Keywords：Antibiotics Antibiotic resistance Phytotoxicity Ozonation Continuous mode
This work evaluated the removal of a mixture of eight antibiotics (i.e. ampicillin (AMP), azithromycin (AZM), erythromycin (ERY), clarithromycin (CLA), ofloxacin (OFL), sulfamethoxazole (SMX), trimethoprim (TMP) and tetracycline (TC)) from urban wastewater, by ozonation operated in continuous mode at different hydraulic retention times (HRTs) (i.e. 10, 20, 40 and 60 min) and specific ozone doses (i.e. 0.125, 0.25, 0.50 and 0.75 gO3gDOC-1). As expected, the efficiency of ozonation was highly ozone dose- and contact time-dependent. The removal of the parent compounds of the selected antibiotics to levels below their detection limits was achieved with HRT of 40 min and specific ozone dose of 0.125 gO3gDOC-1. The effect of ozonation was also investigated at a microbiological and genomic level, by studying the efficiency of the process with respect to the inactivation of Escherichia coli and antibiotic-resistant E. coli, a s well as to the reduction of the abundance of selected antibiotic resistance genes (ARGs). The inactivation of total cultivable E. coli was achieved under the experimental conditions of HRT 40 min and 0.25 gO3 gDOC-1, at which all antibiotic compounds were already degraded. The regrowth examinations revealed that higher ozone concentrations were required for the permanent inactivation of E. coli below the Limit of QuantificationAlso, the abundance of the examined ARGs (intl1, aadA1, dfrA1, qacE△1 and sul1) was found to decrease with increasing HRT and ozone dose. Despite the fact that the mildest operating parameters were able to eliminate the parent compounds of the tested antibiotics in wastewater effluents, it was clearly demonstrated in this study that higher ozone doses were required in order to confer permanent damage and/or death and prevent potential post-treatment re-growth of both total bacteria and ARB, and to reduce the abundance of ARGs below the LOQ. Interestingly, the mineralization of wastewater, in terms of Dissolved Organic Carbon (DOC) removal, was found to be significantly low even when the higher ozone doses were applied, leading to an increased phytotoxicity towards various plant species. The findings of this study clearly underline the importance of properly optimising the ozonation process (e.g. specific ozone dose and contact time) taking into consideration both the bacterial species and associated ARGs, as well as the wastewater physicochemical properties (e.g. DOC), in order to mitigate the spread of ARB&ARGs, as well as to reduce the potential phytotoxicity.本文研究了在不同水力停留時間(HRT)(即10、20、40和60min)下的連續臭氧操作對城市汙水中8種抗生素(氨苄青黴素、阿奇黴素、紅黴素、克拉黴素、氧氟沙星、磺胺甲惡唑、甲氧苄啶和四環素)的去除效果。
正如預期的那樣，臭氧氧化的效率高度依賴於臭氧劑量和接觸時間。在水力停留時間為40min，比臭氧投加量為0.125 gO3gDOC-1的條件下，可將選定抗生素的母體化合物去除到低於其檢測限的水平。同時，從微生物和基因組水平考察了臭氧氧化對大腸桿菌和耐藥大腸桿菌的滅活效果以及對選定抗生素耐藥基因(ARG)豐度的降低。在水力停留時間40min，0.25gO3 gDOC-1的實驗條件下，所有抗生素化合物均已被降解，可使總的可培養大腸桿菌滅活。再生試驗表明，在低於量化極限(<LOQ/0.01CFU·mL-1)的條件下，需要較高的臭氧濃度才能使大腸桿菌永久滅活。此外，研究的ARGs(intl1、aadA1、dfrA1、qacE△1和sul1)的豐度也隨著HRT和臭氧劑量的增加而降低。儘管最溫和的操作參數能夠消除廢水中被測抗生素的母體化合物，但這項研究清楚地表明，需要更高的臭氧劑量才能造成永久性損害和/或死亡，並防止處理後細菌總數和ARB可能再次生長，並將ARG的豐度降低到LOQ以下。有趣的是，在去除溶解有機碳(DOC)方面，廢水的礦化度被發現非常低，即使在較高的臭氧劑量下也是如此，這導致了對各種植物的植物毒性增加。這項研究的結果清楚地強調了適當優化臭氧處理過程(例如特定臭氧投加量和接觸時間)的重要性，同時考慮到細菌種類和相關的ARG，以及廢水的物理化學性質(例如DOC)，以減緩ARB和ARG的擴散，並降低潛在的植物毒性。
收集廢水、臭氧處理（流式反應器）、液相色譜分析（抗生素）、膜過濾（微生物）、QPCR（抗性基因）圖1.通過改變臭氧投加量(0.125、0.25、0.5和0.75gO3gDOC-1)和H2O2濃度：(A)0 mm、(B)0.04 mm、(C)0.08 mm和(D)0.12 mm的H2O2，連續模式臭氧氧化降解目標抗生素，水力停留時間為10min。實驗條件：[A0]=100μgL-1，基質：二級處理出水，pH 7.3-7.8，T=24±1οC。在圖1 b-d中可以觀察到，氧化劑濃度的增加對所考察抗生素的降解影響不大。研究結果表明，單一臭氧氧化對未完全降解的抗生素(AMP、AZM和ERY)的去除效果與採用O3/H2O2工藝對所有試驗濃度的H2O2的去除效果相似。在所有臭氧投加量和H2O2濃度下，處理10min後，AMP、AZM和ERY均未完全去除，單獨處理(O3)和聯合處理(O3/ H2O2)的去除效果僅相差2-3%。這可能是由於當使用低比臭氧劑量(gO3gDOC-1<0.5)時，溶解出水有機物迅速消耗臭氧所致。
圖2.(a)改變臭氧投加量(0.125、0.25、0.5和0.75gO3gDOC-1)和水力停留時間(10，20，40，60min)；(b)採用10min的水力停留時間和不同的臭氧投加量和過氧化氫濃度(0 mM，0.04 mM，0.08 mM，0.12 mM過氧化氫)對大腸桿菌(以大腸桿菌CFU mL-1表示)的滅活情況進行了研究。實驗條件：[A0]=100μgL-1，基質：二級處理出水，pH 7.3-7.8，T=24±1οC。實驗一式三份，所考察的HRT和臭氧濃度均為1：1，經處理後的出水中大腸桿菌的初始豐度為8×103CFU mL-1。獲得的關於總大腸桿菌滅活的結果(圖2a)，表明在水力停留時間為60分鐘時，100毫升處理後的廢水中沒有菌落。同樣，除0.125 g O3gDOC-1外，對於幾乎所有被測臭氧濃度，40分鐘的水力停留時間足以將大腸桿菌滅活到低於LOD的值。對於20分鐘的水力停留時間，較高的臭氧濃度(0.75g O3gDOC-1)是唯一能夠將大腸桿菌滅活到低於LOD的濃度，而當使用10分鐘的水力停留時間時，則不能達到滅活效果。
圖3.(a)採用水力停留時間為20min、臭氧投加量為0.75gO3gDOC-1的連續模式臭氧氧化廢水樣品後，大腸桿菌的再生長情況(以CFU mL-1表示)；(b)水力停留時間為40min、臭氧投加量為0.25 gO3gDOC-1。實驗條件：[A0]=100μgL-1，基質：二級處理出水，pH 7.3-7.8，T=24±1οC。圖3顯示，在24±1℃下，低臭氧劑量和高水力停留時間下的臭氧氧化可以有效地避免大腸桿菌的再生長，而使用較高臭氧劑量和較低水力停留時間的實驗則導致大腸桿菌在這兩種溫度下的再生長，這表明較短的接觸時間是決定觀察到的再生長的關鍵因素。這項研究的結果表明，在高臭氧劑量下的低接觸時間不足以誘導大腸桿菌廢水種群的非可培育性。結果表明，受臭氧和HO·影響的微生物保持了活性，因此在一定的時間段後，當壓力減輕時，微生物表現出重新生長。
圖4.在室溫(22-25℃)黑暗條件下，HR10min(0.25gO3gDOC-1)、HRT為40min(0.25gO3gDOC-1)、HRT為40min(0.75gO3gDOC-1)時，檢測的基因以log10平均值表示。平均值以每毫升樣本的log10 copies表示。實驗條件：基質：二級處理出水；pH 7.3-7.8。二級處理後的出水與臭氧處理後的出水相比，ARGs的豐度、細菌負荷和intl1的降低均呈HRT和劑量依賴性。HRT為40min，0.75 gO3gDOC-1是降低基因豐度的最佳操作條件(圖4)。HRT為10min和0.25 gO3gDOC-1，HRT為40min和0.25 gO3gDOC-1，HRT為40min和0.75 gO3gDOC-1，HRT分別為40min和0.75 gO3gDOC-1。結果表明，當使用40min的HRT時，即使在低臭氧劑量下，目標基因豐度的降低也與使用較高臭氧劑量時相似，這表明即使在低臭氧劑量下，適當的HRT也會導致目標ARG的去除。在適當的HRT和臭氧劑量下，足以破壞DNA的完整性，使其不能作為PCR模板。這些結果均表明，一旦細菌細胞表面受到氧化劑的破壞，細胞內部會暴露在外部環境中，O3和HO·可能會干擾DNA。
耐藥大腸桿菌在整個臭氧氧化過程中都在減少，而在處理後觀察到的選定基因豐度的減少顯然是短暫的。細菌宿主的重新激活可能解釋了，在0.25 gO3gDOC-1處理的樣品中，在HRT為10min的情況下，在黑暗和環境溫度(22-25℃)下，72h後檢測到的基因水平幾乎與初始值相同(低於初始值1個對數周期)。
圖5.在室溫(22-25℃)黑暗條件下，HR10min(0.25gO3gDOC-1)、HRT為40min(0.25gO3gDOC-1)、HRT為40min(0.75gO3gDOC-1)時，檢測的基因以log10均值的相對豐度表示。平均值以每毫升樣本的log10 copies表示。實驗條件：基質：二級處理出水；pH 7.3-7.8。從圖5中可以觀察到，儘管處理後檢測到的ARG和整合酶基因的豐度降低，但在處理72小時後，檢測到這些基因的豐度有所增加。圖6.分別在0.25gO3gDOC-1和HRT為10min；0.25gO3gDOC-1和HRT為40min；0.75gO3gDOC-1和HRT為40min的條件下，對採集的或添加100mgL-1的廢水樣品進行連續臭氧氧化處理前後的根生長抑制(RI)和地上部生長抑制(SI)。實驗條件：基質：二級處理出水，pH 7.3-7.8，溫度24±1οC。如圖6所示，當臭氧投加量為0.75 gO3gDOC-1，水力停留時間為40min時，SI和RI最高。結果表明，即使在處理15min後，臭氧氧化也導致了植物毒性(即根和莖的抑制)的增加，這表明dEfOM氧化產物的毒性可能比原始基質更大。這一行為可能是由於廢水樣品的dEfOM中存在的各種有機成分的直接氧化，或者是由於它們通過羥基自由基介導的氧化機制。實驗所用二級處理出水的DOC和COD值較高，表明這些有機物的存在。
個人小結：相對於氯化處理，臭氧氧化處理確實可以有效去除二級廢水中的抗生素、抗性基因和抗生素耐藥菌，但其副產物對植物的毒性值得關注，未來需要採用合理的方法去除臭氧氧化產生的副產物或者尋找臭氧氧化的替代方法。以上為個人理解，僅供參考。詳細信息可參見原文。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.025