利用络合剂-光芬顿反应同时去除污水处理厂尾水中的抗生素及其抗性基因

《Separation and Purification Technology》：Simultaneous removal of antibiotics and antibiotic resistance genes in tail water of WWTP by complexing agent-photo-Fenton

本研究采用EDDS和NTA作为复合剂增强光芬顿工艺，考察其对污水处理尾水中低浓度抗生素及抗性基因（ARGs）的同步去除效果。实验表明，EDDS系统初始阶段（0-30分钟）对环丙沙星和红霉素去除率分别达66.84%和55.45%，优于NTA系统（57.58%和33.63%）。活性氧（·OH为主，其次为1/?O?）驱动污染物降解，EDDS更易活化H?O?生成快速但短时的·OH，NTA则生成持续更久的·OH。ARGs去除与ROS破坏宿主细胞膜相关，胞外ARGs（eARGs）去除更快，10分钟内平均去除0.6-1.5个对数。研究为废水处理中抗生素与ARGs协同去除提供了理论依据。

　　

吕志|齐天乐|卢毅|康金豪|李少轩|周志豪|周长风|刘翠云

南京工业大学城市建设学院，中国南京211800

摘要

传统的废水处理工艺对抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）的去除率较低，这些残留物持续排放到水环境中。本研究分别使用EDDS和NTA作为螯合剂，增强光Fenton反应以同时去除废水中的抗生素和ARGs。系统中的活性氧（ROS）被分析，探讨了ARGs的去除机制。研究发现，系统中产生的ROS能够氧化抗生素，其中·OH起主要作用，其次是1O?。EDDS更易于促进H?O?的分解，产生的·OH速度快但持续时间短；而在NTA系统中，·OH生成较慢但持续时间较长。因此，在初始阶段（0–30分钟），以废水中的环丙沙星和红霉素为例，EDDS系统的去除率分别为66.84%和55.45%，高于NTA系统的57.58%和33.63%。ARGs的去除与ROS对潜在宿主细胞的损伤有关。1O?能够穿透细胞膜并去除细胞内的ARGs（iARGs），而细胞外的ARGs（eARGs）去除得更快。10分钟后，两种系统平均去除0.6–1.5-log eARGs。本研究为螯合剂-光Fenton工艺同时去除低浓度抗生素和ARGs提供了理论基础，有助于阻止ARGs的进一步传播。

引言

抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）在河流、湖泊和地下水中广泛存在[1]、[2]。它们的重要来源之一是废水处理厂（WWTPs）尾水中的残留物。尾水中的抗生素浓度大多在ng/L到μg/L之间，而ARGs的相对丰度通常在102–10?基因拷贝·mL?1范围内[3]、[4]、[5]。这部分是由于传统废水处理工艺缺乏有效的抗生素和ARGs去除技术[5]。因此，一些抗生素和ARGs随尾水排放到水体中。

在复杂的废水处理环境中，一些抗生素和ARGs可能会被去除，同时ARGs也可能传播。由于膜截留、高生物量和长的污泥停留时间[6]、[7]，MBR工艺对某些抗生素（如罗红霉素）的去除效率较高，可实现2.57–7.06-log的去除[6]、[8]。然而，MBR的去除效率高度依赖于膜组件性能和操作参数的匹配。膜污染和操作条件的波动会削弱抗生素的去除能力[9]、[10]。此外，在MBR系统中，如果存在高水平的抗生素选择压力，ARGs更容易发生水平基因转移（HGT）[11]、[12]。活性污泥工艺通过吸附去除高Kd值的抗生素（如喹诺酮类），但对磺胺类药物的去除效果较差[13]、[14]。消毒过程可以破坏细菌的DNA和细胞结构，使其失活并去除部分ARGs[15]。然而，细胞结构的破坏可能导致细胞内ARGs（iARGs）泄漏，DNA残留物可能通过HGT转移到周围细菌中[16]。此外，废水处理中的多种细菌也可能促进HGT[17]。

光Fenton工艺通过引入光照（如紫外线或阳光）将Fe3?转化为Fe2?，并增加羟基自由基（·OH）的生成[18]，有助于去除抗生素和ARGs。在WWTPs中使用光Fenton工艺，磺胺类和大环内酯类抗生素及其ARGs的去除率可达到40%和60%，喹诺酮类及其ARGs的去除率可超过80%[19]、[20]、[21]、[22]。然而，光Fenton工艺受pH值限制，对反应底物（Fe2?和H?O?）的浓度要求较高[23]。当反应底物浓度过低时，污染物无法完全降解；浓度过高时可能引发自由基清除反应或H?O?自分解[24]、[25]、[26]，不利于去除WWTPs尾水中的低浓度抗生素和ARGs。添加螯合剂可以部分改善这些问题。螯合剂可以与Fe3?形成稳定的水溶性复合物，避免在中性条件下沉淀[27]，从而扩大pH适用范围。同时，螯合剂可通过提供活性位点等方式减少Fe3?，降低H?O?的消耗并加速·OH的生成[28]、[29]。此外，螯合剂还可以拓宽太阳辐射光谱的适用范围[27]。草酸、柠檬酸、酒石酸和乙二胺四乙酸等螯合剂已在光Fenton系统中得到广泛应用。其中，乙二胺-N，N′-二琥珀酸（EDDS）具有较好的生物降解性，其次是硝基三乙酸（NTA）[30]、[31]。Fe3?-EDDS的氧化还原电位较低，因此在去除污染物方面效率更高[32]。NTA对细菌的杀菌能力优于EDDS，且在抑制细菌再生方面也有优势[33]。此外，NTA对·OH的淬灭作用较弱，有助于减少活性氧（ROS）的无效消耗[34]、[35]。NTA的成本较低，有利于大规模应用[36]、[37]。

向光Fenton系统中添加螯合剂后，污染物去除效率提高，应用范围扩大。它可能对WWTPs尾水中的低浓度抗生素和ARGs有良好的去除效果，但相关研究较少。现有的关于螯合剂-光Fenton系统去除抗生素的研究主要针对0.05至20 mg/L范围内的抗生素浓度，且大多研究的是抗生素废水[4]、[38]、[39]，这远高于WWTPs尾水中的抗生素浓度（ng/L-μg/L）。此外，关于同时去除低浓度抗生素和ARGs的研究尚未报道。

本研究分别使用EDDS和NTA两种螯合剂，改进了光Fenton系统，用于实际WWTPs尾水中抗生素和ARGs的同时去除。分析了系统中不同ROS的贡献机制，并结合处理前后微生物群落的变化，探讨了尾水中ARGs的去除机制。本研究将光Fenton工艺扩展到WWTPs尾水中低浓度污染物的去除，验证了螯合剂-光Fenton工艺同时去除低浓度抗生素和ARGs的可行性，为阻止ARGs在水环境中的进一步传播提供了技术支持。

章节摘录

WWTP中的水样采集

本研究使用的水样来自中国江苏省的一个废水处理厂。该废水处理厂的主要处理工艺为A2/O和反硝化深床过滤，辅以氯消毒。水样采集自消毒过程的出水（WWTPs尾水），然后加入硫酸将pH调节至约2，并在4°C的冰箱中储存。

通过螯合剂-光Fenton工艺去除尾水中的抗生素和ARGs

光Fenton

通过螯合剂光Fenton系统去除抗生素

图1比较了五种系统中磺胺甲噁唑（SMX）的去除率。其中，Fe3?/vis、H?O?/vis和Fe3?/H?O?/vis系统在60分钟时的去除率在13.7%–29.0%之间。添加螯合剂后，Fe3?/EDDS/H?O?/vis（EDDS系统）和Fe3?/NTA/H?O?/vis（NTA系统）的去除率上升至50.0%–52.1%。螯合剂的添加促进了某些活性物质的形成，增强了氧化降解过程

结论

螯合剂EDDS和NTA增强了光Fenton系统中ROS的生成，实现了WWTPs尾水中低浓度抗生素和ARGs的部分同时去除。在螯合剂-光Fenton系统中，·OH在抗生素和ARGs的降解中起主要作用，其次是1O?，而·O??的作用相对较弱。EDDS通过光活化更容易分解H?O?，因此EDDS系统中的ROS生成速率更高

CRediT作者贡献声明

吕志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，方法学研究，调查。 齐天乐：撰写 – 原稿，软件使用，数据管理。 卢毅：软件使用，调查。 康金豪：调查。 李少轩：调查。 周志豪：调查。 周长风：调查。 刘翠云：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（51808285）和江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX25_0608）的支持。