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]
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