微藻如何解决全球加速面临医药物环境污染的严峻挑战
时间：2018-04-18 作者：Algaengineer【原创】
人类正面临21世纪的新型环境污染问题——药品污染，科学家在自然环境中发现越来越多的医药污染物（药物），它们进入水体、土壤、生物，并在植物和动物体内积累，对生态系统的毒性及对人体的潜在危害越来越受到全球社会的高度关注。微藻能吸收医药污染物并进行转化，它们是如何工作的？能否成为解决该问题的杀手锏？
近年来全球医药工业迅猛发展，给人类的健康医疗带了巨大的福利。然而，目前无论是医疗健康行业，还是畜牧和水产养殖行业，大量药品和药物的使用（尤其是抗生素），造成了越来越多的残留药物进入到自然环境中，对生态系统及人类将造成巨大的潜在危害，尤其是自然环境中药物扩散和浓度增长将导致细菌耐性问题更加严重，可能会产生“超级细菌”，造成难以预测的后果。
据报道，中国每年有16.2万吨抗生素被使用，且超过5万吨抗生素排放进入水土环境中。中科院广州地化所应光国研究员课题组的研究表明，京津冀海河流域、长江和西江是全国抗生素排放量最大的区域，而珠江单位面积中的抗生素含量排名全国第一。
2015年4月，复旦大学公共卫生学院周颖副教授课题组，通过对上海、江苏和浙江的一千多名8到11岁的学校儿童人群尿中抗生素的生物监测证实，近六成检出1种抗生素，四分之一检出超过2种抗生素，有些甚至有6种抗生素。
此外，德国IWW Water Centre开展的研究表明药品环境污染是一个全球性问题，在71个国家的自然环境中发现了631种药品及转化产物，其中最多的是抗生素、止痛剂和雌激素。
我们该怎么办!
微藻除了具有吸收氮磷元素、重金属等环境污染物的能力外，它们还显示出吸收和转化医药物的强大能力。目前科学家们正在研究利用微藻处理医药污染物，这很可能是解决或减缓医药物环境污染的重要措施之一。
用于污水处理和医药污染物处理的主要藻种
如何实现医药污染物去除？
微藻通过三种方式消除环境中的医药污染物
·生物吸附（Bioadsorption）
研究表明药物（双氯芬酸，布洛芬，扑热息痛，美托洛尔，甲氧苄啶，卡马西平等）能被微藻吸附，吸附率在0-16.7%左右。藻细胞表面一般带负离子，带有正离子的医药化合物较容易与藻细胞通过静电作用结合吸附在一起。然而，生物吸附是物理过程，效率并不是很高。
·生物吸收（Bioaccumulation）
微藻能主动吸收某些药物。例如，绿藻Desmodesmussubspicatus在24h内吸收了23%的17a-乙炔雌二醇。卡马西平能被衣藻和栅藻吸收。此外，利用微藻吸收环境中的三氯生、甲氧苄啶和磺胺甲恶唑已经成为一种必要的常规手段。
·生物降解（Biodegradation）
栅藻和小球藻能生物降解污染水体中90%的孕酮。微藻细胞内有复杂的酶体系。在细胞色素P450帮助下通过水解、氧化或还原反应，医药化合物增加或显露出羟基变的更加亲水性。谷胱甘肽转移酶能催化化合物与谷胱甘肽的结合反应。例如，淡水硅藻（舟形藻）实现了对布洛芬的糖基化。药物在藻细胞内的生物转化相当复杂，具体生化反应过程目前还没有完全被研究清楚。此外，藻细胞通过分泌胞外聚合物（EPS），能帮助实现医药化合物的外部降解。
微藻实现医药污染物去除的不同方式过程示意
如何提高医药污染物的去除效率？
·共建菌-藻命运共同体
与单一的微藻处理医药污染物体系相比，微藻与蓝细菌或细菌共同组成的系统去除医药污染物的效率更高，稳定性更好，主要原因在于微藻与细菌形成了命运共同体，休戚与共，一荣俱荣，一损俱损，发挥出微藻和细菌的协同作用。微藻产生的氧气供给细菌呼吸所需，细菌产生的二氧化碳供给微藻光合作用所需。细菌对污染物的降解物能作为微藻生长的促进剂，微藻的分泌物，如糖类、蛋白等能作为细菌生长的食物（碳源）。此外，微藻细胞外壁也是某些细菌“定居”的良好场所（这样细菌就不用再四处漂泊，居无定所了）。当然微藻和细菌“同居”有好处也有坏处，坏处在于微藻和细菌之间存在对营养物的争夺竞争。
微藻与细菌共同体（球形的是微藻细胞，短棒形的是细菌）
·“魔鬼式训练”提高能力
正所谓，你的能力超乎你想象。在极端环境条件下，生物能表现出正常情况下难以想象的容忍极限和适应能力。微藻对环境具有非常强大的调节和适应能力，通过对藻细胞生长环境中增加医药污染物浓度，让微藻逐渐适应Acclimation），驯化出耐受高浓度医药化合物并进行高效处理的藻种。研究表明在浓度为60mg/L头孢拉定药物环境下驯化的藻细胞对药物的去除率更好。在浓度为200mg/L下左氧氟沙星药物驯化下的小球藻对药物的去除率达到了28%（而没有驯化的藻种，去除率只有16%）。
·增加营养实现共代谢
所谓共代谢，是指微生物同时降解两种化合物，次级化合物（次级底物）的降解取决于初级化合物（主要底物）的存在。简单来说，仅有医药化合物的废水中营养太寡，需要添加微藻或微生物生长需要的主要底物，如醋酸、葡萄糖等，这些物质可以加快微藻代谢，激活代谢途径、提供能量，诱导和加速次级代谢发生。打个不恰当的比喻，让你天天喝药，你难以下咽，得加点糖才好喝啊。
如何扩展与实施
·与高级氧化技术结合
与高级氧化技术结合（如紫外光解），可以将医药化合物先分解成微藻及细菌可快速降解的中间体，提高医药物的降解速率。
·与人工湿地技术结合
与人工湿地技术结合，可以实现低成本的医药物中间体的降解和去除。
·与微生物燃料电池结合
与微生物燃料电池结合，可以实现生物资源的能源化，实现环境治理和能源生产的完美结合。
当然，这些技术与微藻处理医药污染物的结合尚处于初始研究阶段，还有很多基础、工程及应用问题需要解决。
医药物环境污染问题关乎现在与将来，各国相关政策的制定已经开始，相关技术也处于研发进行时，对环境破坏容易，恢复可没那么简单，问题严峻，任务艰巨，解决之路漫漫兮，任重而道远。
参考资料
药品环境污染：21世纪不容忽视的新型环境污染问题，公益服务网
触目惊心，中科院发布抗生素污染地图，新浪网
中科院发布抗生素污染地图，搜狐网
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.