植物修复技术去除水体抗生素应用研究进展

卜小丹，沈梦楠*，杨 帆，胡 艺，胡啸威，陈 涛，蔡 航，张 明，刘青宇

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春 130118；2.长春水务集团城市排水有限责任公司，吉林长春 130118）

抗生素是一类由化学技术合成的具有抗菌作用的有机化合物，抗生素可以治疗动物疾病及促进动物生长，所以被广泛应用于畜牧业和水产养殖业。生物无法吸收的抗生素可能持续进入环境，汇于各种环境介质中，造成生态环境风险。因此，研发一种能够高效、经济去除环境中残留抗生素的技术手段一直是学界关注的焦点。目前，围绕着利用高级氧化技术、膜过滤系统和活性炭吸附等一些技术去除抗生素的研究已经开展，并取得了一定的进展，但由于这些方法往往存在成本较高，还会产生二次污染的问题，所以在实际应用方面受到限制。

经过近50年的发展，植物修复技术已成为一种可靠的污水处理技术，被广泛用于处理生活污水、矿山及冶炼废水、暴雨径流及富营养化水体等。植物修复技术具有成本低、效率高和可持续的特征，该技术利用植物超量积累、超耐受作用原理，并辅助利用其微生物系统，实现去除污染物的目的。目前，利用植物修复技术处理水体中抗生素的研究已经开展，并取得了一定的研究进展。

1 植物修复技术对抗生素的去除效果

在植物修复技术中，漂浮植物、挺水植物和沉水植物都可作为修复植物。常见的漂浮植物包括凤眼莲（Eichhornia crassipes）、 大漂（Pistiastratiotes）、浮萍（Lemna minor L.）等；挺水植物包括菖蒲（Acorus calmus）、莲花（Flos nelumbinis）、芦苇（Phragmitesaustralis）、 水葱（Scirpusvalidus）和香蒲（Typhaorientalis）等；沉水植物包括狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）、 苦草（Vallisneria natans）、龙须眼子菜（Potamogeton pectinatus）和菹草（Potamogeton crispus）等。较早研究植物修复抗生素污染的文献报道出现在2005年，Gujarathi 等研究了向日葵、大聚藻和大薸在水培条件下修复四环素和氧四环素污染的可行性，结果显示修复效率大于95%[1–2]。陈小洁等[3]研究发现两种漂浮植物大漂和凤眼莲对水中的抗生素氨苄青霉素、盐酸四环素、盐酸土霉素和盐酸金霉素都具有一定的去除能力，染毒暴露1 d 后，两者对低浓度（10 µg/mL）的盐酸土霉素的去除率分别达到31.5%和71.2%，对比低浓度的盐酸金霉素的去除率分别只有23.5%和41.1%；染毒暴露3d 左右，它们对污水中存在的盐酸四环素去除率分别可达到80%和90%以上，对氨苄青霉素的去除率分别为70%和80%左右；持续暴露5d 后，对比研究了二者去除盐酸土霉素的能力，结果发现，凤眼莲比大漂的清除效果更好，尤其是对低浓度（10 µg/mL）的土霉素，去除效果更明显（去除率为100%）。Vineet Singh 等[4]研究发现，浮萍对氧氟沙星去除率高达93.73%～98.36%。Yan 等[5]研究不同生长阶段（幼苗和成熟阶段）的凤眼莲在水培条件下吸收抗生素能力，结果表明幼苗期和成熟期根中环丙沙星（CIP）的富集量分别7.72～2 114.39 μg/g 和0.07～3 711.33 μg/g；苗期和成熟期地上部分CIP 的富集分别为16.38～24.24 μg/g 和9.55～20.13 μg/g。Rocha等[6]研究发现，漂浮植物（槐叶萍、小浮萍）对红霉素的去除能力在9%～12%，沉水植物（狐尾藻、圆叶节节菜）的去除能力在31%～44%，与漂浮植物相比，沉水植物的表面积与水体接触更大，这可能导致更高的抗生素吸收效率。Zhou 等[7]在人工湿地原有植物组合中添加不同藻类，结果发现，原有人工漂浮生态系统抗生素去除率为50%～78%，而添加藻类后，每种抗生素的去除率提高了10%～20%。

2 植物修复技术对抗生素的作用机制

植物的吸收及代谢、根际分泌物及微生物的降解是植物去除水体中污染物的重要作用机制。Xuan 等[8]研究了植物对四环素（TC）、土霉素（OTC）和金霉素（CTC）去除效率，结果发现，植物吸收分别占总去除率的57%、39%和56%。除植物吸收外，“其他”因子在去除中起重要作用，分别占TC、OTC 和CTC去除效率的35%、47%和44%，这可能与植物根和茎及相关微生物作用相关。Zhang 等[9]研究三种不同兽用抗生素在玉米植物中的吸收、转运和分布及其相关机制，研究结果表明，无论是单一抗生素处理组还是复合抗生素处理组，磺胺甲噁唑和磺胺噻唑在根中的富集量大于茎中，而金霉素则更容易从根中转移到茎中，在抗生素的持续暴露过程中，抗生素首先较易累积在玉米根中，然后逐渐转移到茎中，玉米对抗生素的吸收是一个持续动态过程，植物内抗生素的转运可能与玉米根系水通道蛋白的活性有关。另外，Vineet Singh 等[4]的研究表明，植物在去除氧氟沙星过程中，植物代谢机制是抗生素去除的重要机制。

3 植物去除水体抗生素的影响因素

植物的生长需要一定的环境，植物在修复污染水体的同时也会受到周围环境因素的作用，这些因素包括pH、光照、温度、氧化还原电位及营养盐浓度等。pH 会影响水中营养物质的存在状态，从而使植物的生长发生改变。水体光照强度在水生植物生长中起到决定性作用，这种光照强度的变化会影响植物株高、枝条长度和叶表面积，进而影响植物的生长和存活率，最终影响植物去除抗生素的效果。研究发现，温度与植物根部微生物的活性有很大关系，因此可能影响植物根系微生物对有机污染物的吸收和降解。在不同pH、光照和温度下，水生植物对抗生素去除能力均有不同。朱利明[10]研究了苦草对磺胺的去除效率及影响因素，研究发现，酸性处理条件下，磺胺的去除速率显著低于中性和碱性，在第15 d 时，中性条件下的有苦草处理组的磺胺浓度显著低于其他处理组；水体温度对苦草去除磺胺的影响也较大，10℃处理组的磺胺降解速率最慢，30℃处理组的磺胺浓度下降最快；光照强度越高，磺胺的降解速率越大，水体磺胺浓度越低。

此外，营养液浓度和植物种类等条件也会影响水生植物的抗生素去除能力。从理论上来说，适宜的营养盐浓度是影响水生植物生长的重要条件，适宜的营养盐浓度有利于植物的生长，但过高的营养盐浓度会导致植物过度吸收水体中的养分，进而对水生植物生长产生危害。

4 展望

水体中抗生素污染一直是各国科学家持续关注的重大环境问题，水中抗生素的去除技术成为研究热点。植物修复技术作为一种生物修复技术，由于其具有成本低、效果好、对环境影响小等优点被广泛关注。已有研究表明，水生植物可以有效修复重金属污染，对水中的石油烃、农药和多环芳烃等有机污染物也有良好的去除效果。目前，关于利用植物修复抗生素污染已经做了一些探索研究，并取得了一定的进展。但是，相关研究还处于起步阶段，系统理论体系还未建立。关于高效修复植物的筛选、去除效率影响因素、去除机制，以及抗生素对水生植物的生理胁迫等研究还较少。迫切需要在这些方面进行研究探索，研究结果可为植物修复水体中的抗生素污染提供理论基础和实践支撑。