针对中国水环境抗生素污染问题,概述了中国水环境中主要抗生素的种类、来源和危害;比较分析了现有污水处理技术在抗生素污染水体治理中的应用状况,阐述了人工湿地在抗生素污染净化中的应用进展。
一、抗生素及其污染
抗生素(antibiotics)是生物(微生物、植物和动物)在其生命活动过程中产生的,或由其它方法获得的,能在低微浓度下有选择地抑制或影响其它生物功能的有机物质。作为一类新型环境污染物,抗生素通过抑制细胞壁、蛋白和核酸合成等作用机制,抑制细菌的生长,预防和控制疾病。在养殖业,将抗生素添加到动物饲料,以预防动物感染、促进生长;在医疗方面,抗生素被用于防治细菌感染、真菌感染、抗肿瘤和提高免疫力。因此,20世纪以来,抗生素被大量应用于医疗、畜禽和水产养殖业。抗生素的使用甚至滥用会增加环境中抗生素抗性基因(ARGs)的含量,抗生素抗性基因可在生物体内和环境中长时间残留。抗性基因通过水平转移等途径,由非致病菌传到致病菌上,致病菌获得多重耐药性后,将对人类健康和生物安全造成巨大威胁。
2010年之后,在中国水产和畜禽养殖区的水体、沉积物和动物粪便中,都能检出抗生素。在天津地区淡水养殖区沉积物和水体中,检出的磺胺类最高含量达到21.67ng/g和14310ng/L;在珠江口水产养殖区沉积物中,检出的5种抗生素质量比范围为1.79~85.25ng/g,在水体中检出诺氟沙星和氧氟沙星的质量浓度分别为59.00ng/L和7.63ng/L。检测江苏省畜禽粪便发现,虽然检出的抗生素种类较少,但其浓度远高于水体和沉积物。可见,在中国水生生态系统中,抗生素污染已经非常严重。
二、人工湿地在处理抗生素中的应用
传统污水处理技术,如活性炭吸附法、活性污泥法、膜处理技术和高级氧化法等,对水体中抗生素的处理效果不理想,近年来,出现的一些新型处理技术,如超声降解法、低温等离子体和土壤渗滤系统法则存在成本高、维护难、反应难控制等缺点。人工湿地作为一种生态处理技术,利用基质 吸附、植物吸收和微生物降解的协同作用来净化水体,具有运行成本低、易维护、处理效果好和环境友好等优点。
植物对抗生素的去除具有重要作用。植物直接吸收、植物根系分泌物促进降解、植物根区环境改善都会促进其对抗生素类污水的净化。湿地植物的不同部分对抗生素的吸收累积量存在差异,例如,湿地植物的地下部分对磺胺类抗生素的积累量明显大于其地上部分,即大部分抗生素无法从根部迁移到植物的地上部分。可见,植物的直接吸收虽然能直接去除一部分水体或土壤中的抗生素,但其去除作用更多地依赖于植物的间接作用。例如,植物根系能输送氧气、释放碳源,从而改善植物根区环境,并促进微生物的生长、繁殖,同时植物根系可以为具有抗生素降解能力的微生物提供生长、繁殖的界面,影响微生物的总数和群落结构,也间接促进人工湿地对抗生素的去除。
人工湿地净化抗生素污染水体的研究和应用已经日益受到关注,但是,在以下方面仍需加强。加强人工湿地净化抗生素污水的基础理论研究。现有研究大多集中在湿地植物、基质和构型的选择以及微生物净化原理的探究方面,应进一步加强湿地植物、基质和构型对抗生素去除机理研究,并开展植物根际化学和生物学特性研究。