抗生素及其抗性基因在环境中的污染、降解和去除研究进展

随着抗生素及其抗菌产品的广泛应用,自然和人工环境中的抗生素残留带来的危害引起人们关注.本文基于最新文献,综述了国内外抗生素及其抗性基因的污染水平和来源、它们之间的关系和传播机理以及这类污染物的降解和去除技术.现有研究表明,抗生素及其抗性基因的污染已遍布水、土壤、大气等介质,而在以污水处理厂和固废填埋场为代表的人工环境中,其污染水平更高.抗生素残留诱导产生抗性基因,其在环境中传播扩散与水平基因转移(Horizontal Gene Transfer,HGT)和微生物群落结构组成有关.抗生素和抗性基因在环境中自然降解过程受基质类型、光照、温度和微生物种群等因素的影响,其中光照是影响其降解的重要因子;而在人工处理系统中,紫外消毒和生化降解对抗生素及其抗性基因有较好的去除效果,但并非全部有效.建议今后加强对特定环境中抗生素和抗生素抗性基因的扩散规律和高效降解去除等方面的机理和工艺研究,进而有效控制其环境含量,降低其污染水平.     

水环境中抗生素的光降解研究进展

抗生素的大量使用已经成为了全球环境问题.由于其在环境水体中难以被微生物降解,且能导致细菌抗药性越来越受到关注.光降解是污染物在水环境中非常重要的非生物降解途径.本文介绍了水环境中抗生素的直接、间接和自敏化光降解动力学,着重阐述了抗生素的光降解过程的影响因素、降解产物和可能降解途径等最新研究成果,指出抗生素光降解产物的分离提取与结构鉴定,以及预测抗生素降解过程的动力学模型构建将成为今后主要的研究方向和趋势.     

光催化降解对抗生素藻类毒性效应影响研究进展

抗生素滥用带来环境中残留抗生素及其抗性基因的问题,近年来已成为全球关注的热点问题.光催化氧化技术是当前研究领域广泛采用的有效降解水环境中残留抗生素的热门方法;但光催化氧化无法使水环境中抗生素完全矿化,存在生态风险,探明光催化降解抗生素对其藻类毒理效应影响及内在机制,对研发高效、安全的光催化技术具有重要意义.本文在总结水环境中残留抗生素的藻类毒性检测方法和毒性效应的基础上,分析了光催化降解对抗生素藻类毒性效应的影响及其内在机制,并总结了不同抗生素的光催化反应及降解产物,讨论了两者与藻类毒性效应之间可能存在的关系,旨在为实现高效、安全光催化技术的可控设计提供思路.     

抗生素环境行为及其环境效应研究进展

抗生素作为一类抗菌性药物广泛用于预防和治疗人类和动物疾病,并且在畜牧和水产养殖业中用于促进动物的生长.进入人和动物体内的抗生素不能被生物体完全吸收,大部分以原药或代谢物的形式经由尿液和粪便排出体外进入环境中.抗生素是环境中一类新型污染物,由于其使用量大和诱导产生抗生素耐药菌株,对人类健康和生态环境构成威胁,近年来受到日益广泛的关注.抗生素诱导产生的抗性基因(ARGs)也已经被定义为环境中一类新型污染物.本文介绍了抗生素的使用现状、环境来源以及不同环境介质中抗生素的分析方法和污染现状,并且对其吸附降解行为、毒性效应以及ARGs进行了讨论,最后指出了目前研究中存在的问题,并对未来研究进行了展望.在今后,应该更加系统地研究环境中抗生素的污染现状及其迁移转化等行为;开展低剂量长期慢性毒性和复合毒性效应研究;加强对环境中ARGs的污染现状和环境行为研究.     

高锰酸钾/亚硫酸氢钠氧化嗪草酮后消毒副产物的生成趋势及毒性研究

本文研究了不同pH条件下高锰酸钾/亚硫酸氢钠(PM/BS)对农药嗪草酮(MET)的氧化降解,预氧化后续氯化过程中消毒副产物(DBPs)的变化和毒性评估,同时高锰酸钾(PM)氧化作为对照组.研究表明,PM/BS预氧化较PM预氧化能加大污染物质MET的降解效率,两种预氧化过程中MET的降解率在酸性条件下最大且随着pH的升高而降低,DBPs的生成量和毒性都随着pH的升高而增大.碱性条件下降解率低却生成了大量的二氯乙腈,导致DBPs的生成量和毒性大幅增加,值得引起重视和注意,本文对此种现象产生的原因进行了详细探讨.PM/BS系统降解污染物需要控制在酸性条件下进行,既能增大降解效率,又能降低DBPs的毒性.     

地表水中典型磺胺类抗生素的自然衰减

近年来,磺胺类抗生素因大量使用,在河流等地表水中广泛检出,其环境行为及生态危害,成为备受关注的环境问题.本文以10种常见磺胺类抗生素为研究对象,通过微宇宙实验,模拟其在河流表层水中的自然衰减规律,同时模拟直接光降解、间接光降解、水解、细菌降解和微生物降解等多种条件,以阐明不同环境因素对磺胺类抗生素自然衰减的作用机制.结果显示,10种磺胺类抗生素在168 h内的自然衰减率可达55%—100%,半衰期为14.7—115.5 h,表明磺胺类抗生素在进入河流等地表水后可发生自然衰减.结构方程模型分析表明,直接光降解及间接光降解是磺胺类抗生素自然衰减的主要途径,而水解和微生物降解的作用不大.采用高分辨率质谱,共检出7种降解产物,推测磺胺类抗生素的转化路径主要包括N—S键断裂及羟基化作用.ECOSAR毒性分析结果表明,转化产物毒性多低于母体抗生素,但仍可能存在潜在的环境风险,需进一步深入研究.     

三种不同氧化工艺条件下对乙酰氨基酚的降解过程与产物毒性变化研究

作为一种典型的药物,对乙酰氨基酚(acetaminophen,ACE)由于其广泛存在和潜在毒性引起重要关注.本研究比较了氯化、紫外/过氧化氢(UV/H2O2)和紫外/氯(UV/Cl)三种工艺对ACE的降解情况.结果表明,3种工艺中,UV/Cl和UV/H2O2工艺均能完全降解ACE,其中UV/Cl工艺的降解速率更快. UV/H2O2和UV/Cl工艺降解能用准一级动力学模型很好地拟合,它们的反应动力学常数(kobs,ACE)分别为0.1343 min-1和0.0657 min-1(293K,p H=7).通过p H实验发现,酸性条件下UV/Cl工艺效果更好,而p H对UV/H2O2工艺没有显著影响.相比而言,ACE的矿化比降解困难许多,在60 min后其矿化率最高仅为5.60%(UV/Cl工艺).在UV/Cl工艺降解过程中,检测到12种主要的转化产物,其转化途径主要包括羟基化、氯取代、二聚化、脱酰化和氧化反应.通过发光菌实验对溶液毒性进行分析,3种工艺条件下ACE溶液的毒性都会有所升高,其中氯化工艺最为突出.每种工艺中不同的反应活性物质导致了ACE转化产物的不同,最终使得溶液毒性不同程度地升高.     

磺胺类抗生素复合污染降解菌的筛选及其降毒作用

磺胺类抗生素是环境中检测出率较高的一类污染物.微生物降解是一种相对安全、高效且成本低的污染物去除技术,而关于磺胺类抗生素复合污染降解菌对该类抗生素的去除及其降毒能力方面的研究较少.因此,以3种磺胺类抗生素:磺胺吡啶(SP)、磺胺氯哒嗪(SCP)和磺胺二甲嘧啶(SM2)为碳源,从土壤中筛选3种磺胺类抗生素复合污染的降解菌,应用时间毒性微板分析法,测定3种抗生素及其复合污染物在降解前、后对指示生物蛋白核小球藻的毒性效应,并分析降解菌对3种抗生素及其复合物污染物的降毒能力.结果表明,以SP、SCP和SM2为碳源筛选出2株(S1和S2)降解菌,其中,S1菌株对3种抗生素的降解能力优于S2菌株,并初步鉴定S1降解菌为马氏棒杆菌属;S1降解菌的生长状况和降解能力最佳条件:3种抗生素的混合浓度为1 500 mg·L-1,pH=7.0,温度30℃,转速为150 r·min-1以及接种量为2.0％;S1菌株降解后的抗生素及其复合污染物对蛋白核小球藻的毒性明显低于降解前的毒性,降毒率在99％以上;S1降解菌对3种磺胺类抗生素的降解能力为SM2＞SP＞SCP.     

206nm紫外光降解水相中的氯化三苯基锡

研究了氯化三苯基锡不同初始浓度、光照时间、初始pH值和添加H2O2等因素对光降解效果的影响.结果表明,弱酸条件更有利于氯化i苯基锡的降解;当pH=2.0时,120mg·1-1氯化三苯基锡溶液光照75min后,其降解率约为89.4%;氯化三苯基锡浓度愈低,其光降解效果愈好.在氯化三苯基锡水溶液中加入双氧水后,光照75min后光降解率基本能达到100%.根据产物GC-MS分析结果,初步探讨了氯化三苯基锡光降解的机理.     

紫外-氯联合消毒处理及副产物生成特征研究进展

消毒处理是杀灭水中病原微生物的最关键环节,经过上百年的发展,已研发出几十种消毒处理技术.紫外-氯联合消毒技术在杀灭病原微生物方面兼具紫外线消毒和氯消毒的优点,但因水中存在为数众多的化学物质,紫外线和氯的联合处理可能导致该过程比单独的紫外处理或氯化处理发生更加复杂的化学反应,生成种类更多、毒性较强的消毒副产物.本文在大量文献资料调研的基础上,对紫外-氯联合消毒的原理、主要毒性消毒副产物的生成机制、影响因素及消毒处理方法的优化等方面进行了比较全面的综述,并分析了当前紫外-氯联合消毒处理中存在的问题和面临的挑战.     

基于高通量分析方法的长江干流重庆段抗生素种类特征及来源初探

采用高通量分析方法对长江干流重庆段11个流域断面、2个市政污水处理厂进水和6个养殖场废水的潜在抗生素进行筛查,并结合抗生素使用调查探讨其来源。结果表明,(1)共检出83种抗生素,其中流域内检出36种,污水处理厂和养殖场废水中检出70种;磺胺间甲氧嘧啶检出率最高,在流域水体和废水的检出率分别为91%和55%,喹诺酮类是检出抗生素的主要类型;(2)长江干流重庆段下游检出抗生素数量高于上游检出抗生素;(3)有20种抗生素可能由上游携带和重庆市内排放2种方式进入流域,7种抗生素可能由上游携带入境,9种抗生素可能由重庆市内排放引入长江。     

畜禽养殖排放的雌激素对周边水体环境的影响

环境雌激素是一大类化学物质,它们能够干扰生物体内激素的合成、分泌、转运、活性等,或与生物体内激素结构相似而发挥激素作用,对生物体的生长、繁殖及行为产生不利影响。环境雌激素包括天然雌激素及人工合成类雌激素。随着国内畜禽养殖的规模与数量的不断扩大,养殖场成为了一个很大的环境雌激素的产生源,其环境风险应得到相应的重视。目前对畜禽养殖过程中环境雌激素的产生量以及雌激素进入环境后的迁移转化行为已有很多的研究,包括野外的调查与实验室内机理研究。畜禽养殖过程产生的大量雌激素进入环境后能够被土壤吸附及微生物降解。室内的静态平衡吸附实验、土柱迁移试验及降解研究均表明雌激素进入环境后绝大部分迅速被吸附到土壤颗粒或悬浮胶体、沉积物颗粒上,同时发生转化与生物降解,由此推断其对周边环境中的雌激素贡献很小。然而,野外调查结果却表明实际情况下雌激素的迁移性高于理论期望值。因此,畜禽养殖对周边环境中雌激素的贡献量的大小尚未明确。本论文综述了畜禽养殖过程中环境雌激素的排放情况,结合国内外的调查研究,阐述了畜禽养殖产生的环境雌激素在土壤及水体中的迁移与降解行为,探讨了影响准确评估畜禽养殖排泄物对周边水体中雌激素贡献大小的因子,并提出了今后应开展原位吸附与迁移的实验,重点考虑天然有机质及抗生素等共存物质对雌激素环境行为的影响,建立综合模型来估算不同时期养殖场对周围水环境雌激素的贡献量的建议。     

水环境中四环素类抗生素降解及去除研究进展

四环素类抗生素是治疗与预防人类和动物疾病及细菌感染的一类广谱抗菌药。在畜牧养殖中,四环素类抗生素做为疾病治疗药物和促生长剂应用广泛,使用量巨大。本文综述了四环素类抗生素在水环境中的污染现状及其在水中的降解和去除研究进展。     

天津市污水以及再生水处理过程中的雌/孕激素干扰效应（Estrogen and Progesterone Interference Effect of Sewage and Reclaimed Water Treatment Process in Tianjin）

应用重组基因酵母检测了天津市4个污水处理厂以及2个再生水厂13个水样的雌/孕激素干扰效应.其中3个污水处理厂的进水检出了雌激素诱导活性,最高检测值为10.7ngEEQ·L-1;所有水样均未检测出孕激素诱导活性,但都检测出不同程度的孕激素抑制活性,其中检出了雌激素诱导活性的污水处理厂的进水具有相对较强的孕激素抑制活性.4个污水处理厂均不能完全去除孕激素抑制活性物质,去除率在44%～78%之间.微滤和臭氧氧化两种工艺结合对孕激素抑制活性物质的去除效率略优于MBR反应器.2个再生水厂出水加氯后孕激素抑制活性均有所增强.     

Humanpharmakawirkstoffe in der Umwelt: Einträge, Vorkommen und der Versuch einer Bestandsaufnahme

Background

The presence of a large spectrum of pharmaceutical agents has been reported for aquatic environments (surface—and groundwater) and other aquatic media (influents and effluents of sewage treatment plants) in Germany and beyond, including their occurrence in drinking water. Considering the large number of pharmaceuticals produced for human use and released into the environment, various authors (Sattelberger 1999, Hanisch et al. 2004, Castiglioni et al. 2006, IWW 2006, Stockholm County Council 2006) tried to compile ‘priority lists’ focusing on those substances with environmental relevance. The following agents are included in all lists: ciprofloxacine, clarythromycine (antibiotics), carbamazepine (anti-epileptic agent), bezafibrate (lipid reducer), clofibric acid (lipid reducer metabolite), ethinylestradiol (sex hormone) and cylophosfamide (cytostatic agent). The agents erythromycine and sulfamethoxazole (antibiotics), ibuprofen, indometacine, propyphenazone (analgesics), atenolol (beta-blocker) and ifosfamide (cytostatic agent) can be found in three of four priority lists.

Results

Pharmaceuticals mainly enter the aquatic environment via effluent water, coming from wastewater treatment plants (including hospital and household sewerage), untreated discharges (e.g, secondary transfer of active agents into ground- and surface waters via sewage sludge application in agriculture and via landfill leachate) and leakages in the municipal sewer network.

Discussion

Potential activities towards a reduced release of pharmaceuticals into the environment should consider primarily the origin of the exposure to allow a separation of drug containing flows already at the source. Following the latter it would be possible to minimize the contamination of spring-, ground- and surface waters which serve as raw water resources for drinking water supply. However, considering the actual water pollution with pharmaceuticals and other substances, ‘end-of pipe’ techniques in the sewage and drinking water treatment are absolutely essential.

Conclusions

Sustainability criteria (e.g. protection of drinking water resources, habitats and biocoenoses, recycling and economizing use of resources) and economic aspects of modern sewage disposal concepts require a useful choice and combination of technical measures as components of centralized and decentralized sewage and drinking water treatment methods. It is though not realistic to cover and eliminate all pharmaceutical agents of environmental relevance equally effective even if a catalogue of potential technical treatment methods is elaborated thoroughly. Therefore, a concentration of efforts on selected drug agents, at least following initially some of the priority lists, is recommended.

Recommendations and Perspectives

The contamination of the water cycle with pharmaceuticals is nevertheless not exclusively to be solved via the application of technical methods. The BMBF (Federal Ministry for Education and Research) funded project start (Management Strategies for Pharmaceuticals in Drinking Water, www.start-project.de) therefore tries by implementation of a transdisciplinary approach to integrate technical-, behavioral-, and agent-orientated management strategies towards a more comprehensive and sustainable problem solution.     

高级氧化技术去除水中碘代X射线造影剂研究进展

碘代X射线造影剂在医学上的大量使用导致其在水环境中普遍存在,对生态系统和人体健康构成巨大威胁。传统的污水处理技术对碘代X射线造影剂去除效果不佳,应用高级氧化技术去除水中碘代X射线造影剂成为研究热点。本文系统分析了水环境中碘代X射线造影剂的理化性质、来源、危害及污染现状。综述了声化学氧化、光催化、过硫酸盐活化、芬顿和电化学等5种高级氧化技术对碘代X射线造影剂的去除效果、机理及影响因素等,并指出了各自应用优势和限制,最后对高级氧化技术应用于碘代X射线造影剂的研究提出多种单一高级氧化技术协同降解的展望。     

Input and fate of anthropogenic estrogens and gadolinium in surface water and␣sewage plants in the hydrological basin of Prague (Czech Republic)

The concentration of the estrogens 17β-estradiol, estriol, estrone, 17α-ethinylestradiol, mestranol and norethisterone and of the anthropogenic gadolinium (Gd_ant) has been determined in the creeks and rivers, sewage treatment plants and water works of the city of Prague. The rapid degradation of estrogens in surface water allows the estrogen concentration gradient to be used as a very precise and sensitive guideline by which to pin-point sewage leaks into surface run-off water. The rather conservative behavior of Gd_ant in surface and ground water documents in the present case the presence of sewage water in the surface water cycle.     

自然水体介质中白腐菌对二噁英类物质的降解

研究了自然水体介质中白腐菌射脉侧菌（Phlebia radiata）Ⅰ-5-6对二噁英类物质2，7-二氯二苯并噁英（2，7-diCDD）和八氯二苯并呋喃（OCDF）的降解规律．结果显示，在自然河水为介质的培养环境中，2，7-diCDD随着江水加入量的递增，降解率逐步下降，但这种影响随着培养时间的延长而逐步减弱．白腐菌处理OCDF底物的效果并不理想，经过12d处理后，降解率最高只达到36．00％，这很可能是由于OCDF已经高度氧化，再要对它进行氧化降解比较困难．     

自然水体介质中白腐菌对二英类物质的降解

研究了自然水体介质中白腐菌射脉侧菌(Phlebia radiata)I-5-6对二英类物质2,7-二氯二苯并英(2,7-diCDD)和八氯二苯并呋喃(OCDF)的降解规律.结果显示,在自然河水为介质的培养环境中,2,7-diCDD随着江水加入量的递增,降解率逐步下降,但这种影响随着培养时间的延长而逐步减弱.白腐菌处理OCDF底物的效果并不理想,经过12d处理后,降解率最高只达到36.00%,这很可能是由于OCDF已经高度氧化,再要对它进行氧化降解比较困难.