三氯卡班的毒性及其生物降解研究現(xiàn)狀

陳樑彬，何顯揚，朱綺瑩，梁嘉樂，蘇明薇，朱越平

(廣東石油化工學院 環(huán)境科學與工程學院 , 廣東 茂名 525000)

0 前言

三氯卡班(TCC)作為一種廣譜抗菌劑，在國際上被廣泛應用在個人護理產(chǎn)品、服裝、藥品等產(chǎn)品中。我國《化妝品安全技術規(guī)范(2015)》規(guī)定其在化妝品中的最大允許濃度為0.2%。作為洗滌劑的活性成分的最高允許使用濃度為2%，建議TCC 的使用濃度范圍為0.2%～1.0%[1]。

這些含有TCC的產(chǎn)品通過人們的日常使用，或被變?yōu)槲鬯湃胨h(huán)境中，或隨含有TCC的固體被填埋土在壤中，進而釋放到環(huán)境中，最終導致其在廢水、沉積物以及受納水體中不斷積累，達到一定的濃度，會對哺乳動物、水生動物及污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生危害。根據(jù)相關的研究顯示，TCC主要分布在沉積相，占總質(zhì)量的90.3%[2]。在對我國珠江流域以及石井河流域的檢測中，水體及沉積物均檢測出TCC。水體中TCC平均濃度為19.9 、158 ng/L，沉積物的TCC平均濃度為327、1 305 ng/g[3]。

隨著研究的深入，TCC的研究方向也從早期的各地區(qū)污染狀況調(diào)查、生物的毒理性研究以及探究更為有效的檢測方法，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿コ绞降难芯?。TCC的去除方式可分為物理、化學、生物三種方式。其中生物去除因成本低廉、反應高效、無二次污染等優(yōu)勢，成為前景最為廣闊的研究領域之一。本文主要綜述了國內(nèi)外學者對TCC的研究成果，旨在提高人們對TCC的認識，以及為TCC生物去除的研究提供借鑒。

1 三氯卡班的潛在危害

①三氯卡班對哺乳動物的危害。據(jù)有關報告，TCC對哺乳動物有慢性毒性，可能干擾哺乳動物繁殖以及引起人類高鐵血紅蛋白癥[4-5]。美國加州大學戴維斯分校的一項研究表明，添加在香皂中的抗菌化學物質(zhì)TCC，有可能與一些小的非固醇類分子作用，從而影響固醇類受體信號系統(tǒng)，引發(fā)包括癌癥、生殖功能障礙和發(fā)育異常等病癥在內(nèi)的諸多問題。但現(xiàn)存的研究尚不足以證明長期使用TCC會對人體產(chǎn)生巨大的健康威脅，尚需進行更為長期性的研究及觀察才能得出最終的結論。

②三氯卡班對水生動物的危害。由辛醇/水系數(shù)的對數(shù)可知， TCC ( log Kow 4.2～ 4.9) 具有中度疏水性和親脂特性，表明存在廢水中的這些化合物將會吸附在懸浮的固體，積累在沉積物和積累在水生生物體內(nèi)，進而導致在水生生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生潛在的生物積累[6-7]。三氯卡班對水生動物其繁殖效應會產(chǎn)生一定的影響。雖然水環(huán)境中的TCC濃度較低，但是由于其長期的環(huán)境持久性，以及在污水污泥中的積累，顯示一種強烈非預期的生物活性，并且通過生物富集作用，將其對生物的毒性擴大到整個生態(tài)系統(tǒng)。給水生動物造成不可避免的危害。

③三氯卡班對污水生物處理系統(tǒng)的影響。TCC對污水生物處理系統(tǒng)具有較強的抑制作用，但可通過馴化或者篩選降解菌群的方式，降低其抑制作用，提高菌群的降解效率。

2 生物法去除

生物處理方法主要是利用微生物的代謝作用除去污水中溶解有機污染物、膠體有機污染物以及氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，也可用于某些重金屬和無機鹽離子的處理[8]。而TCC對污水生物處理系統(tǒng)中厭氧菌和需氧菌的代謝有一定的抑制作用[9]。生物法成本較低，專一性較強，不會引起二次污染，如何應用于TCC處理已成為當前的研究熱點。

2.1 可降解TCC的微生物

LIANG等[10]發(fā)現(xiàn)：三氯卡班(TCC)、脫氮產(chǎn)物二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和均二苯脲(NCC)及其水解產(chǎn)物可以通過TCC-2和LD72菌株的生物強化而有效地從土壤中去除。NCC的生物降解不受共降解的影響，但DCC和NCC共存時，在缺氧條件下會不可避免地與TCC競爭生物降解，影響TCC的降解效果。

通過查閱大量資料發(fā)現(xiàn)：許多先前報道中提到降解CBZ、TCC或TCS分離物的屬中，如紅球菌(CBZ)、鏈霉菌(CBZ)、假單胞菌(CBZ、三氯氰菊酯、)、鞘氨醇單胞菌(三氯氰菊酯、)、甲基桿菌(三氯氰菊酯)和狹營養(yǎng)單胞菌(三氯氰菊酯)是較豐富的(括號中顯示了以前報告降解的化學物質(zhì))。菌株YL-JM2C在5天內(nèi)降解高達35%的三氯卡班(4 mg/L)，處理時間>120 h，也沒有進一步觀察到三氯卡班的進一步降解，該微生物也能降解3,4-二氯苯胺和4-氯苯胺[12]。

2.2 TCC可能的降解途徑

動物和人體器官在攝入TCC后，可以通過葡萄糖醛酸化、羥基化和硫酸結合反應來轉(zhuǎn)化TCC。從外源降解途徑的分析來看，5條KEGG(京都基因和基因組百科全書)正交途徑的基因占優(yōu)勢，包括與氨基苯甲酸、苯甲酸(最常見)、氯環(huán)己烷/氯苯、二口惡英和硝基甲苯相關的基因。其中3，4-二氯苯胺、4-氯苯胺和4-氯兒茶酚是三氯卡班的主要代謝物。菌株YL-JM2C的基因組可能具有催化三氯卡班水解起始步驟的水解酶的負責基因[12]。

2.2.1好氧微生物對降解TCC的作用

土壤細菌熒光假單胞菌MC46可以利用TCC作為細胞生長的碳源，MC46比其他TCC降解菌能夠在更高的TCC濃度范圍內(nèi)耐受和發(fā)揮作用[13]。MC46能在31.6 mg/kg或更高濃度下降解TCC。熒光假單胞菌MC46轉(zhuǎn)化率約1 mg/(L·d)[14]。該菌株能與TCC一起生長，耐受濃度高達31.6 mg/L的TCC。當應用包埋技術降解TCC時，包埋細胞對TCC的去除率高達70%，而游離細胞系統(tǒng)的去除率還不到一半[15]。包埋基質(zhì)減少了TCC與微生物的接觸，包埋材料吸附了部分污染物，從而減輕了TCC的抑制作用。包埋細胞對TCC的清除效果優(yōu)于游離細胞，最佳配比(即細胞與基質(zhì)的比例為1∶10)下，包埋的MC46中，有毒物質(zhì)通過多孔包埋基質(zhì)的運輸受到限制，導致毒性較低的污染物到達微生物細胞，成功地降低了TCC。目前尚不清楚MC46是否能實現(xiàn)TCC的完全礦化，并應繼續(xù)研究TCC的降解途徑。

研究者在ch骨菌屬中成功分離了MC22，其TCC的生物降解能力為：有氧條件下，MC22細胞可以在所有測試的TCC濃度下存活。然而，TCC濃度的增加不利于特定細胞的生長，底物被抑制。TCC降解中間體的氧化可能是該降解途徑中的限速步驟。厭氧條件下，MC22的厭氧降解只能將TCC降解至一定水平，因為在一些條件下TCC會異化且降解的速度要慢得多。TCC在生物降解途徑的初始脫氯步驟中可能經(jīng)歷不依賴氧的水解，以形成其氯苯胺成分，此后可在MC22中完全降解。這表明該細菌能夠降解處理過的土壤中殘留的低濃度TCC[16]。

此外，活性污泥中提取的JZ-1菌株具有降解作用，其作用因素有TCC初始濃度、pH值、溫度、接種量，這都對TCC降解效果有一定影響。隨著菌株生長周期、TCC初始濃度、pH值、溫度的增大，菌株JZ-1對TCC的降解率先增加后降低，并且TCC的降解率隨著接種量的增加而增大。在菌株生長的對數(shù)期，TCC初始濃度為1 mg/L，pH值為7，溫度為30 ℃時，TCC降解率達到最大，為最優(yōu)降解條件?？紤]到經(jīng)濟的原因，最適接種量為5%。

2.2.2活性污泥法

活性污泥法(ASP)及其衍生改良工藝是處理工業(yè)和生活污水最廣泛使用的方法，該方法發(fā)展時間早，工藝較為成熟，常用來處理含抗生素的廢水，分為好氧活性污泥和缺氧活性污泥兩種。有學者研究了好氧、缺氧活性污泥對降解TCC的作用，研究表明，反應達到平衡時，好氧、缺氧活性污泥對TCC的表觀去除率>99%，缺氧活性污泥對TCC的吸附率大于好氧活性污泥，生物降解率小于好氧活性污泥[17]。這說明活性污泥在好氧條件下更能降解TCC，其效果優(yōu)于缺氧條件下的生物轉(zhuǎn)化。

硝化處理將廢水中的氨/銨生物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，具有降解TCS的能力，在活性污泥處理過程中提高HRT可以加速TCS和TCC的降解，各種有氧微生物種群可以降解廢水中的TCS。在相同的研究設施中，大量的TCC在硝化-反硝化處理過程中被降解。TCC-1已被證明可以在缺氧條件下降解TCC，并且在廢水反硝化過程中也可以降解，在有氧條件下，已證明活性污泥在30 ℃的溫度下以(-0.015 8±0.012)h-1的速率降解TCC，但在21 ℃時則不能完全去除[18]。

活性污泥法中，吸附是去除抗生素的主要方法，從廢水中去除TCC并不是完全凈去除，TCC在反硝化污泥中的吸附過程主要是非均相的多層吸附。當TCC濃度在1～20 mg/L時，在穩(wěn)定運行中通過反硝化污泥去除了廢水71.2%～79.4%的TCC。反硝化劑對TCC的去除效率基本上不受TCC濃度的影響。TCC不僅可以被反硝化菌吸附，還可以作為電子供體，甚至可用來抑制某些微生物的生長。當反硝化培養(yǎng)物中存在TCC時，EPS功能基團的主要變化是酰胺、羥基和多糖，表明它們可能是主要的吸附位點[19]。

ARMSTRONG等[20]把污水處理廠采集到的活性污泥，接種在臺式反應器中，在21 ℃和30 ℃的條件下，模擬活性污泥的反應過程。實驗結果表明升高溫度對TCC降解確實是有益的，并且通過增加污泥停留時間(SRT)和水力停留時間(HRT)，增加微生物與TCC的接觸時間，對于改善降解效果是相當有效的。通過查閱文獻，污水處理廠對TCC的降解效果并不是十分理想，目前降解率僅為10%～20%。同時TCC的降解效率同初始濃度高度相關，當濃度接近50 ng/L時，并未發(fā)現(xiàn)有效降解，但當濃度遠大于它時就能觀察到其降解發(fā)生。

另有學者研究發(fā)現(xiàn)，實驗溫度對TCC的降解也有影響[21]。研究表明，進入污水處理廠的大多數(shù)TCC在廢水處理過程中不會降級，而是在污泥中積累。在固體保留時間(SRT)為19天的條件下運行的厭氧硝化并沒有促進TCC降解，最終導致TCC積累。與在較暖的溫度下收集的樣品相比，在12月和1月的西區(qū)區(qū)域污水處理廠收集的樣品中觀察到的TCC含量較高，所以污泥樣品的濃度可歸因于季節(jié)差異。最初的批次預處理研究表明，微波輻射本身在80 ℃和160 ℃時可分別實現(xiàn)高達30%±4%和64%±5%的TCC去除效率。

2.2.3生物刺激引入電極法

生物刺激引入電極的方法，同時引入降解TCC的Ochrobactrumsp.TCC-2和電極，探索電流對TCC降解影響，然而，TCC-2菌株的豐度隨著時間的推移顯著下降，但最終降解效率并未降低。因此，TCC在沉積物中的持續(xù)降解可能是由于具有降解TCC潛力的關鍵功能屬之間的協(xié)同作用。TCC降解劑(ochrobactrumsp.TCC-2)的生物強化作用使TCC的優(yōu)先解毒和強化解毒作用明顯消除了TCC的抑制作用，最終提高了PAHs的去除效率。所建立的復合體系對PAHs和TCC共污染沉積物的生物修復具有良好的應用前景[22]。

2.3 膜生物反應器

膜生物反應器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。這種方法采用膜組件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥處理工藝中的二沉池，克服了傳統(tǒng)活性污泥法中易發(fā)生污泥膨脹等問題，有效地截留污水中的微生物，實現(xiàn)了污泥齡和水力停留時間的分離，可以通過調(diào)整污泥齡的大小，有較高的固液分離效率，出水效果良好且穩(wěn)定。由于膜的高效截留作用，反應器中較大的顆粒物、大分子的有機物、細菌等均被截留在膜的進水，同時不用考慮污泥膨脹問題。缺點是：膜污染嚴重、氧利用率低、投資成本高、水處理能耗較高、化學清洗廢液會造成二次污染等。實際應用中膜污染是影響MBR推廣的最大限制因素。

研究結果表明：膜生物反應器MBR工藝對不同抗生素類的去除率大小排序為：土霉素OTC>四環(huán)素TC>金霉素CTC[23]。對三氯卡班的降解作用還有待探討。

2.4 微藻處理技術

微藻是一種分布較為廣泛的生物，可以將污染物作為營養(yǎng)物質(zhì)吸收，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能進行儲存，微藻處理污染物是一種低成本、環(huán)境友好型的處理技術[24]。有關學者研究表明，微藻對大多數(shù)種類的抗生素都具有去除效果，對三氯卡班也存在，但由于藻類對抗生素的影響是十分復雜的生理生化過程，兩者互相有脅迫作用，高濃度的抗生素對微藻類也具有很大的抑制作用和毒性作用，所以微藻處理技術目前仍存在許多弊端，故微藻處理技術對三氯卡班的去除作用還有待設備設施完善后考證。

2.5 堆肥法

堆肥法主要適用于處理固體廢物，可用于處理肥皂、化妝品等殘留有三氯卡班污染物的固體廢物。堆肥法利用多種微生物的作用，將復雜的有機態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性養(yǎng)分和腐殖質(zhì)，同時還可以減少肥料中的異味和病原體，降低糞便和尿液中抗生素的濃度。其中在堆肥過程中影響污染物的去除率主要和溫度有較大關系，不同種類的污染物本身的理化性質(zhì)對去除率也有影響[25]。

對TCC降解的早期實驗表明，TCC先被降解為氯苯胺后才能被生物降解，新鮮的活性污泥中的TCC兩周后才開始被降解，20%的TCC需超過10周才能被降解。2006年的一項研究報告也證實，雖然廢水中的活性污泥被有氧和厭氧微生物降解，但只有21%的TCC被生物轉(zhuǎn)化，76%的TCC吸附在污泥上，3%的TCC隨廢水流出或在處理過程中丟失。同時，污泥中的TCC在厭氧條件下，19 d內(nèi)沒有被轉(zhuǎn)化。三氯卡班降解率低可能是由于母體化合物或其副產(chǎn)物的毒性作用。

微生物降解在廢水處理和土壤生物修復等領域具有廣闊的開發(fā)應用前景。但是，目前微生物降解研究均是在實驗室液體純培養(yǎng)條件下進行，微生物菌株的使用易受外部環(huán)境條件的影響，因而存在著較大的局限性，有必要進一步研究TCC降解菌的誘變，通過基因工程技術構建高效降解TCC菌株，或者采用微生物降解酶制劑和固定化酶反應器技術，為低成本利用微生物消除TCC污染提供有效手段。

3 結語

文中重點探討的生物法對三氯卡班的去除方法，主要有活性污泥法、生物刺激引入電極法、膜生物反應器、微藻處理技術、堆肥法處理抗生素類物質(zhì)，其中活性污泥法去除效果最為可觀，工藝成熟、減少二次污染；其他類型的去除方式受技術、處理能力低的限制，無法處理較多抗生素，并且存在某些去除機制不成熟的問題，多受環(huán)境因素的限制。綜上所述，以生物處理方式為主要途徑，研究效果較好的成本適宜的生物去除方法，對三氯卡班物質(zhì)進行有效去除是比較好的解決方式。