在水里:抗菌和环境污染

全球对抗菌素的依赖

很难想象一个没有抗菌素的世界。从医疗保健到农业;抗菌素的微生物安全支撑现代世界。在农业、抗生素是用来控制家畜动物的微生物病原体和促进经济增长。2017年,美国食品药品管理局报道,结束了1000万公斤抗菌药物被用于食品生产的动物,其中51%是医学上重要的。在人类医学,抗菌剂在医院和社区的预防或治疗传染性疾病。2014年,美国疾病控制中心(CDC)的报道2.661亿年口服抗生素处方,来自欧盟的最新数据报告的平均消费率17.9定义的每日剂量每1000居民的抗生素。不幸的是,抗菌不结束的生命周期与人类或动物的管理。

抗菌化合物的生命周期

根据应用程序的确切抗菌及其路线,之间10 - 90%可能是在其活性形式排泄。以人类的例子病人处方口服阿莫西林治疗咽喉炎,政府后,超过50%抗生素可能会排出,进入污水系统。从这里开始,它将送到污水处理厂(WWTPs)和受到机械、生物和化学治疗。尽管这些治疗,大量的阿莫西林和其他抗菌素坚持和介绍,处理过的水,河流和湖泊。随后,他们通过自然环境传播,作为一种看不见的污染物,干扰自然系统远远超出了原来的管理。

抗生素污染的毁灭性影响

环境中抗生素污染与高水平的生态毒性和抗菌素耐药性的快速传播。最近的研究揭示了抗菌素的毒性作用释放到环境对初级生产者,如蓝细菌和藻类。令人担忧的是,像其他生物活性化学污染物,抗菌素会破坏整个生态系统自底向上。超出了抗菌素的直接生态影响的环境中,抗生素耐药微生物的出现是一个全球主要关心人类健康保健。耐多药微生物病原体的患病率上升,和许多更具有挑战性的治疗。例如,世卫组织报告的治疗成功率只有广泛耐药结核病(xdr - tb)34%在2015年,相比之下82%抗药结核病。

自然生产的抗生素,细菌有天生的机制与这类化学物质。此外,与动物相比,细菌可以发展非常迅速。这些因素大大增加细菌的概率自发发展阻力为了应对外部选择压力,如抗菌素的存在。随着越来越多的抗生素被释放到环境中,有一个越来越强大的选择压力抗生素耐药细菌茁壮成长并最终找到自己的方式回到人类。特别是关于环境WWTPs,可能作为人类病原细菌耐药性的孵化器^[1],[2]。一项研究的四个美国WWTPs,发现甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)50%废水样品,包括废水废水。

从环境中去除抗生素污染物

问题是,WWTPs从未消除复杂的化学物质。雷切尔·戈梅斯博士讲师诺丁汉大学化学与环境工程,解释了“WWTPs创建在1850年代,他们是为了去除病原微生物。WWTPs从未消除这些新兴污染物”。WWTPs代表打破这个循环的一个关键目标环境中抗生素污染和删除抗菌素耐药细菌的选择压力。然而,抗菌素重大的挑战现有废水净化方法,可以分类的作用机制为生物降解,化学氧化和吸附。

目前,大多数WWTPs使用生物降解作为主要的方法来降低或去除废水有机分子。生物降解过程依赖于微生物和废水污泥中固体生物质降解和吸附有机分子,之前通过沉降或膜过滤分离。然而,这些方法通常表现出较低的功效对于复杂的药物分子,如抗菌素。阿德里亚诺Joss博士是过程工程师瑞士联邦理工学院的水产科技(作者之一),他指出,有“50化合物通常在微量污染物去除的背景下讨论。生物方法去除只有大约20%的这些化合物”。

提出了化学氧化预处理,禁用复杂有机分子在生物降解完全分解步骤。这可以通过添加氧化的化学物质,包括过氧化氢、臭氧、无机催化剂,或通过电化学方法。电化学氧化的方法包括使用阳极掺硼金刚石,获得完整的矿化废水有机物含有29目标药物和杀虫剂。博士戈麦斯状态“高级氧化方法减少这些化学物质的水平,但他们有极高的能源成本,产生空气排放和有潜在危险的产品”,事实上,阳极的研究人员提出了掺硼金刚石环境担忧氯酸盐、高氯酸盐的生成物种,并释放到环境的潜在影响。

最后,还有有机微污染物的吸附在固体颗粒,过滤,可以从废水中删除。可以通过疏水吸附范德华相互作用或离子相互作用,和常见的颗粒材料包括粒状活性炭、活性氧化铝、沸石、泥炭和有机框架。根据Joss博士,活性炭代表最可伸缩的选项,“活性炭很廉价,容易和激活过程只需要烤箱温度控制。”戈麦斯博士认为“我们使用活性炭;它可以大规模生产。吸附剂的挑战是要利息的污染物,和你能制造足够的吗?“然而,活性炭通常被描绘成一个昂贵的和繁重的选项在文献中由于其再生过程,这就需要高温治疗和大气控制。

一些新的吸附剂种类正在探索在实验室规模的潜在有效去除有机微污染物和重新生成。这样一个物种是环糊精,天然糖分通常与空气污染物去除相关产品,如Febreze®。近年来,环糊精聚合物已经找到一个新的应用程序在水净化。不溶性环糊精聚合物提出了作为一个便宜的,可持续生产活性炭的替代品。从西北大学最近的研究报道的生产高表面积,交联聚合物β-cyclodextrin扣押有机微污染物在利率15 - 200倍更大的比活性的碳原子。此外,再生过程只需要一个温和的洗涤过程的性能。

前景

有广泛的协议需要减少环境中抗生素污染。这是动机,首先,从其它的角度从有机微污染物环保措施来保护自然生态系统。联合国最新报告提供提醒人们人类的巨大的足迹在脆弱的植物,说明100万动物和植物物种正在濒临灭绝。其次,有迅速积累关于抗菌素耐药性和人类健康的担忧。

有丰富的新产品和改进研究景观挑战有机微污染物的降解和去除的方法,它可以看起来我们不远达成决议。然而,工程师的角度来看共振问题的可扩展性和实用性。对于任何新的净化技术,这些因素必须在最前列。“这是可伸缩的和可行的吗?“一样重要”降低我们的目标/吸附化学吗?”戈麦斯博士雄辩地总结了“你必须看看这些整体处理技术,它是关于翻译研究实用性”。