利用微藻进行氧四环素的生物修复：最新进展与未来发展方向

《Algal Research》：Bioremediation of oxytetracycline by utilizing microalgae: Latest progress and future directions

氧四环素（OTC）环境中去除技术研究显示，微藻系统通过吸附、降解、光解及生物积累等多机制协同作用，去除效率达96-99%，受pH（7.0-7.5）、温度（18-25℃）、光照（90-110μmol/m2/s）显著影响，不同藻种对OTC浓度响应呈现激素效应与抑制效应转变。当前技术TRL为4-5，需突破产物解析、动力学模型、藻体再生等瓶颈，结合资源回收实现规模化应用。

　　

阿姆尔·纳斯尔·费克里（Amr Nasr Fekry）| 哈齐姆·奇布劳韦（Hazim Qiblawey）| 法雷斯·阿尔莫马尼（Fares Almomani）

卡塔尔大学化学工程系，卡塔尔

摘要

氧四环素（OTC）在人类医学、畜牧业和水产养殖中的广泛使用引发了严重的环境问题，这主要是由于其持久性和潜在的生态影响。本文全面回顾了基于微藻的OTC去除系统的相关研究，探讨了去除机制、效率因素及其生态影响。分析表明，微藻系统通过多种协同机制可实现96-99%的去除效率，包括生物吸附（贡献15-20%）、生物降解（某些物种中超过80%）、生物累积以及增强的光降解作用。这些机制的有效性受环境参数的显著影响，尤其是pH值（最佳范围7.0-7.5）、温度（18-25°C）和光照强度（90-110 μmol/m2/s）。不同微藻物种对OTC的响应表现出浓度依赖性：在低浓度（≤1.0 mg/L）下表现为促进作用，而在高浓度下则转为抑制作用，并伴随显著的生理和超微结构变化。目前仍存在一些关键知识空白，如对转化产物的了解有限、表面相互作用特征研究不足、缺乏全面的放大研究以及动力学和等温线研究。该技术目前处于技术成熟度4-5阶段，虽然已在实验室取得成功，但需进一步开发才能实现工业化应用。未来的研究方向应集中在分子机制的阐明、改良微藻和混合菌株系统的优化、转化产物的表征、动力学和等温线模型的建立、活性与死性生物质的回收潜力以及实际应用所需的工程解决方案上。本文为致力于开发水环境中抗生素污染可持续解决方案的研究人员和从业者提供了宝贵见解，同时强调了基于微藻的处理系统在资源回收方面的潜力。

引言

氧四环素（OTC）是一种广谱抗生素，属于四环素类，自20世纪50年代以来被广泛应用于人类医学、畜牧业和水产养殖[1]。OTC可用于治疗呼吸道、泌尿系统和消化道感染、丘疹脓疱性痤疮、酒渣鼻和口周皮炎。它还因其抑菌、抗氧化、抗炎和免疫抑制作用以及广谱抗菌特性而有效治疗伴有炎症反应的皮肤感染[2][3]。由于其成本效益高且效率出众，OTC已成为全球使用最广泛的抗生素之一，仅中国每年就生产约21万吨抗生素[4][5][6][7]。然而，传统的OTC去除方法包括物理、化学和生物方法。物理方法（如使用活性炭、生物炭等材料进行吸附）的去除效率取决于OTC的浓度，一般在40-90%之间[8][9]，但这些方法常面临吸附剂再生和脱附带来的二次污染问题[10]。化学方法（包括高级氧化过程、光催化降解和电化学处理）虽然能实现高去除率，但通常操作成本较高且可能产生有毒副产物[11][12][13]。传统的水处理厂生物处理方法对抗生素的去除效果有限，去除率通常低于50%[14][15]。光降解作为一种有前景的方法，尤其适用于光敏感的OTC，研究表明在最佳条件下21-25分钟内可实现90%的去除率[16]，但其效果高度依赖于光照强度、水深和溶解有机物的存在等环境因素，这限制了其在许多实际应用中的可行性。

微藻是一类具有光合作用能力的微生物，其生物特性使其在污染物去除方面具有巨大潜力，特别适用于废水处理和OTC去除[17]。微藻的细胞结构包含多种功能基团（如羧基、氨基和羟基），为污染物提供了丰富的结合位点，促进了多种去除机制[18]。微藻的一个重要特征是能够产生胞外聚合物（EPS），这对污染物去除至关重要[19]。面对OTC等环境压力时，微藻会展现出特定的防御机制，包括产生抗氧化酶和保护性化合物[20][21]。这些机制不仅保护微藻细胞，还通过多种酶促过程促进污染物的降解和转化。尽管四环素类抗生素具有共同的结构骨架，但它们的环境行为、理化性质、毒性特征及与微藻系统的相互作用存在显著差异。为避免过度概括并提供更深入的机制分析，本文专门聚焦于使用最广泛且环境影响最大的氧四环素。如果涵盖所有四环素类，将削弱本文旨在提供的化合物特异性机制分析。

基于微藻的处理系统的发展代表了废水处理技术的一个范式转变，提供了一种结合污染物去除和资源回收的可持续方法[22]。随着对微藻生物学和处理机制理解的不断深入，这些系统的大规模应用前景日益明朗，为解决水环境中抗生素污染问题提供了更可持续的解决方案。尽管基于微藻的抗生素去除技术目前处于技术成熟度3-4阶段，并已在实验室取得成功，但进一步实现工业化应用仍面临诸多挑战，如优化操作条件、提高生物质收获效率以及在多变环境条件下的稳定性能维持。以往的综述通常涵盖微藻去除抗生素或四环素类化合物的总体情况，未提供针对氧四环素的特异性分析。本文专门聚焦于OTC，将孤立的研究结果整合成一个基于化合物的机制框架，包括去除途径、影响因素和生化应激反应。据我们所知，此前没有综述将OTC的转化产物、微藻响应和工艺层面的考虑因素综合起来进行综合分析，因此本文具有创新性。本文旨在：（1）分析当前关于使用微藻去除OTC的研究，详细探讨去除机制、效率及影响性能的因素；（2）评估OTC对不同微藻物种的生理和生化影响；（3）识别改进该技术实际应用的关键知识空白和未来研究方向。通过全面审视这些方面，本文为研究人员和从业者提供了宝贵见解，帮助他们开发更有效和可持续的解决方案，以应对水环境中的抗生素污染问题，同时强调了基于微藻的处理系统在资源回收和环境保护方面的潜力。

OTC在水环境中的化学性质和命运

氧四环素（OTC）是最常用的四环素类抗生素之一，其复杂的分子结构包含四个环和多个可电离的功能基团（C??H??N?O?），这些基团对其环境行为有重要影响[23]。这些功能基团赋予了OTC两性特征，使其能够在不同离子状态下存在。

微藻去除OTC的机制

微藻去除OTC的过程涉及多种协同机制，主要包括生物吸附、生物降解、生物累积和光降解。这些过程同时发生，但它们的相对贡献因物种、环境条件和操作参数而异[1]。 表1总结了这些机制在OTC去除中的贡献。图3展示了这些机制的作用机制。

影响OTC去除效率的因素

基于微藻的OTC去除系统的效率受多种理化和生物参数的影响，这些参数既影响微藻的生理状态，也影响其去除机制。了解这些参数对于优化处理效果和设计有效系统至关重要。图5展示了不同初始浓度下不同微藻菌株对OTC的去除效果。表2总结了相关数据。

综合讨论

本文不仅总结了现有研究结果，还将现有知识整合成一个概念框架，将OTC的理化性质、微藻去除机制和工艺参数联系起来。研究阐明了生物吸附、生物累积、光降解和生物降解在不同条件下对微藻去除OTC的影响。此外，我们还概述了放大OTC去除过程的关键考虑因素，包括生物质生产率等。

知识空白与未来展望

尽管微藻在去除氧四环素方面展现出巨大潜力，但仍存在一些重要的知识空白，限制了对其机制的理解和实际应用。现有研究主要依赖于批量分析方法，这限制了对潜在生化代谢途径的深入研究。结合转录组学、代谢组学和蛋白质组学等组学方法将有助于更深入地理解微藻对氧化应激的响应和酶促过程。

结论

本文表明，基于微藻的系统是去除水环境中氧四环素（OTC）的一种有前景且可持续的方法。分析显示，在优化条件下，微藻处理系统的去除效率可达96%-99%，通过生物吸附、生物降解、生物累积和增强的光降解等多种协同机制实现。这些系统的有效性...

CRediT作者贡献声明

阿姆尔·纳斯尔·费克里（Amr Nasr Fekry）： 起草初稿、研究、数据分析、数据管理。 哈齐姆·奇布劳韦（Hazim Qiblawey）： 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。 法雷斯·阿尔莫马尼（Fares Almomani）： 审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢QUHI-CENG-25/26-747项目的财政支持。