CREST | 美国西北大学Hartmann团队：污水处理过程中苯扎氯铵的来源、潜在风险及缓解策略

导 读

美国西北大学Erica M. Hartmann团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“污水处理过程中苯扎氯铵的来源、潜在风险及缓解策略（Benzalkonium chloride: A systematic review of its environmental entry through wastewater treatment, potential impact, and mitigation strategies; 2022, 52(15): 2691-2719）”的综述。
图1 图文摘要（Graphic abstract）

季铵盐类物质（Quaternary Ammonium Compounds, QACs）是一类由带正电的中心离子N⁺和其连接的4个烷基或芳香基团以及带负电的卤素离子构成的抗菌剂（图2），被广泛应用于农业、工业、食品和医护等行业。本文以一种典型的QACs—苯扎氯铵（Benzalkonium chloride, BAC）为目标污染物，分析其通过污水处理过程的排放、潜在风险（主要针对水生生物危害和微生物耐药性）及缓解策略，以期降低BAC的生态环境风险，保障饮用水安全。

图2 苯扎氯铵（BAC）的化学结构

主要内容

污水中的苯扎氯铵（BAC）及其环境行为

苯扎氯铵（BAC）的大规模使用及处理不当导致环境中BAC含量增加。污水处理厂、制药厂、医院废水是BAC的主要来源（图3）。例如，奥地利医院废水中BAC浓度高达2800 µg/L，显著高于生活污水中BAC浓度（4.1 µg/L）。而欧洲医院废水普调数据显示，其BAC含量为50-1900 µg/L，并认为BAC含量与医院规模无关，而与BAC使用量有关。进入污水处理厂后，BAC主要受活性污泥吸附和生物降解等过程调控。由于具有较高的K_oc值（Log organic carbon-water partitioning coefficient），环境中BAC倾向于被吸附于土壤等固相介质。研究表明，活性污泥对BAC的吸附率高达95%，导致污水处理厂污泥中BAC含量极高，该过程受BAC链长、初始浓度、同系物占比及其他化学物质的影响，并进一步影响后续生物降解过程。

图3 苯扎氯铵（BAC）进入环境的主要途径

苯扎氯铵（BAC）的潜在风险

BAC的生态风险主要体现在两方面：一是对水生微型生物产生毒性效应（表1），二是使微生物产生耐药性和抗药性。研究表明，BAC对水蚤（Daphnia magna）等水生生物的行为、繁殖和遗传信息（DNA）产生不良影响，该过程受其分配系数和共存污染物（例如消毒剂、抗癌药等）等因素的影响。此外，在低浓度BAC暴露下，易使微生物产生耐药性。例如，低浓度BAC使细菌最小抑制浓度（MIC）提高500倍，其机制涉及转运体和外排泵的基因表达（比如acrA，acrB，qacG和qacH等）。值得注意的是，食品生产过程使用BAC会使微生物产生耐药性，降低消毒效果，增加食品安全风险。

表1 BAC对水生微生物或微型生物的毒性效应

通过改善处理工艺和使用替代品降低BAC排放量

除生态风险和微生物耐药性外，在污水处理过程中BAC可转化产生亚硝胺等副产物，引发致癌风险。利用三价铁活化的过硫酸盐或二价铁与过氧化氢混合物处理60 min，BAC去除效率分别达90%和80%。水处理过程中，活性污泥中假单胞菌属（Pseudomonas sp.）、无色杆菌属（Achromobacter sp.）和恶臭假单胞菌属（Pseudomonas putida）等是BAC降解的主要微生物。采取措施防止这类微生物活性被抑制是保障BAC去除效率的重要前提。此外，可采用指示生物和生物修复技术相结合的方法对BAC污染进行预警和修复。最后，可考虑利用天然抑菌剂（例如白藜芦醇（Resveratrol）、罗勒油（Basil oil）等）替代BAC，以降低BAC的排放量和污染风险。

总结与展望

本文主要通过对经过污水处理过程中BAC的来源、潜在风险及缓解策略进行了梳理和总结，并提出未来值得关注的研究方向：（1）将BAC与补充消毒剂结合使用有助于降低微生物耐药性风险；（2）在使用BAC时应考虑微生物初始浓度、具体使用环境条件及消毒材料特性等；（3）微生物耐药性风险评估应考虑其长期累积暴露风险；（4）针对现有工艺BAC降解效率低的问题，开发生物颗粒或封装技术以保护微生物群落结构，以提高对BAC的降解效率；（5）筛选废水（特别是医院废水）中可对BAC进行高效降解的土著微生物，富集培养以提高BAC的去除效率；（6）加强对BAC消毒副产物的生态环境风险评估研究。

作者简介

第一作者简介：

Olivia Williams Barber，美国西北大学土木与环境工程学院博士生。主要从事环境化学和抗菌素耐药性等研究，已发表学术论文四篇。

通讯作者简介：

Erica M. Hartmann，美国西北大学土木与环境工程学院助理教授。主要从事环境微生物学和微生物对合成化学品的响应等研究，已发表学术论文四十余篇。

|供稿：刘雪

|编排：曾镜羽

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