理方法［31］。主要包括上流式厭氧污泥床(up-flow anaerobic sludge bed，UASB)工藝和厭氧復(fù)合床法。這種方法用于處理抗生素廢水，運(yùn)行成本低、能耗少。但這種方法的處理效果不佳、處理后的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，還要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理。楊軍等［32］用UASB工藝對(duì)林可霉素生產(chǎn)廢水的厭氧生物處理工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)初始化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)為 8 000 ～14 000 mg/L，水力停留時(shí)間10 h，COD的去除率達(dá)50%～55%。厭氧生物處理動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，不可生物降解的物質(zhì)約占總COD比例的1/3，推測(cè)可能是影響處理效果的主要原因。

在實(shí)際的廢水處理中，由于單獨(dú)好氧生物處理或是單獨(dú)厭氧生物處理都存在自身難以克服的缺點(diǎn)，難以滿足出水達(dá)標(biāo)排放的要求，因而從80年代開始，厭氧－好氧生物組合工藝逐漸發(fā)展為抗生素廢水處理的主要工藝，該組合具有好氧和厭氧的雙重優(yōu)點(diǎn)［33］。

2.2.3 厭氧－好氧生物組合 厭氧－好氧生物組合主要包括序批式活性污泥法反應(yīng)器(sequencing batch reactor activated sludge process，SBR)法、水解酸化－膜生物反應(yīng)器(menbrane bioreactor，MBR)法等。近些年為尋求良好的處理效果，多采用多種生物技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用處理抗生素廢水。姜友蕾等［34］用UASB-絮凝-SBR的組合方法處理含有頭孢類抗生素的廢水，減輕了整個(gè)工藝的負(fù)擔(dān)，COD去除率高，有機(jī)大分子物質(zhì)去除較好，能夠達(dá)到國(guó)家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，但工藝流程較為復(fù)雜。楊俊仕等［35］采用水解酸化-AB生物法新工藝法處理多種抗生素廢水，工藝流程短，較為節(jié)能。其中水解酸化菌為兼性厭氧菌和專性厭氧菌，種類多、代謝快;AB生物法中會(huì)形成2種微生物群類，A級(jí)多為細(xì)菌和霉菌，B級(jí)多為原生生物，充分發(fā)揮了多種微生物的不同特性進(jìn)而達(dá)到了滿意的去除效果。賈仁勇等［36］采用活性污泥缺氧－好氧膜生物反應(yīng)器(A/O-MBR)和固定化缺氧－好氧膜生物反應(yīng)器(I-A/O-MBR)工藝處理含抗生素的污水，并對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示隨著污泥齡的降低，A/O-MBR反應(yīng)器內(nèi)總微生物種數(shù)減少而抗生素抗性基因比例增加，因此具有抗生素抗藥性的微生物在含抗生素污水的處理過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。但在相同的污泥齡條件下，水力停留時(shí)間雖對(duì)兩種反應(yīng)器內(nèi)總細(xì)菌的數(shù)量影響不大，卻影響了菌群與污水的接觸時(shí)間進(jìn)而影響了去除效果。

2.2.4 固定化微生物處理法 固定化微生物處理法是通過(guò)化學(xué)或者物理手段將功能微生物固定在載體上或定位局限于特定的空間區(qū)域內(nèi)，并保持其生物活性，是近年來(lái)興起的一種處理抗生素廢水的方法。此方法使多種微生物的濃度高度集中，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，處理效果明顯;處理后固液分離容易，水質(zhì)較好，并且固定的微生物可以重復(fù)利用，投資少見效快。常見的微生物固定方法一般包括三大類:吸附法、包埋法和交聯(lián)法。吸附法簡(jiǎn)單易行、條件溫和，但固定不夠牢固;包埋法固定效果好，酶活性較好;交聯(lián)法雖結(jié)合牢固，但操作復(fù)雜，且易影響菌體酶活［37］。其中包埋法最為常用。劉鵬等［38］將篩選得到的光合細(xì)菌、酵母菌和放線菌包埋固定進(jìn)行抗生素廢水處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合菌降低了有害物質(zhì)的抑制，在最適溫度、pH以及進(jìn)水COD的范圍內(nèi)都有顯著的增強(qiáng)，但在最適范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)包埋的復(fù)合菌對(duì)COD的去除率不如游離菌，推測(cè)其原因可能為包埋復(fù)合菌影響了菌體的傳質(zhì)性能。曾常華［39］從制藥廠抗生素廢水中篩選組合出5組高效降解喹諾酮類抗生素復(fù)合菌，利用游離的復(fù)合菌處理抗生素廢水3 d，COD 去除率達(dá) 30.15%，9 d達(dá)到 80.38%。而固定化復(fù)合菌群后處理抗生素廢水，3 d COD去除率上升到80%以上，6 d可達(dá)到93.47%。與未進(jìn)行固定化的游離復(fù)合菌相比，微生物穩(wěn)定性明顯提高并增強(qiáng)了對(duì)外界環(huán)境的抵抗力，反應(yīng)時(shí)間更短，作用效率更高。

固定化處理抗生素廢水并非全是由于生物降解作用，很多時(shí)候依賴生物吸附作用。對(duì)此，Yu等［40］用固定化細(xì)胞方法對(duì)磺胺甲惡唑、磺胺二甲氧嘧啶以及甲氧芐啶進(jìn)行生物降解和吸附的研究。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)幾種抗生素的處理主要靠生物降解和吸附，水解作用很少?；前芳讗哼蚝突前范籽踵奏ざ际菑?qiáng)降解弱吸附的抗生素。作用14 d時(shí)，生物降解率分別為59%和52%，生物吸附率則為31%和34%;甲氧嘧啶則是低降解、中等吸附的抗生素，14 d生物降解僅為27%。三種抗生素易發(fā)生生物降解吸附的順序?yàn)?磺胺甲惡唑＞磺胺二甲氧嘧啶＞甲氧嘧啶。

固定化技術(shù)在抗生素廢水處理中有許多優(yōu)勢(shì)，但仍然存在一些問(wèn)題。如何選取合適的固定化技術(shù)、載體，如何保持固定化細(xì)胞的最佳活性，進(jìn)一步提高處理廢水以及水中其他懸浮顆粒的能力和效率是未來(lái)有待研究改進(jìn)的問(wèn)題。

3 展望

抗生素的環(huán)境污染已在很多國(guó)家引起研究者的廣泛關(guān)注，其污染治理的方法也已展開研究，但仍然存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步進(jìn)行深入的研究與探討。

①篩選高效降解抗生素的微生物菌株。以四環(huán)素類抗生素為例，作為抗生素污染的主要來(lái)源之一，已報(bào)道的能夠?qū)ζ浣到獾奈⑸锞晔稚僖?，目前急需篩選更多高效降解菌株。

②開發(fā)新的復(fù)合修復(fù)技術(shù)。單一的微生物處理技術(shù)有時(shí)很難滿足復(fù)雜的環(huán)境需求，應(yīng)尋求更加高效、安全的復(fù)合方法修復(fù)抗生素的污染。

③研究抗生素降解機(jī)制。在已有的微生物降解抗生素的報(bào)道中，關(guān)于微生物菌株或是菌系的降解機(jī)制研究較少。常見降解機(jī)制為菌株或菌系可利用抗生素作為碳源進(jìn)行降解利用，但從分子水平對(duì)降解機(jī)制進(jìn)行分析較少，如抗性基因的分布、是否有胞外酶的作用等，這些都有待進(jìn)一步研究以更好地將其應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域。

④研究抗生素降解產(chǎn)物及環(huán)境效應(yīng)。關(guān)于抗生素降解的產(chǎn)物研究非常少。一些抗生素進(jìn)入環(huán)境后的降解中間產(chǎn)物毒性往往遠(yuǎn)大于抗生素本身［7］?？股刈鳛殡y生物降解物質(zhì)，一些條件下只依靠微生物很難將其完全礦化，有可能只是發(fā)生部分降解。就目前的研究而言，研究者們往往只把目光集中在抗生素降解率上，而抗生素經(jīng)相關(guān)微生物降解后的產(chǎn)物是什么、毒性如何都缺少相關(guān)研究。因此，應(yīng)對(duì)降解產(chǎn)物進(jìn)行毒理分析并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

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