畜禽养殖废水中抗生素和重金属的污染效应及其修复研究进展

卢 信， 罗 佳， 高 岩， 严少华， 张振华

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014;2.江苏滩涂生物农业协同创新中心，盐城师范学院，江苏盐城224002)

随着社会发展与人们物质需求的不断提高，集约化、规模化畜禽养殖业蓬勃发展。集约化养殖场与传统的饲养方式相比具有规模大、数量多、密度高等特点，发生的疾病也越来越复杂，高密度的养殖环境为传染病的发生和流行提供了条件，一旦疫病侵入，就会传播蔓延，造成巨大的经济损失。因此，铜(Cu)、锌(Zn)等重金属元素及四环素类、氟喹诺酮类等抗生素被广泛用于畜禽养殖，在预防和治疗疾病、促进动物生长以及提高饲料利用效率等方面发挥了显著的作用，成为现代畜牧养殖业不可或缺的因素。一般情况下，一个10万头规模的养猪场日产污水约260 t，若不处理或处理不当就排放于环境或作农用，会造成局部地区水体与农田污染。大量的畜禽粪便排放，是构成抗生素和重金属面源污染的主要原因之一。

规模化养殖业中重金属添加剂和抗生素药物的普遍使用给环境带来了很多负面效应。一方面养殖户为追求高生产性能，在饲养过程中超量添加抗生素和重金属元素;另一方面由于抗生素与重金属在动物体内利用率较低，添加量中真正参与机体代谢发挥效用的不超过40%，剩余部分以原形或其代谢产物形式随粪尿和冲洗栏舍废水一起排入水环境中，导致养殖场废水中除氮、磷和化学需氧量(COD)外，同时含有重金属、抗生素等多种污染物［1］。近年来，抗生素污染诱发的细菌耐药性问题逐渐引起了人们对抗生素污染的关注，与过去相比，抗性细菌在数量、多样性以及抗性强度上都显著增大，多重耐药菌株的检出也相当普遍，甚至出现了能抵抗绝大多数抗生素的“超级细菌”，抗生素污染的潜在危害不容忽视。与抗生素污染不同，重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和生物累积性，在自然环境中难被降解。此外，具有抗生素与重金属交叉抗性基因细菌的出现可能带来更严重的生态环境危害，也给养殖废水资源化利用带来风险。因此，了解养殖废水中重金属与抗生素的污染现状，认识其对生态环境的潜在危害，以及探索有效的修复与治理措施具有非常重要的意义，已成为环境领域研究的热点之一。

目前，关于环境中重金属污染效应及其修复的研究报道较多［2-6］。20世纪90年代末，抗生素作为环境中一种新型的污染物，其对环境的污染及危害开始受到国外学者的广泛关注。然而，目前关于抗生素的环境行为、生态环境危害及修复技术的研究文献还较少，主要有美国和欧盟各国进行的环境中抗生素残留及危险性评估调查研究，而国内的相关研究尚处于起步阶段，研究的技术手段还比较落后［7-9］。因此，本文针对养殖废水中重金属与抗生素交叉污染日益严重的问题，综述国内外有关重金属、抗生素及其复合污染效应与修复的研究进展，以引起人们的关注和重视，并为今后开展相关领域的研究提供思路与参考。

1 集约化养殖下抗生素与重金属污染现状

1.1 养殖废水中的抗生素污染

迄今为止，畜禽养殖中使用抗生素作为生长促进剂已有60多年的历史，涉及的药物达上百种，美国联邦政府食品药物管理局批准使用于畜牧业的抗生素等促生长饲料添加剂有55种，中国农业部2001年发布的《饲料药物添加剂使用规范》中允许作为促生长饲料添加剂的抗生素有33种。据报道，全世界抗生素年均使用总量为1.0～2.0×105t，其中约70%用于畜牧业;欧盟国家每年抗生素用量达5 000 t，其中四环素类抗生素占一半［10］。美国每年生产的抗生素中约有70%用作畜禽生长促进剂，其中用于动物生产的年抗生素用量为1.12×104t［11］。中国是抗生素的生产和消费大国，2003年仅青霉素产量就达2.8×104t，占世界总产量的60%;土霉素产量1×104t，占世界总产量的65%，其中约46.1%用于畜禽养殖业。

随着集约化养殖业的发展以及动物疾病复杂性增加，抗生素作为饲料添加剂的使用量也日渐增加。目前使用抗生素的种类主要有:①β-内酰胺类，包括青霉素类和头孢菌素类，分子结构中含有β-内酰胺环;②氨基糖苷类，包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素等;③四环素类，包括四环素、土霉素、金霉素及强力霉素等;④氯霉素类，包括氯霉素、甲砜霉素等;⑤大环内酯类，常用的有红霉素、乙酰螺旋霉素、阿奇霉素等;⑥糖肽类抗生素，主要有万古霉素、去甲万古霉素、替考拉宁等;⑦喹诺酮类，包括诺氟沙星、氧氟沙星、环丙沙星等;⑧硝基咪唑类，包括甲硝唑、替硝唑、奥硝唑等。以常用的四环素类抗生素为例，作为一种广谱性抗生素，该类抗生素对治疗畜禽呼吸系统疾病和家畜的细菌性腹泻非常有效，连续低浓度投药有较好的促生长效果，而且还能促进产蛋和增加泌乳量。但因四环素类抗生素属人畜共用抗生素，易产生抗药性，欧洲已禁止该类抗生素作为促生长抗生素应用，美国和日本仍在使用金霉素和土霉素季铵盐，但中国仍大量使用土霉素钙盐。

抗生素经动物体代谢后大部分以母体化合物或代谢体的形式经动物粪便和尿液排出体外，进入养殖废水或周边的水体环境介质中，给生态环境带来不良影响，并通过食物链传递，对人体健康产生潜在的危害。研究结果表明，抗生素被摄入后除少部分残留在体内，85%以上以原药和代谢产物的形式经由病人与动物的粪尿排出体外，进入生态环境［12］，对农田土壤、地表和地下水及生态系统中各类生物产生危害［10，13-14］，并诱发和传播各类抗生素耐药致病细菌［15-16］。

Hirsch等［10］在德国地表水检测到 0.24 ～6.00 μg/L的克拉霉素、脱水红霉素、氨苄青霉素、氯霉素和磺胺甲噁唑，并发现距离污水处理厂出水口较近、面积较小的地表水源中抗生素含量相对更高。1999～2000年在美国30个州的139条河流中检测到磺胺类、四环素类、林可霉素类、泰乐菌素类等21种抗生素，检出率高达60%［17］。陈永山等调查了浙江省苕溪流域某规模化养猪场排放的典型废水中兽用抗生素污染状况，结果表明，废水中四环素、土霉素、金霉素和强力霉素等4种四环素类抗生素污染最为严重，最高单体污染浓度可达 13.65 μg/L［18］。姜蕾等在长江三角洲养猪场废水中检测出5种磺胺类抗生素(浓度低于5μg/L)和3种四环素类抗生素(浓度为30.05 ～ 100.75 μg/L)［19］。现有的养殖废水处理程序对相当一部分抗生素没有明显的去除效果，进入水体中的抗生素成为水资源重复利用的一个巨大挑战［20-23］。虽然许多抗生素的半衰期不长，但由于频繁地使用并进入环境，使其形成持续污染，进而对人体健康以及整个生态系统构成长期潜在危害。

1.2 养殖废水中的重金属污染

在畜禽养殖过程中，饲料中常添加适量Cu、Zn等重金属元素，以提高畜禽的生产性能及维护机体的健康。铜本身不是构成血红素的成份，但它是动物利用铁成为血红素前所必需的元素，因此常在饲料中添加铜以确保动物正常生长。研究结果表明日粮中添加高剂量铜(200～250 mg/kg)可显著提高猪的生长性能，添加高剂量锌(200～400 mg/kg，乳猪日粮中添加量2 000～2 500 mg/kg)可增强免疫

力及抗病力，降低仔猪断奶后腹泻及促进生猪生长［24］。通常畜禽胃肠道只能吸收极小一部分金属元素，大部分(约占添加总量的60% ～70%)随着粪尿排出体外，并进入养殖废水。据报道，在澳大利亚养殖废水中检测到较高的铜、锌含量，并分离出对重金属和抗生素具有混合抗性的基因［25］。徐俊等对江苏省畜禽养殖场产生的废水进行抽样检测，发现养殖废水中总铜、总铁含量最高分别为9.81 mg/L、8.52 mg/L，污染现状值得关注［26］。章杰等对不同养殖模式下排出的污水进行分析，发现其中重金属污染物以铜、锌为主，含量分别为1.92 ～5.78 mg/L、1.30 ～9.25 mg/L［27］。

2 抗生素与重金属复合污染的危害

抗生素和重金属是现代养殖业的两大污染物，将抗生素和重金属用于喂养牲畜，不仅是为了防治疾病，也是为了加速牲畜的成长。然而，作为药物或饲料添加剂的抗生素与重金属，经动物体代谢后大部分以母体化合物或代谢体的形式被排出体外，进入养殖废水或其他水体环境介质中，对生态环境和人体健康产生潜在的危害。与农药和其他有机物不同，抗生素类药物具有较高的生物活性，即使很低的浓度对生态环境的潜在危害和人类健康的威胁也是巨大的。

2.1 对环境微生物的危害

养殖废水中的抗生素与重金属污染不仅对水环境中的微生物具有毒害作用，而且可能通过渗漏和污水灌溉进入土壤而影响土壤生物(特别是土壤微生物)的生存和繁殖、代谢功能、种群数量等，使生物量、群落结构和生物多样性发生改变，影响土壤养分循环过程和自净能力等。重金属首先危害土壤微生物，不适应重金属环境的微生物数量会剧烈降低，甚至灭绝;适应重金属环境的微生物存活下来，并逐渐成为土壤优势菌。

抗生素多为抗微生物药物，对环境中的微生物具有抑制或者杀灭作用，能直接杀死环境中某些微生物或抑制其生长，影响环境中微生物群落的组成，改变原有的微生物区系，导致微生态平衡失调。从20世纪90年代开始，就有文献报道抗生素对鱼塘沉积物及其他水体环境中微生物繁殖、群落数量和活性有明显的抑制作用［28-30］。张跃华等［31］研究发现，125 mg/kg阿维菌素能明显抑制土壤微生物的种群数量和细菌、真菌、放线菌的生长速度。王丽平等［32］研究发现，土壤中2～20 mg/kg恩诺沙星会抑制土壤微生物活性和有机碳的矿化。Weber等［33］研究了处理过含抗生素环丙沙星废水的人工湿地污水处理系统中微生物群落组成、活性及群落水平生理，发现微生物多样性及活性在5周内受到明显抑制，其降解同化有机物的能力也受到影响。可见，由于抗生素影响了环境微生物的群落结构、种群数量及生物活性，从而影响水体和土壤中动植物残体、粪便和有机质的腐烂和分解，并降低微生物对其他污染物的降解能力［34］。

2.2 对植物的危害

重金属元素毒性大、难降解，进入水体之后被水生植物吸收和富集，不仅影响植物体生理生化过程，对植物生长产生毒害，还可能被水生动物取食后经食物链逐级放大而达到很高浓度，最终危害人畜安全。水体中重金属污染会引起植物中毒症状，主要表现为:根系生长严重受阻，褐变畸形，出现“鸡爪根”;植物叶片黄化甚至枯死;种子的萌发和籽粒的发育受到抑制等［35］。此外，重金属对水生植物叶绿素的合成及光合作用有着直接的影响，研究结果表明，黑藻、菖蒲和浮萍等水生植物体内叶绿素总量随环境中重金属含量的升高而降低，呈显著的负相关。植物体内抗氧化酶系统中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)在低重金属污染浓度下具有较好的抗胁迫能力，但其活性随着重金属浓度的升高而不同程度地降低，其中以SOD表现最为敏感和最有规律，其他2种酶因重金属种类及浓度不同而呈现复杂的变化趋势［36-37］。

环境中残留的抗生素能够被植物吸收和积累，并影响植物的生长发育及其对氮、磷、钾等营养元素的吸收。抗生素可与植物体内的某些组分发生相互作用而干扰细胞的正常分裂、影响根系的发育和地上部分的生长及抑制叶绿素的合成并最终导致植物衰亡。不同植物和植物的不同部位对抗生素的吸收或积累传输有较大的差异，有的植物对抗生素有较强的吸收积累能力，根部是植物积累抗生素的主要场所。磺胺二甲基嘧啶和四环素可降低水生植物浮萍的生长率，高浓度(2.33～4.92 mg/L)下则具有杀伤作用［38］。Brain 等［39］研究发现，在0～1 000 μg/L时，磺胺甲恶唑和左氧氟沙星对浮萍和狐尾藻生长均具有毒害作用，并影响植物色素的合成从而抑制光合作用。吴丽爽等通过添加不同浓度梯度的卡那霉素、潮霉素、壮观霉素和氯霉素4种抗生素研究了其对水生植物小对叶外植体分化的影响，发现一定浓度的抗生素对小对叶离体叶片的分化具有抑制作用［40］。Bradel等［41］采用 PCR 方法研究了四环素对圣诞红分枝的影响，结果表明当营养液中四环素浓度为100～1 000 mg/L时，由于植物原生质体受到影响而使植株单轴生长，从而使圣诞红分枝受到抑制。

不同抗生素污染对陆生植物生长发育的影响也各异。Migliore等［42］研究发现抗生素在植物根系及地上部分均可积累，但累积能力因植物种类及部位不同而异，原因是不同植物吸收和转运抗生素的能力不同。比如，属于C3植物的大麦根系积累量/叶积累量比值(R/F)为1.2，而C4植物玉米R/F则为21.6，原因可能是不同类型植物代谢途径不同。Migliore等［43］研究发现低浓度恩诺沙星(50～100 μg/L)促进香瓜、莴苣、萝卜和菜豆的生长，高浓度则显著抑制这4种作物主根、胚轴、子叶的生长，降低叶片数量，其中对根的抑制效果最明显。Boxall等［44］研究发现，土霉素、保泰松和恩诺沙星在浓度为1 mg/kg时可显著抑制胡萝卜和莴苣的生长，而相同浓度的阿莫西林、磺胺嘧啶、泰乐素、甲氧苄啶和氟苯尼考等对这两种蔬菜生长没有影响。

2.3 对水生动物的危害

重金属与抗生素对水生动物也有毒害作用。水体中重金属可通过呼吸、消化、体表渗透等途径被水生动物吸收，并在体内不同组织、部位蓄积，降低经济水产动物食用安全性。肝胰腺和内脏团是主要的营养储存场所和解毒器官，因此重金属在这些组织内的蓄积量最高，在肌肉内的蓄积量相对少［45-46］。短暂暴露在高浓度重金属溶液中的鱼类会产生应激反应，鱼体的免疫能力降低。低浓度的重金属对长期暴露在污染水体中的水生动物体内抗氧化酶、消化酶、转氨酶和碱性磷酸酶等参与生命活动必需的各种酶具有诱导激活作用，而高浓度则有抑制作用，并对动物体各器官的结构和功能造成损伤，损害水生动物的呼吸和代谢等生理功能，导致水生生物生长和繁殖异常、生物体畸变甚至死亡［47-49］。重金属对污染水域的水生动物群落结构也可能产生影响，有研究结果表明，砷污染的水域浮游甲壳动物的生长受抑制，砷污染使其向小个体和耐污型方向发展，且幼体比例增多;在种类组成上，对重金属污染较为敏感的桡足类和枝角类种类及数量较少，原生动物和轮虫生物量较大［50］。

水体中残留的抗生素会进入水生动物的血液循环，部分残留在体内组织中，并逐渐在体内蓄积和富集起来，不仅影响动物机体的生长发育，还会通过食物链危害人类健康。目前，关于抗生素污染对水生动物危害的研究大多以短期急性毒性试验为主，开展的实验室研究大多将生物体暴露在较高浓度的抗生素水平下研究生物的生长、繁殖和死亡等指标。在养殖场常用的抗生素甲硝唑、喹乙醇、土霉素和泰乐菌素中，喹乙醇对大型溞的半致死剂量最低，急性毒性最强［51］。王慧珠等［52］研究了养殖中普遍使用的四环素和金霉素对大型溞、斑马鱼和鲫鱼3种水生生物的急性毒性，结果表明抗生素对受试生物的半致死浓度为30.0～617.2 mg/L，其中四环素对3种水生生物均属低毒，金霉素对大型溞属低毒，对于斑马鱼和鲫鱼则属中毒。

由于大部分抗生素对水生动物的急性毒性都较小，且正常情况下水环境中抗生素的实际残留浓度与达到急性毒性的剂量之间存在很大差距，因此针对低剂量、长期持续污染暴露下抗生素对水生生物体内生理、生化以及分子水平等敏感指标的研究更有实际意义。研究结果表明，处于低营养级的小型动物对抗生素更为敏感，在低浓度下土霉素能使锥形宽水蚤生长异常，成年个体繁殖能力下降，幼虫发育受阻［53］;低于急性中毒剂量的抗生素仍能严重干扰淡水中甲壳类生物水蚤的繁殖性能，及影响鱼肝脏内7-乙氧基异吩恶唑酮脱乙基酶 (EROD)活性和活性氧簇(ROS)的含量。大环内酯类药物对水蚤和鱼类危害较大，长期暴露下会对生物体内酶活性、免疫机能和胚胎发育产生不良影响［44，51，54］。

2.4 细菌耐药性的危害

近年来，抗生素污染问题开始备受关注，并逐渐成为研究热点之一，主要原因是人们越来越意识到抗生素的滥用所导致的抗性基因和细菌耐药性的产生和蔓延已成为人类健康的潜在威胁，且造成的后果难以估量。抗生素虽有一定的抗菌谱，但其在环境中作用于病原菌的同时也会影响周围有益菌群生长，特别是长期大量使用，会使生物机体内菌群失调，微生态平衡被破坏，潜伏的有害菌趁机大量繁殖，从而引起感染。在畜禽养殖业中，大肠杆菌、葡萄球菌、沙门氏菌等过去并非十分难以杀灭的细菌，而当前已上升为主要的畜禽传染病菌，这与长期滥用抗生素有直接关系。由于在抗生素的使用过程中诱导产生了具有忍耐性的抗性菌株，使得抗生素能杀死细菌的有效剂量在不断提高。

此外，由于普遍在饲料中添加抗生素和重金属，养殖废水中抗生素和重金属呈现持续低浓度污染的状态，长期的多种污染物并存，使得环境微生物通过自身的进化和发展产生抗生素和重金属交叉抗性。Matyar等分别从生物体和水体中分离出多株对16种抗生素和5种重金属具有抗性的细菌［55-56］。国内相关研究人员从养殖废水中筛选出7株具有重金属和抗生素协同抗性的细菌，并发现重金属共存会改变菌株MA1对阿莫西林的敏感性，例如Hg2+与阿莫西林共存使菌株的耐药性大大提高，而Pb2+、Cr6+、Cu2+、Zn2+则表现出不同的协同杀菌能力［57-58］。养殖业中多种抗生素及重金属交替使用，造成养殖废水中可耐受多种抗生素的耐药菌及具有重金属和抗生素交叉抗性的细菌出现，其中一些致病菌的大量出现，很可能成为危害公众健康的因素之一，需要引起高度重视。此外，养殖废水容易成为耐药基因扩展、演化和繁殖的重要媒介，不同类属的细菌通过相互接触传递耐性基因，在不同环境介质进行迁移转化，最终通过水和食物传给人类［7］。

总之，养殖废水如未经处理或未达标排放，会使河流、湖泊等地表水及地下水也受到抗生素和重金属污染，造成饮用水源污染和水生生物生长受影响，水产品质量下降。人类若经常饮用受污染的水，食用受污染的水产品会造成重金属和抗生素在体内蓄积，危害机体的正常生理功能。此外，水生生物生长在被污染的环境中会产生多重耐药性，其中食源性病原菌可能通过食物传递给人类，养殖业使用抗生素与人体分离出的菌株耐药性之间相关性已被很多研究所证实［59-61］。当人体内病原菌抗药性不断增强，抗生素无法发挥功效时，人类的健康将受到极大的威胁。

3 抗生素与重金属及其复合污染废水的修复技术研究

养殖场废水主要包括畜禽粪尿及冲洗栏舍的废水，其中含有高浓度的氮、磷、耗氧性有机物、重金属

及抗生素残留等。目前规模化养殖废水处理中人们主要考虑对常规污染指标［化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总氮(TN)和总磷(TP)等］的削减和控制［62］，而极少关注废水中的抗生素、重金属等其他污染物的去除。中国是兽用抗生素与重金属微量元素使用的大国，养殖水体抗生素与重金属污染问题尤为严重。然而，一些小型养殖场甚至连一般的废水处理设施都没有，废水直接排放到环境中对周边的水体和土壤环境带来较大的抗生素与重金属污染负荷，对生态环境及人类健康产生了严重的威胁。

3.1 抗生素污染的去除

3.1.1 常规水处理技术 常规水处理工艺包括混凝、沉淀、石英砂过滤(活性炭吸附)和消毒等工艺。Choi等［63］研究了用水处理混凝工艺和活性炭吸附工艺去除四环素类抗生素(TAS)的效果，发现浓度为10～60 mg/L的聚合氯化铝对河水本底初始浓度为100 mg/L的TAS具有19% ～66%的去除率，煤质活性炭对初始浓度10 mg/L的TAS的去除率高于68%。Ye等［64］发现水库原水经氯消毒工艺处理后，仍有6种大环内酯类和氟喹诺酮类抗生素物质被检出。徐维海等［65］监测了4个污水处理厂出水中喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类和氯霉素的含量，发现药物的检出率和含量均高于美国及欧洲国家的水平，进水和出水中的含量范围分别为16～1 987 ng/L和16～2 054 ng/L，表明抗生素在污水处理厂中不能被完全去除。

3.1.2 化学氧化法 化学氧化是指通过氧化剂本身与抗生素反应或产生羟基自由基等强氧化剂将抗生素转化降解，化学氧化法几乎可以降解处理所有的污染物。常用的氧化剂主要有 O3、KMnO4、ClO2等。研究发现，无论是在实验室还是在水厂实验条件下，O3对抗生素的去除率在80%以上，并能将COD和总有机碳(TOC)浓度分别降低34%和24%［66］。此 外 基 于 O3的 高 级 氧 化 技 术，如H2O2/O3、UV/O3、Fenton 系统等，都能有效促进 O3在水中的吸收，产生大量的羟基自由基，提高氧化效果减少O3的剂量。李文君等［67］采用UV/H2O2联合氧化法处理养殖废水，发现在一定条件下，5种磺胺类抗生素去除率均达到95% 以上。可见，UV/H2O2能有效氧化降解畜禽养殖废水中的抗生素。化学氧化法具有处理所需时间相对较短，对抗生素降解比较彻底的优点，适用于制药厂高浓度废水的处理，对于大面积大规模污水处理而言，实际运行费用相对较高。

3.1.3 吸附法 吸附法是指利用多孔性固体吸附废水中某种或某几种污染物，以回收或去除污染物，从而使废水得到净化的方法。常用的介质有活性炭、活性煤、活性污泥、腐殖酸类、吸附树脂等。不同种类抗生素的结构各不相同，其中所包含的官能团或取代基不同决定了它们吸附行为存在一定差异。在常用的抗生素中，吸附性大小顺序为四环素类＞大环内酯类＞氟喹诺酮类＞磺胺类药物，吸附性越强的去除率越高。一些制药厂常用煤灰或活性炭对含抗生素的废水进行吸附预处理，对抗生素去除率较高，CODCr得到大幅度削减［68-69］，比较适合小规模的废水污染处理。

3.1.4 膜技术法 在一定压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的细小微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。朱安娜等［70］利用纳滤膜对含洁霉素废水进行的浓缩试验，结果表明，经历60 h水样中的抗生素浓度浓缩了9倍以上，废水中洁霉素的去除率可达95%。Koyunc等［71］利用膜技术对含四环素类抗生素废水进行处理，不同种类四环素去除率为50%～80%。吸附与絮凝、膜技术等只是把抗生素从一种状态变成另一种状态，并没有把抗生素破坏。这些抗生素有可能还会再次回到环境中，污染环境。而电解法、高级氧化法操作较复杂，运行成本较高，难以实际大规模运用。

3.1.5 生物修复法 生物修复是指利用微生物、植物和动物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害物质的一种环境污染治理技术。生物修复是上世纪80年代开始逐渐发展的清除和治理环境污染的生物工程技术，主要利用生物特有的分解有毒有害物质的能力，去除环境中污染物，达到净化环境的目的，是当前水体污染治理研究的热点之一。一般分为微生物修复、植物修复和动物修复3种类型，微生物修复和植物修复是水污染治理中常用的生物修复措施。与传统水体净化方法相比，生物修复法克服了费用高、净化不彻底、易产生二次污染、危害养殖功能、破坏生态平衡等缺点，能使被破坏的生态系统得以尽快恢复。

微生物修复是利用微生物对污染物的代谢作用而转化、降解污染物，广泛用于有机污染物的降解。通常采用促进土著微生物的代谢活性，分离、筛选降解菌和投加微生物和微生物制剂等方式。微生物制剂不仅可以消除各种有机或无机污染物，净化水质，还有助于提高水生生物机体免疫力，抑制有害微生物生长等，因而有广阔的应用前景。然而，由于抗生素对大多数细菌具有抑制和杀灭作用，通常认为采用微生物修复法处理含抗生素废水具有局限性，效果可能不理想［72］。但是，环境中各种抗性菌株的发现与分离也表明，尽管抗生素具有抑菌和杀菌作用，环境中还是可能存在一些兼具耐药性和降解功能的专性降解菌，这些菌株的分离和鉴定将有助于推动抗生素及其复合污染生物修复技术的开发与研究。

对于大面积水域环境要达到良好去除抗生素的效果，且不引起二次污染，植物修复可能是一个实际可行的方法。植物修复通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，清除环境中的污染物，达到净化环境的目的。针对养殖水体污染的植物修复研究已广泛开展，但前期研究仅关注主要污染物TP、TN、TSS、COD和BOD等的去除，而对抗生素与重金属的污染问题鲜有报道。随着社会对环境微生物耐药性潜在危害的认识不断增强，养殖水体中抗生素污染的植物修复也越来越受到人们的关注，抗生素的植物修复技术属于全新的研究领域，相关研究还比较少［73］。陈小洁等［74］考察了水生植物大漂、凤眼莲对抗生素污染水体的修复作用，发现高浓度(10～50 mg/L)下抗生素去除效果不太理想，但对实际污染水体(抗生素浓度＜2.5 mg/L)去除率分别达80%和90%以上，不论何种浓度下凤眼莲修复效果均优于大漂。此外，水生植物浮床和人工湿地系统也是常用的以植物为主体的修复方式。研究结果表明，三种意大利黑麦草生物浮床可有效去除养猪场废水中的总氮(84.0%)、总磷(90.4%)、COD(83.4%)和磺胺类抗生素(91.8% ～ 99.5%)［75］。Hijosa-Valsero等［76］研究了人工湿地污水处理系统对污水中抗生素的去除效率，发现强力霉素、甲氧苄啶、磺胺甲恶唑等抗生素去除率在59% ～96%，去除效率因植物类型、流速及设计特征不同而异，总体比传统污水处理系统效率要高。以上研究者指出，植物主要通过根部吸收、富集抗生素，或根系分泌一些物质促进抗生素的分解。这为水体抗生素污染治理奠定了一定的基础，但相关研究尚处于起步阶段。

3.2 重金属的去除

常见的水体重金属污染修复方法主要有物化法和生物修复法。物化法主要包括沉淀、絮凝和吸附法。沉淀作用在于通过提高水体pH使重金属以氢氧化物或碳酸盐的形式从水中分离出来。絮凝作用普遍采用铁盐、铝盐及其改性材料作絮凝剂。但是这2种方法对水体环境的伤害较大，使用不当会造成水体理化性质的破坏。吸附法是利用多孔性固态物质吸附水中污染物来处理废水的一种传统方法。目前主要的吸附剂有活性炭、粉煤灰及矿物材料等。矿物材料吸附表面研究已深入到分子水平，对具有一定吸附、过滤和离子交换功能的天然矿物进行合理改善是提高环境矿物材料性能的新途径。如通过铁氧化物改变石英砂的表面性质，所得到的氧化铁涂层砂变性滤料对砷的去除率达95%以上［77-78］。虽然治理效果很好，但对于大范围水域治理难以实施。

重金属的生物修复主要利用水生植物对重金属离子进行吸收、容纳、转移，从而使水体得到净化。常见的浮水及挺水植物如凤眼莲、浮萍、香蒲、水鳖、中华慈菇、芦苇、空心莲子草等，在Cu、Cd、Pb和Zn等重金属污染水域的修复治理中广泛应用。多方面研究结果表明植物对重金属污染水体具有良好的修复作用［79-81］。

3.3 抗生素与重金属复合污染废水的修复

环境中抗生素与重金属协同污染的机率越来越大，复合污染问题日益凸显，然而具有针对性的复合污染修复研究与技术严重缺乏。原因是人们对抗生素污染的关注近年来才开始，目前大多数研究仍停留在抗生素污染现状及生态毒理方面，关于治理修复方面主要是针对一些污染范围小、强度大的制药企业或医院污水，对于养殖废水这类大面积持续低浓度污染水体的研究较少。目前抗生素与重金属复合污染报道较多的是具有两者交叉抗性的基因或微生物的分离、培养、鉴定及抗性效应等研究，而关于两者的复合污染修复方面的研究还未见报道，现有的研究通常仅关注重金属或抗生素单一污染的去除。

抗生素作为一种有机物，除了其独有的抑菌性外，还兼具有机物共同的一些性质，如疏水性、降解性和生物富集性等，因此可以借鉴土壤或水体环境中重金属和其他有机污染物如重金属和多环芳烃、重金属和有机氯化合物等复合污染的修复经验。Arjoon等［82］采用生物刺激法和生物强化法即通过调节土著菌的生长环境以促进其提高降解能力和投加具有高效降解能力的假单胞菌相结合的办法处理1，2-二氯乙烷和重金属 As3+、Cd2+、Hg2+、Pb2+复合污染水体，结果表明1，2-二氯乙烷去除率提高了20%～30%左右，假单胞菌的添加有助于重金属离子的吸附去除。丁克强等采用苜蓿修复重金属Cu和有机物苯并［a］芘复合污染土壤，发现苜蓿可促进苯并［a］芘的降解，增强土壤微生物的活性，但对Cu 的修复效果不理想［83］。

可见，当环境中出现重金属-有机物复合污染时，由于污染物性质差异较大，利用单一的修复法达不到预期效果。微生物修复是环境中有机污染物的主要修复技术，而植物修复技术普遍用于重金属的修复。已有研究结果表明，植物与特定的细菌、真菌或根际菌群等微生物存在协同作用，即植物根系为微生物提供附着物、栖息地和营养物质，有利于微生物种群的稳定和增长，促进微生物分解有机物;而微生物在一定程度上能增强植物对污染环境的适应能力，植物旺盛生长可促进重金属的吸收富集，也可吸收有机物而间接加速有机污染物的降解。此外，根际微生物与植物根系产生的分泌物能增加重金属的生物有效性，也有助于植物对重金属的去除［84-85］。因此，选择适当的植物与微生物联合修复重金属-有机物复合污染水体具有很大的潜力。

4 展望

4.1 加强政府管理机构的执法力度，从源头上控制抗生素与重金属复合污染

中国人口众多，巨大的社会需求促进了规模化养殖业蓬勃发展，经济利益的驱使和监管的缺失导致动物日粮中普遍超量添加兽用抗生素和重金属微量元素，造成养殖废水中抗生素和重金属复合污染问题日益普遍和严峻。政府应该从立法角度规范饲料添加剂的使用，加大监管和处罚力度，从污染源头上加以控制。

4.2 加深抗生素与重金属复合污染生态环境效应的理论研究

虽然当前抗生素与重金属复合污染已非常普遍，但两者复合污染效应的研究还比较欠缺，多数报道仅从单一污染角度进行探讨，很难代表复合污染情况下抗生素与重金属的行为。抗生素作为有机物的一种，分子中含多种官能团，与重金属离子共污染时可能产生一些交互作用如协同作用、拮抗作用等，使两者的环境行为和污染效应与单一污染相比发生明显改变，因此加深复合污染的研究更具有现实意义。

4.3 积极探索绿色高效的抗生素与重金属复合污染修复治理技术

针对当前养殖废水抗生素与重金属复合污染日益严重的局面，单一修复技术往往难以达到理想修复效果，可以借鉴重金属与其他有机物复合污染修复的经验，筛选合适的微生物和植物品种，构建水生植物-微生物联合原位净化体系;或者将物理吸附、化学氧化与生物修复等多种技术相结合，构建绿色高效的养殖废水处理系统，以实现有效的水资源重复利用和水生态环境的保护。

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