摘 要

随着养殖业、医学等行业的不断发展，抗生素的使用越来越广泛。然而，抗生素具有致畸性、难降解性等与一般污染物不同的特性，若含有抗生素的废水未经有效处理便排入水体环境中的话，必然会导致严重的环境污染问题。因此，在废水处理环节对抗生素进行有效的去除显得尤为重要。本文采用环丙沙星作为喹诺酮类抗生素的代表药物，用活性污泥对其进行吸附、降解研究。控制处理水样中氨氮含量、氨氧化细菌活性等变量，研究了微生物菌群共代谢、代谢作用对环丙沙星的降解效果，此外，还分析比较出活性污泥中降解环丙沙星的主要菌群。以期为含喹诺酮类抗生素的废水处理提供参考。研究结果如下：

对比以氨氮作为生长基质的硝化污泥共代谢降解环丙沙星的实验组与不提供氨氮的硝化污泥代谢降解环丙沙星的实验组，结果表明：微生物菌群的共代谢作用极大提高了对环丙沙星的降解率与降解速率。

此外，还设置了用烯丙基硫脲（ATU）抑制氨单加氧酶（AMO）活性与灭活活性污泥两组实验进行对照比较，用以研究降解环丙沙星的主要菌群与灭活污泥的吸附作用。研究结果表明，降解环丙沙星的主要菌群为氨氧化细菌，异养细菌降解以及活性污泥的吸附作用均不明显。

关键词：环丙沙星；活性污泥；氨氧化细菌；共代谢；吸附作用

Abstract

With the continuous development of aquaculture, medicine and other industries, antibiotics are used more and more widely. However, antibiotics are different from other pollutants in teratogenicity and refractory degradation. If wastewater containing antibiotics is discharged into the water environment without effective treatment, it will inevitably lead to serious environmental pollution. Therefore, the effective removal of antibiotics in wastewater treatment is particularly important. In this paper, ciprofloxacin was used as the representative drug of quinolone antibiotics.

The adsorption and degradation of ciprofloxacin by activated sludge were studied. Controlling ammonia nitrogen content and ammonia oxidizing bacterial activity in treated water samples, the degradation effect of ciprofloxacin by co-metabolism and metabolism of microbial flora was studied. In addition, the main bacterial flora degrading ciprofloxacin in activated sludge were analyzed and compared. In order to provide a reference for the treatment of wastewater containing quinolones antibiotics.

The results are as follows:

The results showed that the co-metabolism of microbial flora greatly improved the degradation rate and degradation rate of ciprofloxacin, compared with the co-metabolism degradation of ciprofloxacin by nitrifying sludge using ammonia nitrogen as growth substrate and the degradation of ciprofloxacin by nitrifying sludge without ammonia nitrogen.

In addition, two groups of experiments were set up to compare the inhibition of ammonia monooxygenase (AMO) activity by allyl thiourea (ATU) with the inactivation of activated sludge, in order to study the adsorption of the main flora degrading ciprofloxacin and the inactivated sludge. The results showed that ammonia-oxidizing bacteria were the main bacteria to degrade ciprofloxacin, but the degradation of heterotrophic bacteria and the adsorption of activated sludge were not obvious.

Key words: ciprofloxacin; activated sludge; ammonia-oxidizing bacteria; co-metabolism; adsorption

目录

目录

摘要 I

第一章绪论 1

1.1 项目背景及研究内容 1

1.1.1 项目背景 1

1.1.2 研究内容 1

1.2 抗生素的种类 1

1.3 污水处理厂对抗生素的去除方法 1

1.3.1 水解法 2

1.3.2 光解法 2

1.3.3 吸附法 2

1.3.4 生物降解 2

1.4 环丙沙星介绍及相关处理方法 2

1.4.1 环丙沙星（CIP）简介 3

1.4.2 环丙沙星的使用现状及其污染现状 3

1.4.3 喹诺酮类药物对人体健康与生态环境的危害 4

1.4.4 喹诺酮类药物的测定方法 4

1.4.5 喹诺酮类药物的降解方法 5

第二章活性污泥降解环丙沙星的实验研究 6

2.1 实验仪器、试剂、方法 7

2.1.1 实验仪器 7

2.1.2 实验试剂 7

2.1.3 实验及分析方法 8

第三章实验结果分析 11

3.1 氨氮浓度对降解环丙沙星的影响 11

3.1.1 共代谢对降解环丙沙星的影响 11

3.1.2 共代谢降解抗生素的初步展望 13

3.2 加ATU抑制氨氧化细菌后对降解环丙沙星的影响 13

3.3 活性污泥对降解环丙沙星的研究 15

3.3.1 活性污泥去除环丙沙星的不同途径对比分析 16

3.3.2 微生物降解环丙沙星的讨论 17

第四章结论与展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章绪论

1.1 项目背景及研究内容

1.1.1 项目背景

现如今，抗生素已成为国内外科研人员重点关注的新型污染物。尽管抗生素在水体中浓度不高，但其对于生态环境的影响却较为持久。抗生素可分为医用与兽用两类，世界各国两类抗生素的使用量与污水处理厂出水中的抗生素种类、浓度均有所差异。韩国、西班牙、加拿大等国污水处理厂出水中磺胺类抗生素最大浓度基本低于500 ng/L。美国环丙沙星和甲氧苄啶的检出浓度较高。环丙沙星在污水处理厂出水中最高浓度接近1000 ng/L，甲氧苄啶最高浓度达到1220 ng/L。

与大多国家不同的是，我国是抗生素生产大国，据统计，我国300多家企业生产的70多个品种的抗生素占世界总量的20%~30%^[1]。同时我国也是抗生素的使用大国，据不完全统计，我国目前使用量和销售量列在前15位的药品中有10种是抗菌类药物。我国医院抗生素的使用率在67%~82%^[2]。抗生素的大量生产与使用势必造成严重的水体污染，又因为当前的水环境不易对抗生素形成有效去除，因此，寻找高效的去除抗生素的方法尤为必要。

目前国内外科研工作者针对水环境污染现状, 研究出不少去除水中抗生素的方法, 其中，主要有环境光化学法、物理去除法、生物降解和高级氧化法^[4]等，本文主要研究活性污泥（取自武汉市汤逊湖污水处理厂）生物降解抗生素。

1.1.2 研究内容

本文以环丙沙星（CIP）为代表，采用武汉市汤逊湖污水处理厂取得的活性污泥处理实验室内配制的合成废水，探究好氧条件下活性污泥对环丙沙星的降解程度。

实验分为四组，分别探究微生物的共代谢、代谢、异养菌、非生物质对环丙沙星去除率的影响。

1.2 抗生素的种类

抗生素按照化学结构可以分为：喹诺酮类抗生素、β-内酰胺类抗生素、磺胺类抗生素、四环素类抗生素、大环内酯类^[3]等；按照用途可以分为抗细菌抗生素、抗真菌抗生素、抗肿瘤抗生素、抗病毒抗生素、畜用抗生素、农用抗生素及其他微生物药物。

本文研究的环丙沙星是喹诺酮类抗生素中的代表药品，且与诺氟沙星等同类药品有类似的特性与化学结构，因此，对环丙沙星的降解研究，可以对整类喹诺酮类抗生素的处理提供理论参考。

1.3 污水处理厂对抗生素的去除方法

污水处理厂处理抗生素的主要方法有水解法，光解法，吸附法，生物降解法等。

1.3.1 水解法

水解法去除抗生素主要应用于β-内酰胺类和大环内酯类和磺胺类等可溶性抗生素。其中，pH是影响水解速率与程度的一大因素，例如，在碱性条件下，β-内酰胺类抗生素极易被水解，而磺胺类抗生素在酸性条件下容易水解。但对于环丙沙星这类难溶于水的喹诺酮类抗生素，通常不用水解法处理。

1.3.2 光解法

光解法是利用一定能量的光辐射, 使光催化剂在反应体系中产生活性极强的自由基, 将污染物降解的方法，可分为直接光解和间接光解，直接光解即抗生素直接吸收光子降解，间接降解是指在光照下水中的部分光敏物质生成一些基团，这些基团（如·OH）作用于抗生素引发降解。

光解法具有反应条件温和、氧化能力高、不会造成二次污染等优点，但因其处理效率受催化剂性质、紫外线波长和反应器的限制，以及需要解决透光度的问题，本次实验不使用光解法降解环丙沙星。

1.3.3 吸附法

吸附法是一种去除水体中抗生素的物理方法，吸附法具有操作简单、成本较低等优点，但吸附法没有降解抗生素，只是使抗生素从水体中转移到污泥或活性炭上。因此，处理环丙沙星等抗生素，仅使用吸附法处理，是不完善的。

1.3.4 生物降解

生物法处理含抗生素废水主要采用活性污泥法, 该法利用污泥中微生物的新陈代谢作用来实现对污水中的抗生素的降解和利用。

尽管活性污泥法对于不同种类的抗生素的去除效果有较大差异，例如，β-内酰胺类抗生素生物降解几乎为100%^[2]，磺胺类为39.1%~65%之间^[3]。且该法处理效果受季节、气温、光照等自然因素影响较大。但活性污泥法具有污水处理耗能低、维护方便、处理成本低等优点。同时，活性污泥法可以实现污水资源化，使污水处理与利用相结合。此外，我国国内大多污水处理厂采用活性污泥法或在该法上进行升级改造的处理工艺。

为使研究成果符合当下污水处理趋势，能够为实际应用提供理论参考，本文选择活性污泥法处理抗生素并加以研究。

1.4 环丙沙星介绍及相关处理方法

1.4.1 环丙沙星（CIP）简介

环丙沙星（CIP）分子量为331.35，白色至微黄色结晶性粉末，几乎无臭，味苦。溶解于醋酸，微溶于乙醇和三氯甲烷，几乎不溶于水。其分子结构式如图1.1所示。

图1.1 环丙沙星分子结构式

1.4.2 环丙沙星的使用现状及其污染现状

因为环丙沙星（CIP）所属的氟喹诺酮类药物具有抗菌效果好、毒副作用低的特点，所以是我国喹诺酮类抗生素生产厂家的主要产品。据相关统计，在2010年至2011年间，美国国内的抗生素使用量约为1.79万吨，而喹诺酮类抗生素的销售量位居抗生素市场的第三^[5]。此外，Zhang^[6]等研究表明：2013年我国国内抗生素使用约为24.8万吨，喹诺酮类（QNs）药物占抗生素使用量的26%，而环丙沙星是其中的代表药品。

可见，以环丙沙星为代表的喹诺酮类抗生素因其较好的抗菌性，具有了较大的市场，已被广泛使用^[7]。但由于管理制度的不完善，大量抗生素流入水体，又因其具有抑菌效果，半衰期长等特点，在水体中较难被微生物降解，被浪费的抗生素长期存在于环境中，对环境安全存在较大影响。

以环丙沙星为例，王桥军^[8]等通过持续对珠江水质的监测，得出珠江水中环丙沙星污染严重，存在着较高浓度的环丙沙星；而陆克祥等^[9]通过监测黄浦江水源，检测出环丙沙星等FQs药物浓度较高，有些地带其浓度高达3.1~26.2 ng/L；此外，L GAO^[10]等检测了北京的八个污水处理厂的生活污水原水，污水处理厂内原水均检出了FQs；Golet E M^[11]等对一些人类不经常活动的区域也进行了抗生素污染的研究，亦在瑞士的格拉特山谷溪流中检测出环丙沙星和诺氟沙星，且二者浓度分别高达0.294~0.405 ng/L和0.045~0.120 ng/L。

所以，环丙沙星具有难降解，污染持久的特点且可能长距离迁移的特点，长时间存在于地表水，地下水中，会破坏生态系统的稳定，造成严重的环境问题。

1.4.3 喹诺酮类药物对人体健康与生态环境的危害

近年来，以环丙沙星、诺氟沙星为代表的喹酮类药物对人体健康的危害越来越受人关注。许建平^[13]等人发现2000年1月到2003年12月之间在华中科技大学同济医学院附属医院的9例胎儿畸形病例中，有4位是服用了诺酮类药物导致的，这说明了喹诺酮类抗生素对胎儿有致畸形作用。而Galatti^[14]等研究发现，喹诺酮类抗生素对人体神经系统、消化系统亦有很大危害。Kang J S^[15]等发现喹诺酮类抗生素对心脏和血管系统也会造成不良影响。此外，喹诺酮类抗生素还会使人体过敏，伤害皮肤细胞导致褪皮、红斑、水疱、皮疹等不良反应。

对于生态环境而言，因为喹诺酮类抗生素具有抑菌性，所以会对环境中的一些微生物的代谢造成抑制，进而破坏生态环境平衡。其主要变现为，病毒或细菌对该类抗生素的耐药性增强，对药物的敏感性下降，甚至耐药性在不同物种之间传递，使得病毒、部分细菌大量繁殖，对家禽水产养殖业造成损害。以及，喹诺酮类抗生素对微生物的抑制也会使部分有益细菌被抑制，致使生态系统的平衡被打破，造成危害。

然而，尽管喹诺酮类抗生素对人体健康、生态环境会有以上种种危害，但不可否认的是，目前人类使用的抗生素中，喹诺酮类抗生素依旧是比较安全的。在更无害有效的药物被研发出来之前，使用喹诺酮类药物是不可避免的。

因此，为了控制其污染量，完善对该类药物的管理措施与使用方法尤为必要，同时，针对部分已造成的或不可避免的污染，改善检测、吸附降解等方法以求更好的去除污染，也是很重要的。

1.4.4 喹诺酮类药物的测定方法

喹诺酮类药物的测定方法主要有微生物法，免疫分析法，高效液相色谱法，紫外分光光度计法和荧光分析法等^[12]。

微生物法：微生物法是根据微生物的生理机能和代谢的抑制作用来定量或定性检测样品中抗菌药物的残留的方法。其具有成本低，操作方便的优点，但其灵敏度不高，特异性不强，只适用于大量样品的快速筛选检验，是在大型仪器未普及前采用的最早的方法。

免疫分析法：免疫分析法具有方法简单、灵敏度高、准确性好的优点，广泛应用于食品安全检测。其缺点是较易出现误差。不过，因该法可以快速检测大批量样品，故发展迅速。

紫外可见光分光光度法：因喹诺酮类抗生素分子中含有共轭双键，在紫外区有特征吸收，可用显色剂发生显色反应后，进行紫外光吸收测定，进而算出药物浓度。

高效液相色谱法：高效液相色谱法是利用色谱柱内的极性材料对不同极性物质的不同保留时间把这些物质分离开，再通过荧光或紫外检测器检测待检物质的特定波长，进而可以推算出被测物质的浓度。高效液相色谱法具有灵敏度高、分离能力好、应用范围广等优点，是目前实验室最常用的检测方法。然而，随着研究的深入，人们开始将高效液相色谱和质谱联用，该方法灵敏度更高，且更方便的对喹诺酮类抗生素的残留组分进行检测，高效液相色谱-质谱联用可以减少液相色谱法中出现的杂峰，可以更精确的进行分析。

1.4.5 喹诺酮类药物的降解方法

喹诺酮类药物的降解方法主要分为物理处理法，化学处理法和生物处理法三种。

物理处理法：物理处理法主要有气浮法、混凝絮凝法和沉淀法，具有操作简单，价格低廉的优点。但是仅仅通过物理方法处理，并没有实现对药品的降解，因此，物理处理法往往作为更高级的处理方法的前处理存在。

化学处理法：化学处理法主要是采用一些强氧化剂与喹诺酮类抗生素发生氧化还原反应，破坏该类药物的化学结构，让它彻底降解。目前主流的化学处理方法有Fenton法、Fe-C法和高级氧化法等方法。

生物处理法：生物处理法是通过微生物的代谢作用来分解有机物的一种降解方法。主要分为好氧与厌氧两种。污水处理过程当下运用较为广泛的有活性污泥法、生物膜法、生物滤池等。微生物处理法具有来源广、易培养、繁殖快等特性，因而费用较低，管理较方便。但需要注意的是，喹诺酮类抗生素具有抑菌性，因此，在采用生物法处理含有喹诺酮类抗生素的废水，需要经过预处理才行。

可见，物理处理法尽管操作简单，但对于抗生素是不存在降解作用的，并未彻底解决抗生素污染问题，而化学处理法虽然处理效果好，但是对于氧化剂的选择、催化剂的性质等等都会增加处理成本。而生物处理法不仅可以实现污水资源化，节约成本，而且符合当下国内大多污水处理厂的现行工艺，对污水处理厂的工艺进行升级改造较为方便。