抗生素环丙沙星在人工湿地中的迁移转化机制和环境效应

As a simulated and enhanced natural system, constructed wetland is a promising treatment technology for antibiotic removal. To date, limited knowledge is available to understand the removal mechanisms and environmental effect of fluoroquinolones in constructed wetlands. In this context, by choosing ciprofloxacin as the representative of fluoroquinolones, this work aims at studying the fate of ciprofloxacin, including sediment sorption, plant uptake, and microbial degradation, and especially its bound residues in constructed wetlands by means of 14C radioactive isotope tracer. Additionally, we will employ analytical tools including toxicological analysis, q-PCR analysis, high-throughput sequencing, and metabolomics to comprehensively assess the environmental effect of ciprofloxacin in water, sediment and plant phases. This study would provide insights to understand the environmental behavior and effects of fluoroquinolones and further implementation of constructed wetlands for fluoroquinolone removal.

人工湿地因其环境友好性在抗生素污废水治理中有广阔应用前景，然而有关氟喹诺酮类抗生素在人工湿地中的迁移转化机制和环境效应尚不清楚。本项目拟选择环丙沙星为氟喹诺酮类抗生素的代表，借助14C放射性同位素示踪技术，克服复杂环境介质中污染物、代谢产物及其结合态残留难以定量的问题，研究环丙沙星在复杂人工湿地体系中沉积物吸收、植物富集以及微生物降解的过程和机制，并采用毒理测试技术、q-PCR定量技术、高通量测序技术及代谢组学技术等综合评估环丙沙星在人工湿地水、植物和沉积物相中的环境毒性和生物效应。研究结果可为氟喹诺酮类抗生素在自然环境中的归趋和修复提供科学依据和技术支撑。

人工湿地系模拟和强化自然环境的污水处理工艺，对抗生素有良好的去除效果。本项目采用14C放射性同位素示踪技术，克服了有机污染物及其不可提取态残留在复杂环境介质中难以定量的问题，探究了抗生素在人工湿地中的迁移转化规律及在湿地复杂介质中的环境毒性。主要研究结果如下：.1）环丙沙星CIP在湿地沉积物中主要形成不可提取态残留NERs，生物可利用低；吸附在沉积物上的可提取态在解吸过程中大部分会被释放到水相中；不同氧化还原条件下其吸附不存在显著性差异。.2）相较于好氧、硝酸盐还原和产甲烷条件，铁还原条件下CIP和/或其降解产物更多地被转化为形态更稳定的NERs，释放风险更小；沉积物中形成的CIP-NERs在湿地动态系统中的稳定性高，生物可及性低。.3）与吸附性较强的CIP不同，湿地沉积物上另一种典型的抗生素磺胺甲噁在产甲烷条件下吸附最低；铁还原条件去除效果最好，主要体现在高消散率、形成较稳定的NERs以及更低的水相毒性；无论是根系分泌物还是沉积物中的溶解性有机质，在与SMX共存时皆不会显著影响其吸附和降解行为。.4）湿地植物芦苇的悬浮细胞可通过表面吸附和吸收转化等方式去除CIP，进入细胞的CIP和/或其转化产物主要集中在细胞质和细胞壁中；芦苇植株虽仅能从沉积物中吸收富集少量的CIP，但其存在有益于维持沉积物中微生物群落结构的稳定性，显著促进CIP的生物可及性；CIP的暴露对芦苇悬浮细胞的活性、细胞壁的完整性以及芦苇植株的生长和光合作用皆不会产生显著影响。.5）湿地反应器对吸附性较强的CIP的去除率为91%~100%，种植芦苇和香蒲对CIP的去除无显著影响；经湿地反应器处理后，出水对费氏弧菌和衣藻的生长抑制较进水皆明显降低。.研究结果将为解析抗生素在自然环境中的环境过程和发展绿色可持续性修复技术提供理论基础和技术支撑。