它在水中:抗菌污染与环境

全球对抗微生物药物的依赖

很难想象一个没有抗微生物药物的世界。从医疗保健到农业;抗微生物药物是现代世界微生物安全的基础。在农业中，抗生素被用于控制微生物病原体和促进家畜的生长。2017年，美国食品和药物管理局报告说，这种情况已经结束1000万公斤的抗菌药物用于食用动物，其中51%具有重要的医学意义。在人类医学中，抗菌素在医院和社区中分发，以预防或治疗传染病。2014年，疾病控制中心(CDC)报告称2.661亿年口服抗生素处方，以及来自欧盟的最新数据报告的中位数消费率为17.9个限定日剂量每1000名居民使用抗生素。不幸的是，抗菌素的生命周期并不会随着使用它的人或动物而结束。

抗菌化合物的生命周期

这取决于确切的抗菌素及其应用途径10 - 90%可能以活性形式排出体外。以一名人类患者为例，服用口服阿莫西林治疗链球菌性咽喉炎，给药后，超过50%抗生素可能被排出体外，进入污水系统。从这里，它将被运送到污水处理厂(WWTPs)，并进行机械、生物和化学处理。尽管有这些治疗，大量的阿莫西林和其他抗菌素坚持并与处理过的水一起被引入河流和湖泊。随后，它们作为一种看不见的污染物在自然环境中扩散，对自然系统的干扰远远超出了它们原来的管理范围。

抗菌素污染的毁灭性影响

环境中的抗菌素污染与高水平的生态毒性和抗菌素耐药性的迅速蔓延有关。最近的研究揭示了释放到环境中的抗菌素对初级生产者的毒性作用，例如蓝藻和藻类．令人担忧的是，与其他生物活性化学污染物一样，抗菌剂将自下而上破坏整个生态系统的稳定。除了抗菌素在环境中的直接生态影响外，抗生素耐药微生物的出现是全球人类卫生保健的一个主要问题。耐多药微生物病原体的流行率正在上升，其中许多病原体的治疗难度要大得多。例如，世界卫生组织仅报告了广泛耐药结核病(XDR-TB)的治疗成功率34%2015年，与82%治疗非耐药结核病。

作为抗生素的天然生产者，细菌具有先天的机制与这类化学物质相互作用。此外，与动物相比，细菌的进化速度非常快。这些因素极大地增加了细菌滋生的可能性自发产生抗性为了应对外部选择压力，例如抗菌素的存在。随着越来越多的抗微生物药物被释放到环境中，耐抗生素细菌的繁殖压力越来越大，最终它们会回到人类体内。一个特别令人担忧的环境是WWTPs，它可能作为耐抗生素的人类致病菌的孵化器^[1]，[２]．一项针对4个美国wwtp的研究发现了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%废水样本，包括废水流出物。

清除环境中的抗菌污染物

问题是污水处理厂从来没有被设计用来去除复杂的化学物质。诺丁汉大学化学与环境工程讲师雷切尔·戈麦斯博士解释说:“污水处理厂是在19世纪50年代发明的，旨在去除致病微生物。污水处理厂从来就不是为了去除这些新出现的污染物而设计的。”wwtp是打破环境中抗微生物药物污染循环和消除抗微生物药物耐药细菌选择压力的关键目标。然而，抗微生物药物呈现出一种重大的挑战对于现有的污水净化方法，按作用机理可分为生物降解、化学氧化和吸附。

目前大多数wwtp都在使用生物降解作为降解或去除废水中有机分子的主要方法。生物降解过程依赖于废水污泥中的微生物和固体生物质降解和吸附有机分子，然后通过沉淀或膜过滤分离。然而，这些方法通常证明了一个较低的功效用于复杂的药物分子，如抗菌剂。Adriano Joss博士是瑞士联邦水产科学与技术研究所(EAWAG)的工艺工程师，他指出，“在去除微污染物的背景下，通常会讨论50种化合物。生物方法只能去除大约20%的这些化合物。”

化学氧化已被提出作为一种预处理，以使复杂的有机分子在生物降解步骤中完全分解之前失活。这可以通过添加氧化性化学物质来实现，包括过氧化氢、臭氧、无机催化剂或通过电化学方法。电化学氧化方法包括使用a掺硼金刚石阳极，实现了含29种目标药物和农药的出水有机物的完全矿化。戈梅斯博士表示，“先进的氧化方法降低了这些化学物质的水平，但它们有极高的能源成本，它们会产生空气排放，并且有潜在的危险副产品”，实际上，掺硼金刚石阳极的研究人员对氯酸盐和高氯酸盐的产生以及它们释放到环境中的潜在影响提出了环境担忧。

最后，固体颗粒可以吸附有机微污染物，通过过滤将其从废水中去除。吸附可通过疏水范德华相互作用或离子相互作用来实现，常见的颗粒材料有颗粒活性炭、活性氧化铝、沸石、泥炭和金属有机骨架。据Joss博士介绍，活性炭是最具可扩展性的选择，“活性炭非常便宜，容易获得，激活过程只需要一个控制温度的烤箱。”戈梅斯博士表示同意:“我们使用活性炭;它可以大规模生产。吸附剂面临的挑战是，它能吸收我们感兴趣的污染物吗?你能制造足够多的污染物吗?”然而，活性炭经常被描述为一种昂贵的由于其再生过程需要高温处理和大气控制，在文献中是一种负担重的选择。

一些新的吸附剂种类正在实验室规模上进行探索，因为它们具有去除有机微污染物和高效再生的潜力。其中一个物种是环糊精，一种天然存在的糖，通常与空气污染物去除产品(如Febreze®)有关。近年来，环糊精发现了一种新的聚合物应用程序在水净化方面。不溶性环糊精聚合物被认为是一种廉价、可持续生产的活性炭替代品。西北大学最近的研究报告了一种高表面积的交联β-环糊精聚合物的生产，这种聚合物可以快速隔离有机微污染物15 - 200次大于活性碳。此外，再生过程只需要温和的清洗程序，没有性能损失。

前景

人们普遍认为有必要减少环境中的抗菌素污染。首先，这是出于保护自然生态系统免受有机微污染物侵害的长期环境倡议的角度。联合国最近的一份报告清晰地提醒人们，人类对这种脆弱的植物留下了巨大的足迹，报告称，目前有惊人的100万种动植物濒临灭绝。其次，对抗菌素耐药性和人类健康的担忧迅速增加。

随着对具有挑战性的有机微污染物降解和去除的新方法和改进方法的丰富研究，我们似乎离达成解决方案不远了。然而，工程师的观点与可伸缩性和实用性的问题产生了共鸣。对于任何新的净化技术来说，这些因素都必须放在首位。“它是可扩展和可行的吗?”和“它能降解/吸附我们的目标化学物质吗?”一样重要。戈梅斯博士雄辩地总结道:“你必须从整体上看待这些治疗技术，这是关于将研究转化为实用性的问题。”