近日，南方科技大学环境科学与工程学院教授郑焰团队针对从地表环境入渗地下水过程中抗生素类微量有机污染物的环境行为和归趋开展一系列研究，其中两篇成果发表在环境科学与工程领域顶级期刊Water Research，一篇成果发表在Environmental Science&Technology。研究揭示了伴随入渗过程的不同氧化还原条件下微量磺胺类抗生素的降解动力学、微生物共代谢机理及未知中间产物风险，提出可通过提高有机质和优化最佳氧化还原条件下的停留时间，提高基于含水层人工调控理论的绿色低碳“自然处理”方式治理地表水环境中广泛存在的微量新有机污染物，不仅有助于发挥地下水系统自净能力在水资源循环利用中的作用，还可为世界卫生组织关注的滥用抗生素导致的耐药超级细菌问题筑上一道天然屏障。

（1）Water Research, 2023: Biodegradation of trace sulfonamide antibiotics accelerated by substrates across oxic to anoxic conditions during column infiltration experiments

该研究利用室内连续流柱实验模拟河床渗滤过程（图1），评估生活污水处理厂生产的再生水的水质以及渗滤过程中氧化还原环境演化对痕量（ppb级）磺胺类抗生素的去除影响。研究发现不论河床层氧化还原环境如何变化，磺胺类降解去除效率与微生物生长底物水平直接相关，表明降解为微生物共代谢机制，即微生物首先通过代谢底物获取生长必需的碳源和能量，同时利用非特异性酶介质共代谢降解转化微量抗生素残留。对基于河流入渗带自净力的生态修复技术的启示在于为实现微量有机污染物的高效去除，应利用可渗透反应墙等技术提供额外底物以调节氧化还原条件、强化微生物活性，而非仅考虑延长整体水力停留时间。图1.（左）填充河床沉积物的室内连续流柱实验模拟地表水河床渗滤过程；（右：A-B）不同柱分层的氧化还原环境变化及其中磺胺类抗生素去除百分比：A-上部砂层，B-中部河床沉积物层。

（2）Water Research, 2021: Redox-dependent biotransformation of sulfonamide antibiotics exceeds sorption and mineralization: Evidence from incubation of sediments from a reclaimed water-affected river

该研究利用河流沉积物的室内批次实验，解析了再生水受纳河道中磺胺类抗生素的生物降解机制和削减过程。研究结果显示（图2）：在28天的好氧条件和反硝化缺氧条件的抗生素批实验中，生物降解为主要去除途径（44.4±32.0%），吸附去除率为5.4±3.5%，而矿化去除率小于1%；此外，反硝化条件下磺胺降解过程具有可逆性，好氧和反硝化条件下半衰期分别为24.9±27.6天、87.2±71.2天。磺胺类生物降解的不彻底，绝大部分中间代谢物未知，因此，再生水回用中的生态风险评估不仅需要考虑抗生素本身，还需要关注中间代谢产物。

图2.（左）好氧条件和缺氧反硝化条件下，降解实验过程中抗生素-时间变化曲线；（右）以好氧降解实验为例，第2、28天吸附、矿化和生物降解三种去除途径对磺胺类整体削减的贡献对比。

（3）Environmental Science and Technology, 2019: Determination of Sulfamethoxazole Degradation Rate by an in Situ Experiment in a Reducing Alluvial Aquifer of the North China Plain

该研究依托通州张家湾地下水监测实验场，通过原位单井抽注实验模拟地下水人工回补过程中磺胺甲恶唑SMX的迁移转化规律（图3）。基于一阶动力学，估算了SMX在弱氧化-还原条件下半衰期为3.1±0.2天、还原条件下半衰期为6.5±0.6天；实验中SMX在浅层冲积含水层中较高的降解速度得益于抽注实验中有机质投加，进一步证实了额外底物添加可通过调节氧化还原条件、强化微生物活性进而增加含水层对微量有机污染物的自然净化能力。

图3.（上）实验场地的单井抽注实验示意图；（下）以监测井为例，抽注实验中示踪剂Br和目标污染物SMX的浓度-时间曲线；实验井和监测井中SMX一阶降解半衰期估算

 Water Research论文第一作者为南科大环境学院研究助理教授马云杰，ES&T论文第一作者为环境学院博士生马蒙，郑焰为通讯作者，南科大为论文第一单位，共同作者还包括合作单位澳大利亚CSIRO研究中心Peter Dillion教授、丹麦地调局Jens Aamand教授和Jakub J. Modrzynski博士。以上研究得到了国家自然科学基金和DANIDA中丹国际合作项目等的支持。

论文链接：

10.1016/j.watres.2023.120193 

10.1016/j.watres.2021.117616

10.1021/acs.est.9b00832

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

主图：丘妍

编辑：朱增光