謝 麗，張藝蝶，朱雯喆，何瑩瑩

（1.同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

當(dāng)前中國(guó)抗生素產(chǎn)量總體規(guī)模已達(dá)世界第一，同時(shí)也是抗生素使用大國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)抗生素年使用量約為15～20萬(wàn)噸，在醫(yī)療、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)中發(fā)揮了重要作用［1］。紅霉素、阿奇霉素、螺旋霉素屬于大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，被公認(rèn)為是具有高毒性、高持久性以及生物累積潛力的抗生素［2］。林可霉素是除了頭孢菌素以外在中國(guó)消耗量最大的抗生素，與大環(huán)內(nèi)酯類是一類結(jié)構(gòu)不同但功能相近的藥物［3］。4 種抗生素在養(yǎng)殖廢水和地表水環(huán)境中的殘留水平和被檢出頻率較高。在貴陽(yáng)南陽(yáng)河及廣東東莞地表水水庫(kù)檢出較高濃度的紅霉素和林可霉素，養(yǎng)殖廢水中檢出的螺旋霉素在環(huán)境中也具有高風(fēng)險(xiǎn)生態(tài)等級(jí)［4-6］。在合成阿奇霉素的制藥廢水中，阿奇霉素和紅霉素濃度均較高［7］。環(huán)境中4 種抗生素殘留已成為普遍現(xiàn)象，導(dǎo)致環(huán)境中的抗生素耐藥基因增長(zhǎng)，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)［8］。

制藥廢水及養(yǎng)殖廢水中有機(jī)物濃度較高，厭氧生物處理技術(shù)作為一種高效的有機(jī)廢水處理工藝，近年來(lái)在抗生素制藥廢水處理等方面應(yīng)用廣泛［9］。厭氧消化中微生物菌群對(duì)環(huán)境敏感，一定量的抗生素對(duì)水解產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段的特性及微生物群體有著不同程度的影響，從而擾動(dòng)厭氧消化的效率和穩(wěn)定性［10-11］。因此，針對(duì)環(huán)境樣本中常檢出的3 種大環(huán)內(nèi)脂類抗生素（紅霉素、螺旋霉素、阿奇霉素）以及林可霉素，從其理化特性出發(fā)，闡述了上述抗生素對(duì)厭氧消化產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷代謝過程和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響以及4種抗生素厭氧生物降解的機(jī)理，期望為后續(xù)進(jìn)一步提升厭氧消化對(duì)廢水中林可霉素和大環(huán)內(nèi)脂類抗生素污染防治工藝研究提供理論依據(jù)和實(shí)際支撐。

1 大環(huán)內(nèi)酯類抗生素及林可霉素的理化特性

表1總結(jié)了4種抗生素的物理及化學(xué)特性，數(shù)據(jù)信息來(lái)源于MSDS（Material Safty Data Sheet）。

表1 3種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素、螺旋霉素、阿奇霉素）和林可霉素的物理及化學(xué)特性Tab.1 Physical and chemical properties of three macrolide antibiotics（erythromycin,spiramycin,azithromycin）and lincomycin

大環(huán)內(nèi)酯類抗生素是一類分子結(jié)構(gòu)中具有12～16個(gè)碳內(nèi)酯環(huán)的抗菌藥物的總稱，屬于廣譜抗生素。通過阻斷50S核糖體中肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性來(lái)抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成，廣泛應(yīng)用于需氧革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌、某些厭氧菌以及軍團(tuán)菌、支原體、衣原體等感染的治療［12］。林可霉素的作用機(jī)制與大環(huán)內(nèi)酯類抗生素相似［13］，也能不可逆地結(jié)合到細(xì)菌核糖體50S 亞基上，通過阻斷轉(zhuǎn)肽作用和mRNA 位移抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)合成［14］。4 種抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structural formulae

3 種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素和林可霉素的物理及化學(xué)特性如表1所示。4種抗生素存在不同的辛醇-水分配系數(shù)（logKow）。螺旋霉素、阿奇霉素和林可霉素的logKow為0.53～1.46，具有較高的水溶性，而紅霉素的logKow最大，為3.06，較易被有機(jī)相或污泥吸附。也有學(xué)者采用抗生素在污泥固液相中的分配系數(shù)Kd來(lái)表征抗生素在污泥相-污水相之間的遷移，紅霉素和阿奇霉素在城市污水處理中的Kd值分別為48.1～124.1 L·kg-1和265.1～1 584.9 L·kg-1，阿奇霉素比紅霉素更容易吸附在污泥中［15-16］。4種抗生素在水相和固相中的吸附平衡和轉(zhuǎn)化，在一定程度上影響抗生素的去除，因此未來(lái)可以進(jìn)一步結(jié)合上述抗生素在污泥-污水中的Kow和Kd值，探究抗生素在厭氧消化系統(tǒng)中的去除機(jī)理。

2 典型廢水中林可霉素及3 種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的濃度分布

2.1 典型廢水中濃度分布

3 種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素和林可霉素涉及的廢水主要包括制藥廢水、養(yǎng)殖廢水、醫(yī)療廢水和市政廢水。表2 總結(jié)了典型廢水中4 種抗生素的質(zhì)量濃度分布，其中制藥廢水的抗生素質(zhì)量濃度最高。如表2所示，林可霉素和3 種大環(huán)內(nèi)脂類抗生素質(zhì)量濃度高達(dá)41～87 mg·L-1。養(yǎng)殖廢水中4 種抗生素的質(zhì)量濃度存在較大差異，林可霉素質(zhì)量濃度最高達(dá)到3 mg·L-1，是其余3 種質(zhì)量抗生素質(zhì)量濃度的100～200倍，這可能與林可霉素在養(yǎng)殖業(yè)中的使用頻率高有關(guān)。另一方面，紅霉素、螺旋霉素和林可霉素化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，傳統(tǒng)污水處理工藝難以降解，城市污水廠對(duì)其總體去除率低［2］。城市污水處理廠是抗生素流入環(huán)境的“熱點(diǎn)”［2，17］，不同城市污水處理廠進(jìn)水中也檢出4 種抗生素，并且發(fā)現(xiàn)出水中紅霉素、螺旋霉素、林可霉素檢出濃度均有升高。上述抗生素在不同來(lái)源廢水中質(zhì)量濃度差異較大，達(dá)μg·L-1或ng·L-1水平，屬于廣泛的環(huán)境污染物。

表2 典型廢水中3種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素、螺旋霉素、阿奇霉素）和林可霉素的質(zhì)量濃度分布Tab.2 Mass concentration distribution of three macrolide antibiotics（erythromycin,spiramycin,azithromycin）and lincomycin in typical wastewater

2.2 典型廢水中抗性基因分布

典型廢水中上述抗生素的高殘留濃度也會(huì)促進(jìn)環(huán)境中抗性基因的累積，導(dǎo)致微生物抗藥性增強(qiáng)。研究人員在城市污水處理廠活性污泥中篩選出紅霉素抗性基因ermA，但是該基因并未在進(jìn)水中檢出［29］。大量的阿奇霉素抗性基因mphA、mphE、ermB和ermE在克羅地亞污水處理廠出水中檢出［19］。此外，在醫(yī)療廢水出水受納地表水中也檢測(cè)到大環(huán)內(nèi)酯類抗性基因ermB和mefA［30］。同時(shí)，抗性基因ermA和ermB在林可霉素好氧堆肥菌渣中也有檢出［27］?？剐曰虻睦鄯e也伴隨著微生物耐藥性的大幅度上升，從而增加了微生物產(chǎn)生抗藥性的機(jī)率。研究發(fā)現(xiàn)，城市污水二級(jí)處理工藝出水、阿奇霉素制藥廢水均檢出高頻率耐抗生素細(xì)菌，如腸球菌等［7，31］。因此，針對(duì)典型廢水中的4種抗生素的削減十分必要。

3 林可霉素和3 種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素對(duì)厭氧消化的影響

3.1 厭氧消化產(chǎn)沼氣

表3 總結(jié)了上述抗生素對(duì)污水-污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣性能的影響。由于厭氧消化體系中基質(zhì)、污泥來(lái)源、溫度等條件的不同，同一種抗生素對(duì)體系產(chǎn)甲烷的抑制濃度存在差異［32-33］。如表3所示，50 mg·L-1的紅霉素對(duì)中溫厭氧產(chǎn)甲烷的抑制率（IMP）為11.6%，質(zhì)量濃度進(jìn)一步提升至250 mg·L-1，幾乎停止產(chǎn)甲烷［34-36］。然而，在高溫厭氧消化體系中，紅霉素質(zhì)量濃度25 mg·L-1時(shí)即可抑制甲烷產(chǎn)生［37］。也有研究者發(fā)現(xiàn)，15 mg·L-1的紅霉素可以促進(jìn)甲烷產(chǎn)量提高33.3%［38-39］。阿奇霉素對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷作用的影響與紅霉素相似。0.02～0.60 mg·L-1的阿奇霉素對(duì)中溫厭氧消化產(chǎn)甲烷無(wú)影響，提高質(zhì)量濃度至5～15 mg·L-1時(shí)阿奇霉素促進(jìn)體系產(chǎn)甲烷提高97.8%～200.0%；然而，進(jìn)一步提高質(zhì)量濃度至50 mg·L-1時(shí)阿奇霉素強(qiáng)烈抑制厭氧消化產(chǎn)甲烷，抑制率為71.4%［38-40］。可見，紅霉素和阿奇霉素對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷在低濃度時(shí)具有一定的促進(jìn)作用，在高濃度時(shí)有制約作用，并且在高濃度時(shí)對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷的抑制程度隨著濃度的增加而加劇。

厭氧消化基質(zhì)不同時(shí)，低濃度的林可霉素對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷表現(xiàn)出不同的影響。10 mg·L-1時(shí)對(duì)含高蛋白質(zhì)和抗生素的林可霉素生產(chǎn)殘?jiān)鼮榛|(zhì)的厭氧消化產(chǎn)甲烷有抑制作用，然而15 mg·L-1時(shí)對(duì)以市政污水處理廠的污泥為基質(zhì)的厭氧消化產(chǎn)甲烷有促進(jìn)作用［38，41］。對(duì)于林可霉素生產(chǎn)的殘?jiān)泻械母叩鞍孜镔|(zhì)，厭氧消化過程中會(huì)被分解成氨氮，造成復(fù)合污染，從而抑制產(chǎn)甲烷。

文獻(xiàn)調(diào)研進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，厭氧微生物馴化后對(duì)上述抗生素具有適應(yīng)性。中溫厭氧連續(xù)流反應(yīng)器，在第104～167 d 連續(xù)運(yùn)行的63 d 期間，紅霉素質(zhì)量濃度從1 mg·L-1提高至200 mg·L-1時(shí)，生物氣產(chǎn)量?jī)H由6.8 L·d-1變化為6.2 L·d-1［33］。紅霉素質(zhì)量濃度為20 mg·L-1下連續(xù)運(yùn)行60 d后，中溫厭氧產(chǎn)甲烷抑制率降低了22.1%［34］。這可能與長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)驗(yàn)中抗生素厭氧降解毒性削減，或者厭氧微生物獲得了抗生素抗藥性有關(guān)［42］。聶宇等［1］的綜述指出，短期實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝮w現(xiàn)抗生素初次暴露對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的影響，而長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)驗(yàn)則可以評(píng)估厭氧消化體系對(duì)抗生素的適應(yīng)能力，2 種方法相輔相成，都可以被用于抗生素在厭氧消化體系中行為的研究。因此，有必要繼續(xù)探究4種抗生素對(duì)厭氧消化的短期沖擊負(fù)荷和長(zhǎng)期毒性影響，闡明其對(duì)厭氧微生物種群的影響機(jī)制。

3.2 揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）厭氧代謝

紅霉素、阿奇霉素、螺旋霉素和林可霉素通過刺激厭氧消化過程中VFAs的生成，或者阻礙VFAs被進(jìn)一步利用，從而造成厭氧消化過程中不同類型VFAs的累積。如表3所示，抗生素抑制厭氧消化的VFAs 代謝，并且抑制程度隨著抗生素濃度的增加而加強(qiáng)。在采用厭氧序批式反應(yīng)器處理葡萄糖、淀粉及揮發(fā)性脂肪酸合成廢水的研究中發(fā)現(xiàn)：紅霉素質(zhì)量濃度為1 mg·L-1時(shí)，不影響VFAs 被產(chǎn)甲烷菌利用，乙酸消耗達(dá)98%；紅霉素質(zhì)量濃度提高至25 mg·L-1時(shí)導(dǎo)致VFAs 累積，乙酸消耗下降至78%；提高紅霉素至500 mg·L-1，乙酸消耗僅7%，甚至完全停止［35-36］。其他研究人員也發(fā)現(xiàn)，紅霉素（25 mg·L-1）、螺旋霉素（25 mg·L-1）和阿奇霉素（5～15 mg·L-1）各自單獨(dú)存在時(shí)，厭氧消化體系中乙酸、丙酸和丁酸明顯累積［37，39-40］。然而，林可霉素抑制厭氧水解酸化產(chǎn)VFAs，尤其是減少甲酸和丙酸的產(chǎn)生，減少量分別是對(duì)照組的80.0%和33.1%［37，43-44］。

3.3 厭氧微生物菌群

3.3.1 厭氧水解酸化菌

采用qRT-PCR 以及16S rRNA 高通量測(cè)序等生物學(xué)技術(shù)協(xié)助分析抗生素脅迫條件下厭氧消化微生物菌群的變化［45］。研究發(fā)現(xiàn)，水解酸化菌受抗生素影響較小，甚至可以耐受高濃度的抗生素［46］。阿奇霉素和林可霉素能夠使水解酸化菌Clostridium（梭菌）和Bacteroidetes（擬桿菌）菌株相對(duì)豐度分別增加0.86%和7.07%［38，40，47］。與之相悖的是，謝鐘林等［44］的研究發(fā)現(xiàn)，林可霉素（2 g·L-1）對(duì)以葡萄糖為底物的水解酸化菌群有抑制作用，導(dǎo)致葡萄糖的降解速率下降23.16%。上述結(jié)果不一致可能與厭氧消化的基質(zhì)種類相關(guān)，分別是富含高蛋白（制藥廠廢水和市政污水處理廠污泥）和富含碳水化合物（葡萄糖）的基質(zhì)，從而導(dǎo)致差異性。

3.3.2 VFAs氧化菌

VFAs 氧化菌的活性一方面與抗生素的直接抑制作用有關(guān)，另一方面可能與甲烷菌的活性受抗生素抑制導(dǎo)致的乙酸和氫氣的累積間接相關(guān)［48］。如圖2所示，不同的抗生素對(duì)VFAs氧化菌的影響不盡相同。紅霉素、螺旋霉素和林可霉素在25 mg·L-1和50 mg·L-1質(zhì)量濃度下均可抑制丁酸互營(yíng)氧化菌的活性，并且抑制強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度正相關(guān)［37］。厭氧消化體系中阿奇霉素的存在可以促進(jìn)和乙酸氧化利用相關(guān)的互營(yíng)乙酸氧化菌Clostridium、芽孢梭菌屬細(xì)菌Caloramator以及同型產(chǎn)乙酸菌Treponema（密螺旋體菌）增加或保持較高的相對(duì)豐度，這與體系中乙酸和丁酸鹽濃度顯著升高的累積結(jié)果一致［38-40］。然而，Liu等［47］的研究發(fā)現(xiàn)，阿奇霉素（69 mg·L-1）抑制互營(yíng)丙酸氧化菌的活性，導(dǎo)致相對(duì)豐度減少。4種抗生素對(duì)VFAs 氧化菌影響不盡相同，可能是與VFAs氧化菌和古菌形成的互營(yíng)關(guān)系有關(guān)［1］，但是目前關(guān)于VFAs氧化菌對(duì)此類抗生素響應(yīng)的報(bào)道仍然有限。

表3 3種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素、螺旋霉素、阿奇霉素）和林可霉素對(duì)厭氧消化產(chǎn)沼氣或VFAs代謝的影響Tab.3 Effects of three macrolide antibiotics（erythromycin,spiramycin,azithromycin）and lincomycin on biogas production or VFAs metabolism during anaerobic digestion

圖2 3種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（紅霉素、螺旋霉素、阿奇霉）和林可霉素對(duì)厭氧消化影響機(jī)制的推測(cè)Fig.2 Influencing mechanism deduction of three macrolide antibiotics（erythromycin,spiramycin,azithromycin）and lincomycin on anaerobic digestion

3.3.3 厭氧產(chǎn)甲烷古菌

不同抗生素對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷古菌的影響存在差異。厭氧消化過程中，林可霉素和阿奇霉素對(duì)優(yōu)勢(shì)屬耗乙酸產(chǎn)甲烷古菌Methanosaeta（甲烷絲狀菌）影響小［44，47］?？股貙?duì)產(chǎn)甲烷古菌的影響程度也與抗生素的濃度相關(guān)，抑制程度隨抗生素濃度的增加而進(jìn)一步提高。紅霉素和螺旋霉素在25～250 mg·L-1質(zhì)量濃度下抑制產(chǎn)甲烷菌活性，并且紅霉素質(zhì)量濃度為250 mg·L-1時(shí)產(chǎn)甲烷菌活性被完全抑制［34，37］。厭氧消化體系中質(zhì)量濃度15 mg·L-1的紅霉素、阿奇霉素和林可霉素促進(jìn)產(chǎn)甲烷古菌Methanomicrobia（甲烷微菌）和Methanobacteria（甲烷桿菌）豐度增加，但在微生物群落剖面中很難聚焦到產(chǎn)甲烷菌群（相對(duì)豐度＜0.2%）［38-39］。未來(lái)需要對(duì)產(chǎn)甲烷古菌的微生物群落組成和抗藥機(jī)制進(jìn)行深入研究。

4 削減林可霉素和3 種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素對(duì)厭氧消化的抑制

林可霉素和3種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（阿奇霉素、紅霉素、螺旋霉素）的存在會(huì)影響厭氧消化微生物群。如圖2所示，林可霉素和阿奇霉素存在時(shí)，以蛋白質(zhì)為底物的水解酸化菌相對(duì)豐度增加，但是林可霉素的存在會(huì)抑制以葡萄糖為底物的水解酸化菌活性，甲酸和丙酸的產(chǎn)量減少。4種抗生素存在條件下均會(huì)降低互營(yíng)丙酸氧化菌、互營(yíng)丁酸氧化菌的活性，抑制厭氧消化體系利用VFAs（丙酸、丁酸）產(chǎn)乙酸的代謝途徑，導(dǎo)致體系丙酸和丁酸的累積；不同的是，阿奇霉素可以增加互營(yíng)乙酸氧化菌的相對(duì)豐度，促進(jìn)體系利用乙酸產(chǎn)氫氣和CO2。阿奇霉素存在時(shí)，同型產(chǎn)乙酸菌相對(duì)豐度增加，促進(jìn)體系內(nèi)的氫氣轉(zhuǎn)化為乙酸，也能促進(jìn)體系將甲基化合物（甲酸、甲醇）轉(zhuǎn)化為乙酸。不同濃度的抗生素對(duì)于產(chǎn)甲烷菌的影響存在差別，高濃度抑制產(chǎn)甲烷菌群活性，低濃度提高產(chǎn)甲烷菌活性。隨著對(duì)抗生素影響厭氧消化機(jī)制研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)通過預(yù)處理、添加外源介質(zhì)、生物強(qiáng)化等方法，可緩解抗生素對(duì)厭氧消化的抑制。預(yù)處理或添加外源介質(zhì)能夠降解廢水和污泥中的抗生素，降低廢水中抗生素的濃度和抗菌活性，實(shí)現(xiàn)高濃度抗生素對(duì)厭氧消化抑制作用的消減；另一方面，添加外源介質(zhì)或生物強(qiáng)化可以增強(qiáng)細(xì)菌和古菌的活性，尤其是提高了VFAs 氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的活性，從而解除抗生素對(duì)厭氧消化微生物的抑制，提高厭氧消化速率。此外，適當(dāng)延長(zhǎng)消化時(shí)間也會(huì)增強(qiáng)消化效果，同時(shí)可以有效控制和削減抗生素的污染［50］。

4.1 預(yù)處理

目前，常用的預(yù)處理技術(shù)包括熱水解、超聲、微波、電絮凝、堿性熱預(yù)處理及不同的組合處理。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素在較低的溫度和相對(duì)中性的pH 條件下水解緩慢［51］，對(duì)于熱穩(wěn)定性差的抗生素，熱水解和強(qiáng)化水解工藝能夠促進(jìn)抗生素的降解，從而降低抗生素對(duì)厭氧消化微生物的毒性，有效地破壞實(shí)際生產(chǎn)廢水的抗菌活性。熱水解促進(jìn)厭氧消化污泥中阿奇霉素濃度下降57.9%；在85 ℃條件下的強(qiáng)化水解下，1 h 內(nèi)紅霉素和螺旋霉素的去除率大于90%［52-53］。不同的是，超聲和堿性預(yù)處理后，阿奇霉素和紅霉素的總濃度沒有明顯變化，主要促進(jìn)了抗生素從吸附態(tài)向液相的遷移［53］。國(guó)內(nèi)外研究者也對(duì)電絮凝去除抗生素進(jìn)行了探討，以往研究主要集中于對(duì)四環(huán)素的降解［54］，也有少數(shù)研究報(bào)道了電絮凝對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（羅紅霉素，logKow=2.75）的高去除率［55］。對(duì)同樣擁有較高辛醇-水分配系數(shù)的紅霉素（logKow=3.06）和螺旋霉素（logKow=1.46），在未來(lái)可以采用預(yù)處理方法進(jìn)行研究。

通過硅鎢酸水解和微波聯(lián)合預(yù)處理、酸和堿催化水解等組合方法，可以移除大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（螺旋霉素）中的內(nèi)酯鍵和糖苷鍵抗菌官能團(tuán)或破壞其骨架結(jié)構(gòu)，顯著降低抗菌效果［56］。這可能是因?yàn)閮?nèi)酯水合反應(yīng)在酸性條件下是可逆的［51］，酸和堿催化水解組合可以調(diào)節(jié)pH值，提高大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的水解速率并消除脫水反應(yīng)途徑。通過預(yù)處理去除或破壞抗生素的結(jié)構(gòu)鍵或官能團(tuán)，可降低抗生素的抗菌活性，從而消減上述抗生素對(duì)厭氧消化的抑制，在抗生素生產(chǎn)廢水現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 添加介質(zhì)

在厭氧消化池中添加外源介質(zhì)，如活性炭、鐵材料、錳材料等，可以穩(wěn)定消化條件，豐富和多樣化厭氧消化微生物群落，從而減少上述抗生素對(duì)厭氧消化的抑制，提高厭氧消化的甲烷產(chǎn)量。Zhang 等［57］在厭氧消化池中添加活性炭以促進(jìn)細(xì)菌和古菌富集，甲烷產(chǎn)率提高至少1 倍。向厭氧消化體系中添加富含錳和鐵元素的硼鐵礦能夠提高林可霉素的去除速率，4 h 內(nèi)可去除90%以上的林可霉素，促進(jìn)厭氧微生物的活性，進(jìn)而增強(qiáng)厭氧消化過程［58］。因此，活性炭、鐵基等材料的加入，一方面通過吸附作用降低了抗生素的濃度，另一方面鐵基材料釋放電子加強(qiáng)了厭氧消化微生物群落之間直接或間接的電子傳遞作用［1，59-60］，消減了抗生素對(duì)厭氧消化的抑制，厭氧消化過程的穩(wěn)定性增強(qiáng)。目前關(guān)于在上述抗生素廢水的厭氧消化過程中添加外源介質(zhì)的應(yīng)用較少，對(duì)采用活性炭、鐵基等材料緩解抗生素對(duì)厭氧消化抑制的機(jī)制，未來(lái)需要更多的研究證實(shí)。

4.3 生物強(qiáng)化

前文探討了抗生素的存在導(dǎo)致體系乙酸、丙酸、丁酸和氫氣的累積，進(jìn)而影響體系產(chǎn)甲烷。生物強(qiáng)化可以改變厭氧消化微生物群落結(jié)構(gòu)，消減VFAs累積對(duì)厭氧消化的抑制，提高系統(tǒng)產(chǎn)甲烷，增強(qiáng)體系穩(wěn)定性。在厭氧消化反應(yīng)器中添加耐酸產(chǎn)甲烷菌群和丙酸鹽降解菌群，可促進(jìn)厭氧消化產(chǎn)甲烷提高9%～12%；通過增加強(qiáng)化微生物如甲烷桿菌屬M(fèi)ethanobacterium、甲烷絲狀菌屬M(fèi)ethanothrix和甲烷營(yíng)繩菌屬M(fèi)ethanolinea等的相對(duì)豐度來(lái)重建產(chǎn)甲烷菌群，提高甲烷產(chǎn)量［61-62］。當(dāng)VFAs 濃度較高時(shí)，甲烷八疊球菌Methanosarcina活性的增強(qiáng)有利于維持乙酸鹽向甲烷的更快轉(zhuǎn)化［61］。此外，利用氫分壓控制馴化互營(yíng)丁酸氧化菌和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌成為優(yōu)勢(shì)菌屬，解除VFAs的累積，提高厭氧消化的甲烷產(chǎn)量［63］。生物強(qiáng)化加速厭氧消化降解累積的VFAs，特別是乙酸、丁酸的累積，因此未來(lái)可將該方法應(yīng)用于緩解受抗生素抑制的厭氧消化體系。

5 螺旋霉素和林可霉素的厭氧生物降解

核磁共振、高效液相色譜質(zhì)譜連用法可以鑒定和表征抗生素及其中間體，得出形成和消失的時(shí)間分布，從而闡明其厭氧生物代謝機(jī)理［64-65］。Zhu等［66］發(fā)現(xiàn)厭氧消化3 周后，螺旋霉素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可降解95%以上，其中螺旋霉素Ⅰ主要發(fā)生厭氧羥基化和水解反應(yīng)。Yao 等［65］進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，螺旋霉素Ⅰ厭氧降解存在大環(huán)內(nèi)酯開環(huán)反應(yīng)，并伴有C6-醛基的氧化或還原。

目前，關(guān)于林可霉素降解的研究熱點(diǎn)主要集中在水解、光催化等代謝途徑，包含了羥基化、氧化、甲硫基的丟失或替代、異丙基側(cè)鏈不飽和還原等路線［67-68］，而厭氧生物降解的報(bào)道較少。已有研究結(jié)果表明，無(wú)乳鏈球菌和編碼核苷酸InuB基因參與了林可霉素的代謝，能夠?qū)⒘挚擅顾剞D(zhuǎn)化為磷酸化林可霉素［68-69］。未來(lái)對(duì)林可霉素、紅霉素、阿奇霉素等抗生素在厭氧生物降解途徑和機(jī)制等方面還有待進(jìn)一步研究。

6 展望

紅霉素、阿奇霉素、螺旋霉素和林可霉素在環(huán)境中高濃度、高頻次的檢出，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境，利用厭氧消化工藝消減高濃度廢水中的抗生素迫在眉睫。當(dāng)前研究多為4種抗生素單獨(dú)對(duì)厭氧消化的作用，低濃度抗生素會(huì)促進(jìn)厭氧消化產(chǎn)甲烷，高濃度抗生素會(huì)抑制產(chǎn)甲烷，并且產(chǎn)甲烷過程的效果與厭氧消化的基質(zhì)有關(guān)。關(guān)于上述抗生素對(duì)厭氧消化影響的相關(guān)研究多為批次實(shí)驗(yàn)或者長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果，主要集中于抗生素對(duì)厭氧消化抑制效果的考察，而對(duì)厭氧消化在急性和長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中影響的報(bào)道不盡相同，抗生素對(duì)厭氧消化的影響有促進(jìn)也有抑制作用，未來(lái)有必要進(jìn)一步開展關(guān)于上述抗生素對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的短期沖擊負(fù)荷和長(zhǎng)期毒性的影響研究，以明確關(guān)鍵因子。另一方面，制藥或者養(yǎng)殖廢水中的抗生素一般不是單獨(dú)存在的，因此有必要進(jìn)一步考察多種抗生素共存時(shí)的相互作用及其對(duì)不同基質(zhì)厭氧消化特性的影響。

厭氧消化是處理抗生素廢水的常用工藝，上述抗生素能夠影響厭氧消化的VFAs氧化菌和產(chǎn)甲烷古菌的活性。多數(shù)情況下，4種抗生素能夠抑制丙酸互營(yíng)氧化菌和丁酸互營(yíng)氧化菌的活性，致使其相對(duì)豐度的減少。然而，不同濃度的抗生素對(duì)于產(chǎn)甲烷菌的影響存在差別，低濃度時(shí)能夠促進(jìn)產(chǎn)甲烷古菌豐度的增加，高濃度時(shí)卻抑制產(chǎn)甲烷菌活性。近年來(lái)，較多的研究通過核磁共振和串級(jí)質(zhì)譜分析技術(shù)探究4 種抗生素在水解、光解以及厭氧消化中的開環(huán)、厭氧羥基化、異丙基側(cè)鏈不飽和還原等氧化還原反應(yīng)的代謝行為，而針對(duì)在厭氧生物代謝方面的研究較少。此外，通過預(yù)處理、外加介質(zhì)、生物強(qiáng)化等方式對(duì)受抑制的消化器進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定的改善，能夠有效提高厭氧消化效率，但是對(duì)上述抗生素存在條件下，對(duì)厭氧消化抑制的緩解效果以及機(jī)理有待進(jìn)一步驗(yàn)證和研究。因此，未來(lái)可以借助16S rRNA高通量測(cè)序、宏基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等技術(shù)手段進(jìn)一步考察4 種抗生素作用下厭氧微生物菌群的演化特征，同時(shí)結(jié)合抗生素的厭氧生物降解特性，闡明厭氧消化中抗生素的代謝機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)廢水中抗生素的有效消減，降低環(huán)境中抗生素的殘留濃度。

作者貢獻(xiàn)聲明:

謝 麗：負(fù)責(zé)論文的選題與設(shè)計(jì)，修改論文中關(guān)鍵性理論和其他主要內(nèi)容。

張藝蝶：負(fù)責(zé)論文的選題與設(shè)計(jì)，論文的起草、撰寫和最終版本的修訂。

朱雯喆：參與論文的選題與設(shè)計(jì)，修改論文中關(guān)鍵性理論和主要內(nèi)容。

何瑩瑩：參與論文中關(guān)鍵性理論和主要內(nèi)容的修改。