自20世纪40年代以来，抗生素在人类医疗和畜禽养殖方面发挥了重要作用，成为应用最广泛的药物之一。以我国为例，仅2013年抗生素使用量就高达92700t。抗生素虽然在疾病治疗和预防等方面做出了一定贡献，但在生产和使用过程中产生了大量抗生素污水(抗生素浓度高达mg/L级)。大量抗生素污水可通过以下途径扩散至环境中:工业废水排放、养殖废水排放、医疗废水排放以及在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频尾水排放。抗生素在环境中长期存留不但会破坏生态环境，还会导致细菌耐药性的产生，严重威胁生态安全和人类健康。因此，污水中抗生素的高效去除已成为当下水处理领域的研究热点。
目前污水中抗生素的去除方法主要包括吸附、电化学、膜工艺、高级氧化等。吸附法主要依赖多孔性固体材料的吸附作用，实现抗生素的去除，但吸附剂回收利用率低且吸附后易产生新的污染物;电化学技术运行成本高;膜工艺在去除抗生素过程中，膜表面抗生素会导致通量衰减，易造成膜污染;高级氧化技术通过生成具有强氧化性的自由基破坏抗生素的化学结构，实现对抗生素的去除，但在处理过程中易产生二次污染。因此，亟待开发新的高效、低成本且环保的抗生素去除技术。
我国生态环境部已将抗生素列入《重点管控新污染物清单(2021版)》，在此背景下环保的抗生素去除技术研发十分重要。微藻作为一种可再生的生物资源，通过光合作用固定CO2，吸收污水中的氮、磷等营养物质，去除抗生素，同时产生的微藻生物量含有大量的蛋白质、碳水化合物和脂质，可以作为生产生物燃料的前体。可见，微藻生物技术既符合政策导向，又有利于减污降碳目标的实现。然而，传统微藻生物技术在成本控制、操作稳定性、环境敏感性、去除效率等方面存在一定不足。因此，本文从微藻生物技术去除污水中抗生素的主要作用机制出发，分析了影响去除效果的主要因素，系统总结了传统微藻生物技术的处理工艺、优缺点及应用局限性，探讨了利用微藻去除抗生素的新型生物技术的应用前景，以期为抗生素污水的高效处理提供科学参考。
1、微藻生物技术对污水中抗生素去除的主要作用机制
微藻生物技术对污水中抗生素的主要去除机制包括生物吸附、生物积累和生物降解(见图1)。生物吸附是指由于静电引力的作用，微藻分泌的胞外聚合物吸附抗生素的过程。微藻细胞壁或其分泌物(统称为细胞表面)带有负电荷，与抗生素之间的相互作用主要通过被动和非代谢过程实现。抗生素在疏水性、氢键、静电吸引等机制的作用下能够吸附到微藻细胞表面，这一吸附效果与抗生素本身的物理化学性质紧密相关。通常，亲脂性抗生素具有更好的吸附效果，因此也更容易被去除。生物积累是指吸附在微藻细胞表面的抗生素经过主动运输进入细胞内，在相关酶的作用下转化为其他形式或直接在细胞内积累存储的现象。当抗生素在微藻细胞内积累到一定水平时，会诱导活性氧产生，活性氧具有调节细胞氧化还原状态、促进脂质合成、参与抗生素抗性形成等多重功能。生物降解根据反应场所可分为胞外和胞内降解，且通常同时发生，共同作用于抗生素的去除过程。胞外降解与胞外聚合物和胞外酶等密切相关，胞内降解则主要依赖于活性氧和胞内酶。抗生素胞内降解主要涉及两个方面:(1)活性氧防御抗生素胁迫的同时将其氧化降解，但其强氧化特征又会引起藻细胞脂质、蛋白质和脱氧核糖核酸(DNA)等生物大分子结构和功能损伤;(2)微藻细胞内复杂的酶系统，通过催化不同类型的化学反应降解抗生素，达到去除抗生素的目的。生物吸附、生物积累和生物降解在微藻去除抗生素的过程中相互作用，生物吸附为抗生素进入微藻提供了初步条件，生物积累有助于抗生素在细胞内的富集，而生物降解则是最终实现抗生素去除的关键步骤。
2、影响微藻生物技术去除效果的主要因素
2.1 藻的种类
对抗生素吸附能力或耐受性较强的微藻，抗生素去除效果较好。于颖等研究微藻去除头孢拉定时发现，蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)处理12h的效果(去除率为55%)优于普通小球藻(Chlorellavulgaris，去除率为40%)，可能是因为蛋白核小球藻对头孢拉定耐受性强于普通小球藻。GUO等发现小球藻(Chlorellasp.)对头孢类抗生素尤其是7-氨基头孢烷酸的吸附能力强于衣藻(Chlamydomonassp.)和麦可属类(Mychonastessp.)，其中小球藻对7-氨基头孢烷酸的吸附量达到了4.74mg/g，而衣藻和麦可属类只有3mg/g左右。可见，微藻种类的选择直接影响抗生素的去除效果。
2.2 抗生素种类和浓度
不同抗生素的分子结构、溶解度、亲水性及其在藻细胞内的代谢途径不同，导致微藻对其吸附、积累和降解产生差异。杜迎翔等研究发现，应用蛋白核小球藻处理2种头孢类抗生素污水时，头孢拉定的去除率为9.18%~24.99%，而头孢他啶的去除率则高达97.13%~100.00%。韦艳玲发现小球藻L38(Chlorellasp.L38)能有效地去除氟苯尼考(去除率为97%)，但对磺胺二甲氧基嘧啶的去除效果不佳(去除率仅为55.03%)。此外，微藻对不同浓度的抗生素去除效果也不尽相同。XIONG等研究发现，磺胺二甲嘧啶质量浓度从0.025mg/L增至0.25mg/L时，斜生栅藻(Tetradesmusobliquus)对其去除率从31%增至62%;可能磺胺二甲嘧啶在浓度升高的过程中，磺胺二甲嘧啶的胁迫会诱导微藻细胞内产生活性氧。这些活性氧不仅会对细胞造成氧化损伤，还可作为信号分子，提高细胞内的代谢酶活性，从而促进抗生素的降解。CHU等研究小球藻处理不同浓度的磺胺噻唑污水时发现，随着磺胺噻唑浓度的升高(1mg/L升高至50mg/L)，其去除率下降(73.96%降至30.09%);高浓度的磺胺噻唑可能抑制了小球藻的细胞活性，导致抗生素降解效率降低。
2.3 微藻的培养条件
培养条件(光照强度、pH、温度、营养盐浓度等)通过影响微藻的生理活性，进而影响抗生素的去除效果。适当的光照强度会促进微藻的光合作用及代谢活性，有助于增强微藻对抗生素的吸附、积累和生物降解能力。吴玄等研究发现铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)在光照强度8500lx下对头孢拉定的去除率分别是5500lx和2500lx下的1.31倍和2.55倍。DU等发现在光照强度5500lx和8500lx下蛋白核小球藻对头孢拉定和阿莫西林的去除率为39.11%和62.92%，是2500lx的两倍以上。pH会影响微藻细胞壁的电荷状态，进而影响藻细胞对抗生素的吸附效率。DANESHVAR等研究发现pH从2升高到8时，四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)对四环素的去除从0提高到48.84%;pH从8升高到10时，四环素去除率降低至30%。温度会影响藻细胞的新陈代谢过程和酶的活性，导致它们对抗生素的去除效果不同。微藻的最适生长温度为25~30℃，故在处理抗生素污水时可将温度设置在此范围。此外，通过调节营养盐浓度可以优化微藻生长环境，避免营养过剩或不足导致的生长抑制，从而维持或提高微藻对抗生素的吸附、积累和降解作用。可见，微藻生物技术处理抗生素污水时，监测和调节培养条件是至关重要的。
3、传统的微藻生物技术
3.1 单一藻种技术
单一藻种技术是指利用特定微藻去除污水中特定抗生素的方法。研究发现应用蛋白核小球藻处理抗生素(阿莫西林)污水时，抗生素去除率为83%~100%。BAI等研究了微拟球藻(Nannochlorissp.)对四环素类抗生素的去除效果，处理7d后四环素类抗生素去除率接近100%。WU等研究发现索罗金小球藻(Chlorellasorokiniana)可快速去除土霉素，且不同浓度的土霉素最终去除率均在90%以上。可见，单一藻种技术对特定抗生素的去除有一定优势。但是，抗生素污水成分复杂、单一藻种风险抵抗能力差，且对于某些难降解的抗生素，单一藻种的去除效果欠佳，很难达到理想的去除效果。
3.2 多藻种联合技术
多藻种联合技术是利用多种微藻共同作用的技术，增加了系统的复杂性，提高复合污染处理能力，进而增强了抗生素的去除效果。研究表明，该技术可提高水中特定抗生素的去除率。MATAMOROS等应用小球藻联合栅列藻(Scenedesmussp.)，10d内可实现污水中咖啡因和布洛芬有效去除。NDLELA等应用多藻种(原壳小球藻(Chlorellaprotothecoides)联合普通小球藻)技术处理南非莫塞尔贝在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频中抗生素废水，结果显示系统对0.01μg/L的磺胺甲?f唑和氧氟沙星的去除率分别为77.3%±3.0%和46.5%±5.3%，对0.1μg/L的磺胺甲?f唑和氧氟沙星的去除率分别为43.5%±18.9%和55.1%±12.0%。虽然多藻种联合技术对去除抗生素具有一定优势，但多藻种体系的管理和控制更为复杂，且系统中微藻之间可能存在竞争关系，影响系统的稳定性和抗生素去除效率。
3.3 菌藻共生技术
菌藻共生技术主要利用菌藻间的协同关系，去除污水中的抗生素，实现水质净化;它克服了传统活性污泥法处理效果不稳定、曝气能耗高、剩余污泥产量大等的弊端。ISMAIL等利用菌藻共生技术去除污水中一些常用镇痛剂(扑热息痛、阿司匹林和酮洛芬)的混合物，在连续光照条件下，以相对较短的水力停留时间(3~4d)，实现了75%~100%的去除效果。徐超等使用菌藻共生技术处理氯霉素污水，9d内氯霉素的去除率迅速提高至60%，后续去除率缓慢提高且存在一定的波动，最终去除率稳定在74%左右。GUO等分别研究了活性污泥法、单藻与小球藻-活性污泥组合对污水中头孢菌素的去除效果，结果表明，菌藻共生系统对头孢菌素的去除率高达97.9%，显著优于活性污泥和单藻处理工艺。菌藻共生技术提高了污水中抗生素去除效率，且微藻能有效同化CO2同时产生O2来代替外部曝气，而O2又被细菌用来氧化有机物产生CO2，减少曝气量。但是，菌藻共生技术系统环境敏感性高，且菌藻间可能存在竞争关系，难以实现规模化应用。
3.4 微藻-高级氧化联用技术
微藻-高级氧化联用技术利用微藻联合具有强氧化能力的自由基或氧化剂，对抗生素进行氧化降解，实现污水中抗生素的有效去除。陈姗利用胶网藻(Dictyosphaeriumsp.)-钒酸铋系统去除磺胺二甲嘧啶，在光照强度4000lx的可见光照射下，该系统对磺胺二甲嘧啶表现出较高的光催化氧化性能，去除率高于80%。LI等发现，光照下使用合成的纳米片层结构类石墨相氮化碳材料，形成光催化高级氧化条件，结合斜生栅藻和蛋白核小球藻处理可以有效去除诺氟沙星、土霉素和磺胺甲?f唑。微藻-高级氧化联用技术具有高效、快速等优点，但其高成本、操作稳定性差以及氧化易产生二次污染等局限仍需克服。
4、新型微藻生物处理技术
4.1 CRISPR/Cas基因编辑技术
CRISPR/Cas基因编辑技术利用基因工程技术手段，对微藻的DNA序列进行编辑，使其能够高效降解抗生素。JIANG等发现应用CRISPR/Cas基因编辑技术将莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)内源FKB12基因进行靶向敲除后，可改变藻细胞对雷帕霉素的抗性，进而影响抗生素去除效率。RATHOD等将来自红酵母的植物碱-β-胡萝卜素合成酶(PBS)基因插入到莱茵衣藻中，结果显示在该基因的异源表达下，莱茵衣藻细胞中β-胡萝卜素和叶黄素含量分别增加38%和60%，抗生素去除效果显著提升。LI等通过转录物敲除细胞质碳酸酐酶(CA2)使碳浓缩机制失活，导致海洋微绿球藻(Nannochloropsissp.)在体积分数5%CO2下光合放氧速率、生长速率和生物量积累分别提高了45%、30%和40%。利用CRISPR/Cas基因编辑技术对微藻中特定基因的编辑不仅实现了微藻对抗生素去除能力的提升，还可提高微藻对污水中碳的利用能力，增强微藻对新污染物及氮、磷等营养物质的去除效果，实现碳达峰碳中和背景下减污降碳的协同增效。但CRISPR/Cas基因编辑技术可能引起脱靶效应和微生物群落失调等问题。此外，基因编辑生物的释放可能会对生态系统造成不可逆转的损害。因此，需进一步提高编辑效率、降低脱靶率、开发更安全高效的递送系统，确保技术应用安全有效。
4.2 微藻纳米颗粒技术
微藻纳米颗粒技术通过微藻与纳米材料(如银纳米颗粒、石墨烯等)结合，利用纳米材料的特定功能来提高抗生素去除效率和选择性。纳米材料具有高比表面积、高效催化性、多孔性和生物相容性等诸多优点，可有效负载抗生素及藻细胞。SALMAN等使用纳米氧化铜改性刚毛藻去除污水中四环素类抗生素，去除率高达96%。但是，目前微藻纳米颗粒技术实际应用案例较少，且纳米颗粒的制备和应用成本较高，需进一步优化藻种选择与改性纳米粒子制备技术。
4.3 微藻生物燃料电池技术
微藻生物燃料电池技术是一种利用微藻光合作用和生物电化学反应产生电能的技术。该技术处理抗生素污水时，利用抗生素作为电子供体，通过微藻代谢过程释放出的电子，在电路中流动产生电流和电压，促进抗生素的降解;该过程不仅能有效去除污水中的抗生素，还能产生电能。赵洲利用微藻生物燃料电池技术处理金霉素污水时，金霉素去除率高达89.19%。WANG等研究了微藻生物燃料电池技术处理初始质量浓度为20mg/L的磺胺甲?f唑污水，结果表明，12h内去除率可达到85%。应用微藻生物燃料电池技术处理抗生素污水不仅能产生电能，还能够通过厌氧消化微藻生物质产生生物甲烷，实现能量的多级利用。未来可通过优化电极材料、改进培养条件、系统集成等措施，实现该技术的广泛应用。
微藻新型生物技术具有很好的应用潜力与前景。表1总结了微藻生物技术的优缺点，为抗生素污水的高效处理提供参考。
5、展望
微藻具有生长速率快、光合速率强、可固定二氧化碳等特点，在去除污水中抗生素方面具有巨大潜力和应用前景。未来可在以下几个方面进行深入研究:
(1)随着微藻遗传操作体系的建立和发展，利用合成生物学的工具和策略提升微藻对抗生素的吸附效能、对太阳光的捕集效率和对光能的传递效率，强化微藻的废水处理能力、光驱固碳能力和高附加值产品合成能力。
(2)开发新型生物反应器，提高微藻生长密度和均匀性，降低建设和运行成本，推进微藻生物处理技术产业化。
(3)从污染物处理效率、过程能耗和工程经济性等多方面考察新的微藻废水处理工艺，基于循环经济理念提出可持续开发路线，将微藻处理废水技术作为微藻产品开发工艺的源头而非终端，推动微藻生物技术的更广泛应用。（来源：山东建筑大学市政与环境工程学院，水发规划设计有限公司，山东省农业科学院农作物种质资源研究所）
