非甾体抗炎药双氯芬酸在填充床生物膜反应器中的生物降解及其生态毒性评价

《Processes》：Biodegradation of the Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drug Diclofenac in a Packed-Bed Biofilm Reactor and Its Ecotoxicity Evaluation

　　

废水中外源物质（xenobiotics）的存在，特别是药物等新兴污染物（emerging contaminants），对环境和人类健康构成了生态毒理学风险（ecotoxicological risk）。在水中检测到的主要药物产品之一是双氯芬酸（diclofenac，一种非甾体抗炎药（NSAID）），它可以在没有处方的情况下销售。缺乏健康法规表明需要寻找环境友好型的处理替代方案来去除这类污染物。在这些替代方案中，生物技术，特别是生物过程（biological processes），与传统处理相比提供了一种可持续的选择。目前废水处理厂使用的处理方法无法有效去除双氯芬酸，这是一种高度抵抗降解过程的氯化芳香族化合物（chlorinated aromatic compound）。近年来，新的处理方法因其取得的良好结果而受到重视，包括物理化学、生物和高级过程。生物处理以其低成本和高水平的有效性及效率，能够去除有毒化合物而著称。因此，本研究项目的目的是评估在生物反应器（bioreactor）中利用由五种细菌菌株（bacterial strains）组成的微生物群落（microbial community）进行生物处理的降解效率，该微生物群落是从制药废水中分离出来的，并在连续培养系统（continuous culture system）中培养。在0.087至1.043 g L^-1d^-1的各种体积负荷率（volumetric loading rates）下，实现了99.38%至99.98%的去除效率（removal efficiencies）。使用生物测定（bioassays）分析生物反应器的进水和出水，以确定任何潜在毒性效应。结果表明，出水对生物指示物（bioindicators）没有产生负面反应，表明进水具有高毒性。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
近年来，新兴污染物（emerging contaminants），尤其是药物残留，对水环境和人类健康构成持续威胁。双氯芬酸（diclofenac，一种非甾体抗炎药（NSAID））因其全球广泛使用（年消耗量约1443±58吨）和化学稳定性，成为水体中频繁检出的污染物。现有废水处理厂（WWTPs）的常规生物处理工艺对双氯芬酸这种氯化芳香族化合物（chlorinated aromatic compound）降解效率极低，且该药物对活性污泥具有毒性。因此，亟需开发可持续、高效且环境友好的生物修复技术，以彻底去除双氯芬酸并降低其生态毒性。本研究旨在评估一种利用填充床生物膜反应器（packed-bed biofilm reactor, PBBR）在连续培养条件下，以制药废水中分离的微生物群落降解双氯芬酸的效率，并通过生态毒性试验验证处理效果。该论文发表在《Processes》期刊。

**主要技术方法**
研究人员从墨西哥Naucalpan de Juárez工业区的制药废水处理厂采集样本，通过涂布法和划线法在含100 mg L^-1双氯芬酸的选择性培养基上分离出五种细菌菌株。采用16S rDNA基因扩增、测序及系统发育分析（邻接法，1000次自举重复）鉴定菌株。在实验室规模的PBBR（填充火山石碎片，工作体积690 mL）中进行连续培养，共运行200天，测试12种稀释率（0.870至10.435 d^-1）。分析方法包括：高效液相色谱（HPLC）和化学需氧量（COD）测定双氯芬酸浓度，硫氰酸汞法监测释放的氯离子，活菌计数法检测浮游和附着细胞浓度。生态毒性评价采用生菜（*Lactuca sativa*）种子发芽试验和淡水微藻（*Pseudokirchneriella subcapitata*）生长抑制试验，参照OECD Guideline 201和ASTM标准。

**研究结果**

**3.1 制药废水特性**
通过对制药废水的理化参数（pH、COD、氯离子、总氮、总磷、硫化物）分析，确认其符合国际和墨西哥排放标准，且未检出双氯芬酸残留。因此，该废水仅用于微生物群落分离，后续采用合成制药废水进行生物降解研究。

**3.2 微生物群落中优势菌株鉴定**
通过16S rDNA测序鉴定出五种菌株：A-UA-2019（*Kosakonia* sp.）、C-UA-2019（*Bacillus* sp.）、C2-UA-2019（*Bacillus* sp.）、D-UA-2019（*Lysinibacillus* sp.）和E-UA-2019（*Bacillus* sp.）。所有菌株均能以双氯芬酸为唯一碳源和氮源生长。其中，*Kosakonia*和*Lysinibacillus*属的双氯芬酸降解能力此前未见报道。

**3.3 连续操作PBBR中双氯芬酸的去除**
在200天连续培养中，PBBR在0.6至7.2 L d^-1的流速（对应HRT 1.150至0.096 d）下运行。HPLC和COD测量显示，在所有测试的体积负荷率（0.087至1.043 g L^-1d^-1）下，双氯芬酸去除率均达到99.38%至99.98%，且未达到操作极限。COD测量结果与HPLC一致，表明双氯芬酸及其辅料（滑石等惰性成分）均被有效降解。

**3.4 双氯芬酸脱氯**
通过检测氯离子释放，发现脱氯速率与双氯芬酸降解速率呈化学计量等效关系，表明降解过程中形成了低反应活性的代谢中间体。双氯芬酸分子中氯含量为0.2232 g Cl^- g^-1，实验中释放的氯离子浓度验证了完全脱氯过程。

**3.5 细胞浓度**
浮游细胞浓度从1×10⁴ CFU mL^-1增至6×10⁷ CFU mL^-1，附着细胞浓度从1×10⁸ CFU g^-1（干载体）增至5×10¹¹ CFU g^-1，表明微生物群落以双氯芬酸为唯一碳氮源快速增殖，未观察到毒性抑制作用。

**3.6 生态毒性生物测定**
**3.6.1 PBBR出水对生菜种子发芽的毒性**
PBBR进水显著抑制种子发芽（约50%），而出水与对照组（去离子水）无显著差异（Dunnett检验，p>0.05），表明生物处理消除了双氯芬酸的植物毒性。
**3.6.2 PBBR出水对微藻的毒性**
进水使微藻种群生长抑制约80%，而出水对藻类生长无显著影响（与对照组比较，Dunnett检验，p>0.05）。进水与出水之间存在显著差异（Tukey配对比较，p<0.05），证实生物处理有效降低了双氯芬酸对水生生物的急性毒性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，微生物群落中*Bacillus*属的降解作用已有文献支持，而*Kosakonia*和*Lysinibacillus*属的双氯芬酸降解能力系首次发现，体现了基因多样性及潜在的多条代谢途径。PBBR在连续培养中实现的高去除效率（>99%）优于多数批次研究（通常需额外碳源和氮源），且脱氯过程证实了母体分子的矿化。生态毒性试验表明，进水对生菜和微藻具有显著毒性，而出水无毒性，说明降解产物未产生二次污染。
**结论翻译**：
从制药废水样本中筛选出能降解双氯芬酸的微生物群落，并将其固定在连续培养条件下运行的PBBR中。通过HPLC和COD测得的去除效率，以及氯离子的释放，证实了双氯芬酸的降解。同样重要的是，微生物群落不需要共底物，因为双氯芬酸被用作其唯一的碳源和氮源。所提出的反应系统允许浮游细胞和附着细胞维持高浓度，从而促进了在高体积负荷率下的双氯芬酸降解。在所有测试的稀释率下，PBBR进水对两种测试生物均具有毒性。因此，通过生态毒性试验评估了处理效果和PBBR出水的水质。