時間：2018-04-18 作者：Algaengineer【原創(chuàng)】
人類正面臨21世紀(jì)的新型環(huán)境污染問題——藥品污染，科學(xué)家在自然環(huán)境中發(fā)現(xiàn)越來越多的醫(yī)藥污染物（藥物），它們進(jìn)入水體、土壤、生物，并在植物和動物體內(nèi)積累，對生態(tài)系統(tǒng)的毒性及對人體的潛在危害越來越受到全球社會的高度關(guān)注。微藻能吸收醫(yī)藥污染物并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，它們是如何工作的？能否成為解決該問題的殺手锏？
近年來全球醫(yī)藥工業(yè)迅猛發(fā)展，給人類的健康醫(yī)療帶了巨大的福利。然而，目前無論是醫(yī)療健康行業(yè)，還是畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，大量藥品和藥物的使用（尤其是抗生素），造成了越來越多的殘留藥物進(jìn)入到自然環(huán)境中，對生態(tài)系統(tǒng)及人類將造成巨大的潛在危害，尤其是自然環(huán)境中藥物擴(kuò)散和濃度增長將導(dǎo)致細(xì)菌耐性問題更加嚴(yán)重，可能會產(chǎn)生“超級細(xì)菌”，造成難以預(yù)測的后果。
據(jù)報道，中國每年有16.2萬噸抗生素被使用，且超過5萬噸抗生素排放進(jìn)入水土環(huán)境中。中科院廣州地化所應(yīng)光國研究員課題組的研究表明，京津冀海河流域、長江和西江是全國抗生素排放量最大的區(qū)域，而珠江單位面積中的抗生素含量排名全國第一。
2015年4月，復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院周穎副教授課題組，通過對上海、江蘇和浙江的一千多名8到11歲的學(xué)校兒童人群尿中抗生素的生物監(jiān)測證實(shí)，近六成檢出1種抗生素，四分之一檢出超過2種抗生素，有些甚至有6種抗生素。
此外，德國IWW Water Centre開展的研究表明藥品環(huán)境污染是一個全球性問題，在71個國家的自然環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了631種藥品及轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，其中最多的是抗生素、止痛劑和雌激素。
我們該怎么辦!
微藻除了具有吸收氮磷元素、重金屬等環(huán)境污染物的能力外，它們還顯示出吸收和轉(zhuǎn)化醫(yī)藥物的強(qiáng)大能力。目前科學(xué)家們正在研究利用微藻處理醫(yī)藥污染物，這很可能是解決或減緩醫(yī)藥物環(huán)境污染的重要措施之一。
用于污水處理和醫(yī)藥污染物處理的主要藻種
如何實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥污染物去除？
微藻通過三種方式消除環(huán)境中的醫(yī)藥污染物
·生物吸附（Bioadsorption）
研究表明藥物（雙氯芬酸，布洛芬，撲熱息痛，美托洛爾，甲氧芐啶，卡馬西平等）能被微藻吸附，吸附率在0-16.7%左右。藻細(xì)胞表面一般帶負(fù)離子，帶有正離子的醫(yī)藥化合物較容易與藻細(xì)胞通過靜電作用結(jié)合吸附在一起。然而，生物吸附是物理過程，效率并不是很高。
·生物吸收（Bioaccumulation）
微藻能主動吸收某些藥物。例如，綠藻Desmodesmussubspicatus在24h內(nèi)吸收了23%的17a-乙炔雌二醇?？R西平能被衣藻和柵藻吸收。此外，利用微藻吸收環(huán)境中的三氯生、甲氧芐啶和磺胺甲惡唑已經(jīng)成為一種必要的常規(guī)手段。
·生物降解（Biodegradation）
柵藻和小球藻能生物降解污染水體中90%的孕酮。微藻細(xì)胞內(nèi)有復(fù)雜的酶體系。在細(xì)胞色素P450幫助下通過水解、氧化或還原反應(yīng)，醫(yī)藥化合物增加或顯露出羥基變的更加親水性。谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶能催化化合物與谷胱甘肽的結(jié)合反應(yīng)。例如，淡水硅藻（舟形藻）實(shí)現(xiàn)了對布洛芬的糖基化。藥物在藻細(xì)胞內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化相當(dāng)復(fù)雜，具體生化反應(yīng)過程目前還沒有完全被研究清楚。此外，藻細(xì)胞通過分泌胞外聚合物（EPS），能幫助實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥化合物的外部降解。
微藻實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥污染物去除的不同方式過程示意
如何提高醫(yī)藥污染物的去除效率？
·共建菌-藻命運(yùn)共同體
與單一的微藻處理醫(yī)藥污染物體系相比，微藻與藍(lán)細(xì)菌或細(xì)菌共同組成的系統(tǒng)去除醫(yī)藥污染物的效率更高，穩(wěn)定性更好，主要原因在于微藻與細(xì)菌形成了命運(yùn)共同體，休戚與共，一榮俱榮，一損俱損，發(fā)揮出微藻和細(xì)菌的協(xié)同作用。微藻產(chǎn)生的氧氣供給細(xì)菌呼吸所需，細(xì)菌產(chǎn)生的二氧化碳供給微藻光合作用所需。細(xì)菌對污染物的降解物能作為微藻生長的促進(jìn)劑，微藻的分泌物，如糖類、蛋白等能作為細(xì)菌生長的食物（碳源）。此外，微藻細(xì)胞外壁也是某些細(xì)菌“定居”的良好場所（這樣細(xì)菌就不用再四處漂泊，居無定所了）。當(dāng)然微藻和細(xì)菌“同居”有好處也有壞處，壞處在于微藻和細(xì)菌之間存在對營養(yǎng)物的爭奪競爭。
微藻與細(xì)菌共同體（球形的是微藻細(xì)胞，短棒形的是細(xì)菌）
·“魔鬼式訓(xùn)練”提高能力
正所謂，你的能力超乎你想象。在極端環(huán)境條件下，生物能表現(xiàn)出正常情況下難以想象的容忍極限和適應(yīng)能力。微藻對環(huán)境具有非常強(qiáng)大的調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力，通過對藻細(xì)胞生長環(huán)境中增加醫(yī)藥污染物濃度，讓微藻逐漸適應(yīng)Acclimation），馴化出耐受高濃度醫(yī)藥化合物并進(jìn)行高效處理的藻種。研究表明在濃度為60mg/L頭孢拉定藥物環(huán)境下馴化的藻細(xì)胞對藥物的去除率更好。在濃度為200mg/L下左氧氟沙星藥物馴化下的小球藻對藥物的去除率達(dá)到了28%（而沒有馴化的藻種，去除率只有16%）。
·增加營養(yǎng)實(shí)現(xiàn)共代謝
所謂共代謝，是指微生物同時降解兩種化合物，次級化合物（次級底物）的降解取決于初級化合物（主要底物）的存在。簡單來說，僅有醫(yī)藥化合物的廢水中營養(yǎng)太寡，需要添加微藻或微生物生長需要的主要底物，如醋酸、葡萄糖等，這些物質(zhì)可以加快微藻代謝，激活代謝途徑、提供能量，誘導(dǎo)和加速次級代謝發(fā)生。打個不恰當(dāng)?shù)谋扔?，讓你天天喝藥，你難以下咽，得加點(diǎn)糖才好喝啊。
如何擴(kuò)展與實(shí)施
·與高級氧化技術(shù)結(jié)合
與高級氧化技術(shù)結(jié)合（如紫外光解），可以將醫(yī)藥化合物先分解成微藻及細(xì)菌可快速降解的中間體，提高醫(yī)藥物的降解速率。
·與人工濕地技術(shù)結(jié)合
與人工濕地技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)低成本的醫(yī)藥物中間體的降解和去除。
·與微生物燃料電池結(jié)合
與微生物燃料電池結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)生物資源的能源化，實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理和能源生產(chǎn)的完美結(jié)合。
當(dāng)然，這些技術(shù)與微藻處理醫(yī)藥污染物的結(jié)合尚處于初始研究階段，還有很多基礎(chǔ)、工程及應(yīng)用問題需要解決。
醫(yī)藥物環(huán)境污染問題關(guān)乎現(xiàn)在與將來，各國相關(guān)政策的制定已經(jīng)開始，相關(guān)技術(shù)也處于研發(fā)進(jìn)行時，對環(huán)境破壞容易，恢復(fù)可沒那么簡單，問題嚴(yán)峻，任務(wù)艱巨，解決之路漫漫兮，任重而道遠(yuǎn)。
參考資料
藥品環(huán)境污染：21世紀(jì)不容忽視的新型環(huán)境污染問題，公益服務(wù)網(wǎng)
觸目驚心，中科院發(fā)布抗生素污染地圖，新浪網(wǎng)
中科院發(fā)布抗生素污染地圖，搜狐網(wǎng)
Jiu-Qiang Xiong et al, Can Microalgae Remove PharmaceuticalContaminants from Water? Trends in Biotechnology, January 2018
Antibiotic waste is polluting India and China's rivers; big pharmamust act. The Guardian。
Drug waste clogs rivers around the world, scientists say. TheGuardian.
