近日，华南师范大学环境学院应光国教授团队熊倩博士在国际环境领域顶级期刊《Environment International》上发表综述文章“Microalgae-based technology for antibiotics removal: From mechanisms to application of innovational hybrid systems”。
图文摘要
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抗生素作为新污染物所导致的环境问题以及对人类健康的潜在威胁已不容忽视。基于微藻的污水处理技术作为传统污水处理的一种有效替代方法，因其具有太阳能驱动、生态友好、高效且可持续发展等优点，近年来受到广泛关注。本文详细综述了微藻去除抗生素所涉及的生物吸附、生物累积和生物降解等3种主要机制，以及影响抗生素去除效率的重要因素，并深入讨论了胞外聚合物在抗生素生物吸附和胞外降解中所起的关键作用。此外，本文总结了几种强化微藻去除抗生素的方法，包括驯化、共代谢和微生物共培养等。同时，本文还对微藻处理新技术的发展方向进行了归纳，通过将基于微藻的抗生素去除技术与传统的活性污泥法、高级氧化、人工湿地、微生物燃料电池等技术联用，能够实现水环境中抗生素的绿色、高效去除；此外，随着分子生物学的迅猛发展，基因工程技术也可用于提高微藻对抗生素的去除效率。最后，本文还强调了进一步优化基于微藻的抗生素去除技术的必要性，重点在于从技术、环境友好和经济竞争力等方面提高其性能，并扩大其在大规模环境中的应用。
引言
抗生素是指能够抑制或杀死微生物的一类天然或人工合成的化学物质，广泛应用于动物和人类疾病预防和治疗，也常用作饲料添加剂促进畜禽生长。抗生素被人和动物服用后，在体内通常难以完全代谢，大部分会以母体或活性代谢产物的形式随粪便和尿液排出体外。然而，现有的污水处理工艺无法全面有效去除抗生素，未经去除的抗生素随污水处理厂出水和活性污泥释放到环境中。即便是低浓度水平的抗生素残留，也可能会影响环境中生物的生长繁殖，改变生态系统的结构与功能；并诱导耐药菌和耐药基因的传播扩散，进一步通过食物链（网）传递对人类健康和环境健康造成潜在威胁。基于微藻的抗生素去除技术因其独特的优势而备受关注，本文对其研究现状及未来的研究方向进行了综述，重点讨论微藻介导的抗生素去除机理，强化微藻去除抗生素的方法以及新型联合技术的应用。
图文导读
Figure 1 Mechanisms involved in the removal of antibiotics by microalgae.
微藻对抗生素去除的主要途径包括生物吸附、生物累积和生物降解等（图1），生物降解根据反应场所又可细分为胞内和胞外生物降解。生物吸附效果与化合物本身的物理化学性质密切相关，通常亲脂性抗生素（log Kow > 5）相对容易吸附到藻细胞表面。生物累积是指吸附于藻细胞表面的抗生素经主动运输通过细胞膜进入细胞内，并在其胞内累积的现象。抗生素在藻细胞内的累积量随着暴露浓度的增加而升高，当其达到一定水平时，则会诱导活性氧（ROS）产生。现有研究表明，抗生素胞内降解机制可能涉及两个方面：1）ROS防御抗生素胁迫的同时将其氧化降解，但其强氧化特征又会引起藻细胞脂质、蛋白质和DNA等生物大分子结构和功能损伤；2）藻细胞内含有复杂的酶系统，通过催化不同类型的化学反应将抗生素降解。抗生素胞内降解可能主要依赖于ROS和酶，而胞外降解则与胞外聚合物（EPS）和胞外酶等密切相关。EPS是微藻在一定环境条件下分泌于细胞外的，由多糖、蛋白质、核酸、腐殖酸等组成的高分子混合物，其中多糖和蛋白质占主导；通常以溶解态或结合态的形式存在，在抗生素的胞外去除中发挥重要作用。
Figure 2 The interaction modes between microalgae and bacteria.
由于部分抗生素难生物降解，通过改变环境条件的驯化过程，不仅可以提高微藻的耐受能力，还能有效提高其对抗生素的去除能力。此外，通过额外添加有机质或者营养物质构建微藻共代谢体系，也可以有效提高抗生素的去除效率。除了驯化和共代谢外，还可以采用微生物共培养的方式，通过微生物间的相互作用有效促进抗生素降解。目前常用的共培养体系包含微藻-微藻和微藻-细菌，本文从微生物间的相互作用方式、特性、成本及应用等方面对两种共培养体系进行了深入的比较讨论，详见正文。相对而言，微藻-细菌体系研究较多，其相互作用模式如图2所示。此外，较传统的微藻生物处理技术而言，基于微藻的生物技术与传统活性污泥法、高级氧化、人工湿地及微生物燃料电池等新型联合技术有效提高抗生素的去除效率。然而，大多新型联合技术的研究仅限于实验室规模，尚处于发展的初始阶段，距离其在大规模污水处理中的应用仍有挑战。
大量研究表明，微藻介导的抗生素降解，不仅具有藻种特异性，还具有化合物特异性。因此，寻求合适的藻株是构建一个能够稳定、高效去除抗生素系统的关键。目前，飞速发展的高通量测序技术，为微生物群落结构、功能及动态的研究提供了新思路，同时为分离具有高效降解抗生素潜力的微生物提供了技术支持。此外，基因工程技术可用于开发具有特殊代谢活性或功能的工程藻株或菌株，有效提高微生物对抗生素的去除能力。
展望
鉴于抗生素种类的多样性和现实污染环境的复杂性，有效提高微藻对抗生素去除能力的同时，还有几个方面的问题值得关注：
1) 目前关于抗生素生物降解机理的研究较多，但其内在分子机制仍尚未明晰；
2) 组学技术作为有前景的分子手段，其在微藻介导的抗生素降解机理中的研究仍很有限；
3) 基因工程技术在抗生素生物降解中的推广应用仍需要重点关注，尤其是对基因修饰的风险评估；
4) 加强微藻强化技术和新型联合技术在污水处理中的大规模使用，使其高效去除抗生素的同时，有效去除污水中的ARGs和ARB，同时对出水的毒性进行评估。
论文信息如下：
Qian Xiong, Li-Xin Hu, You-Sheng Liu*, Jian-Liang Zhao, Liang-Ying He, Guang-Guo Ying*, 2021. Microalgae-based technology for antibiotics removal: From mechanisms to application of innovational hybrid systems. Environment International, 155, 106594.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.106594