Page 37 - 《精细化工》2021年第5期
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第 5 期 王佳豪,等: 光化学 AOPs 去除水中抗生素抗性菌和抗性基因研究进展 ·891·
2.1 光激发氧化 测到,所有 ARGs 的对数去除率达到(0.8~2.0) log。
光激发氧化是 H 2 O 2 、O 3 等氧化剂在紫外线照射 不过 UV 照射产生的环丁烷嘧啶二聚体(简称
下生成强氧化性自由基的一种光化学氧化法。对于 CPDs)、6-4 光产物(简称 6-4PPs)以及臭氧氧化造
ARB 和 ARGs 的去除,目前主要有 UV/H 2 O 2 、UV/O 3 、 成的 DNA 的损伤都可能会引发 DNA 损伤修复机
UV/氯、UV/过硫酸盐(PS)等体系。 制,导致基因水平转移和突变率的提高,扩大抗生
2.1.1 UV/H 2 O 2 素耐药性的演变概率,提高水生环境的潜在风险。
UV/H 2 O 2 是水处理领域研究和应用最广泛的 UV/氯与常规高级氧化不同的是,氯在 UV 的
AOPs 之一。MICHAEL 等 [19] 对比了 UV-C(短波紫 辐射下不仅可以产生•OH,还可以生成 Cl•、Cl 2 、
•–
外线)/H 2 O 2 和太阳光/H 2 O 2 两种方法用于市政污水 •–
ClO•、ClOH 等活性氯(简称 RCS)。虽然 UV/H 2 O 2
中的 ARB 和 ARGs 的去除,发现在灭活抗性菌方面 的应用非常广泛,但 H 2 O 2 的摩尔吸光系数〔UV 254 ,
两种方法均能使环丙沙星和磺胺甲唑存在下的大 19 L/(mol·cm)〕远低于 OCl 〔66 L/(mol·cm)〕和
–
肠杆菌和铜绿假单胞菌失活,其灭活剂量存在较大 HOCl〔59 L/(mol·cm)〕 [24] ,因此,UV/氯产生自
由基所需能量比 UV/H 2 O 2 少 30%~75%。常规氯化
差异〔UV-C/H 2 O 2 :8 min,0.06 kJ/L(指每升 H 2 O 2
辐射的能量,下同);太阳光/H 2 O 2 :120~150 min, 消毒加入紫外线后不仅可以减少消毒副产物的形成
16~ 20 kJ/L〕。其原因在于 UV 在太阳光中占比很少, 还能降低氯的用量,DESTIANI 等 [25] 在使用单独的
导致 UV-C 照射更有利于 H 2 O 2 的光解,产生更多的 UV(200 mJ/cm )和液氯氯化〔30 mg/(min·L)〕
2
•OH,因此,UV-C 比太阳光处理效率更高。然而, 来去除饮用水中的 tetA、bla- TEM1 、sul1、mphA 时,
两种技术都不能将 ARGs 去除到低于定量限的水 对数去除率分别仅达到 1.7 log 和 1.2 log,然而,应
平;只有处理后的 tetM 和 bla CTX-M 基因的对数去除 用辐射量为 200 mJ/cm 的 UV 和加氯量为 2 mg/L 的
2
率达到约 1.4 log(一般对病毒细菌灭活研究常用对 氯化消毒后 ARGs 对数去除率超过 2 log,产生了协
数去除率,1 log 为 90%,2 log 为 99%,以此类推), 同作用。与单独使用氯化消毒相比,对 ARGs 的协
其余抗性基因与处理前相比均未受明显影响。类似 同作用可使 ARGs 的对数去除率提高。
的,FERRO 等 [20] 通过 UV/H 2 O 2 技术评估了废水中 此外,与•OH 相比,RCS 具有一定的选择性,
的耐药大肠杆菌(氨苄西林、环丙沙星和四环素) 对富电子有机物有更高的活性 [26] 。ZHANG 等 [27] 利
的灭活及其抗性基因 bla TEM 的去除,发现抗性大肠 用 UV/氯技术在 1 min 内即可将饮用水中的 ARB 假
杆菌在紫外线照射 240 min 后达到检出限以下,而 单胞菌 HLS-6 完全灭活,同时对水中 ARGs 也获得
bla TEM 在 300 min 后仍然不能完全去除。不同的是, 较高的对数去除率(sul1>3.5 log、intI1>4 log),然
ZHANG 等 [21] 利用 UV/H 2 O 2 工艺实现了对市政污水 后使用硝基苯(简称 NB)作为猝灭剂清除•OH 后,
中 ARGs 的对数去除率达到 2.8~3.5 log,然而,这 发现 ARGs 的对数去除率没有明显降低。可能是因
是在最佳实验条件,即 pH 为 3.5,H 2 O 2 质量浓度为 为 RCS 作为一种具有选择性氧化能力的自由基,将
340 mg/L(0.01 mol/L)并伴随 30 min 的紫外线照 有更多的机会与靶基因发生反应,而•OH 则易被
射达到的,H 2 O 2 质量浓度和 pH 或高或低都会导致
ARB 细胞中的其他成分所消耗。两类自由基去除
ARGs 的去除效果受到影响。总之,基于以上研究 ARGs 的不同机制如图 1 所示,表现为 RCS 对于
结果可以判断 UV/H 2 O 2 虽然可以有效去除抗性菌, ARGs 的去除能力比•OH 强得多。UV 和氯的结合
但是无法完全去除水中 ARGs,并不能保证控制抗
不仅有利于减少消毒副产物(简称 DBP)的形成,
生素抗性基因污染的安全性。
还能降低紫外线和氯的剂量,减少运行能量和成
2.1.2 UV/O 3 与 UV/氯
本,在去除 ARGs 和 ARB 灭活的实际应用中有巨
为了提高对 ARB 的灭活和 ARGs 的去除效果,
大的潜力。
有研究人员将传统消毒工艺中的 O 3 和 Cl 2 等氧化剂
与紫外线联合处理,同时能避免单一处理方法造成
微生物菌群对消毒试剂和抗生素产生交叉抗性 [22] 。
JÄGER 等 [23] 研究了单独或联合使用紫外线和臭氧
处理废水中 3 种兼性致病菌和 7 个临床相关抗生素
耐药基因,结果表明,在 UV/O 3 联合处理下,大肠
杆菌和肠球菌对数去除率分别为 2.0 log 和 1.8 log,
它们的相对丰度也大大降低;真菌组分对数去除率减 图 1 •OH 与 RCS 去除 ARGs 不同机制示意图 [28]
少了 1.7 log 且在联合处理后铜绿假单胞菌没有被检 Fig. 1 ARGs removal mechanism of •OH and RCS [28]