基于微宇宙系统的自然解决方案强化去除药物污染物：化学与生态毒理学联合评估

　　本研究针对污水处理厂难以有效去除药物污染物(PP)的问题，通过构建浮动湿地(FW)、生物炭强化浮动湿地(FWB)和生物膜涂层生物炭强化浮动湿地(FWBB)三种自然解决方案(NBS)，结合液相色谱-质谱(LC-MS)分析和生态毒理学测试，发现FWB系统在7天水力停留时间内可实现55%的PP去除率，显著降低废水对大型蚤(Daphnia magna)的急性毒性和回避行为，为可持续水处理提供了高效低成本的技术方案。

　　

随着人类社会发展和人口老龄化，药物和个人护理品(Pharmaceutical Products, PP)的大量使用导致这些新兴污染物在水环境中持续检测，对水生生态系统构成潜在威胁。传统污水处理厂并非为去除这类微量污染物而设计，使得PP通过出水进入自然水体，尽管浓度较低但仍保持生理活性，可能干扰水生生物的正常生理功能。欧盟委员会最新规定要求到2045年成员国必须实施四级处理来去除微污染物，这使得开发可持续的污染控制策略变得尤为迫切。

在这项发表于《Heliyon》的研究中，西班牙哈恩大学的研究团队创新性地将自然解决方案(Nature-Based Solutions, NBS)与先进材料结合，通过微宇宙实验系统评估了三种不同强化方式的浮动湿地对药物污染物的去除效率，并从化学分析和生态毒理学两个维度综合评价了处理效果。

研究采用的主要技术方法包括：利用液相色谱-高分辨质谱(LC-HRMS)对107种药物及其转化产物进行定量分析；通过扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征生物炭及其生物膜涂层的理化特性；采用大型蚤(Daphnia magna)急性毒性测试和异质多生境测定系统(HeMHAS)进行行为生态毒理学评估；使用多变量统计分析和相似性百分比分析(SIMPER)处理环境数据。

3.1. 生物膜涂层生物炭过程

研究人员利用从当地废水中分离的粘红酵母(Rhodotorula mucilaginosa) 1S1 CECT 13212对生物炭进行生物活化，扫描电镜确认该酵母能在生物炭表面形成均匀的生物膜并分泌大量胞外多糖。FT-IR分析显示生物膜涂层增加了羟基、羰基、氨基等官能团的强度，这些官能团通过与药物分子形成氢键和静电作用增强吸附能力。批次吸附实验表明生物膜涂层对双氯芬酸的吸附有所改善。

3.2. 微宇宙系统稳定期和废水暴露期

所有微宇宙系统在5周稳定期内表现出相似的理化特性，为后续实验提供了一致的基础条件。暴露期结束后，仅无浮动湿地的对照组(NULL)在pH值上与其他处理组存在显著差异，表明NBS对水体理化特性影响较小。

3.3. 化学评估

研究在废水中共定量检测到39种活性物质，其中10种被列入欧盟监测清单。热图分析和非度量多维标度(nMDS)显示，所有NBS均能有效降低PP浓度，但生物炭强化浮动湿地(FWB)表现最佳，7天去除率达55%。PERMANOVA分析表明NBS类型和时间对PP组成均有显著影响。SIMPER分析进一步识别出FWB对厄贝沙坦、酮洛芬、克拉霉素、苯海拉明和二甲双胍等药物的去除效果尤为显著。

3.4. 毒理学评估

3.4.1. 急性毒性测试

未处理废水使大型蚤48小时存活率降低20%，表明废水中的PP混合物对水生生物具有明显急性毒性。

3.4.2. 回避行为测试

HeMHAS系统测试表明大型蚤显著回避含未处理废水的区域，但经FWB处理后的水样未引发回避行为，证明NBS处理有效降低了废水的生态毒性。

研究结论表明，浮动湿地特别是生物炭强化型(FWB)能高效去除药物污染物，7天内去除率可达55%，且显著降低废水对水生生物的急性和行为毒性。生物膜涂层虽增加了官能团多样性，但未显著提升整体去除效率，可能与生物炭原料异质性和生物膜分布不均有关。吸附机制涉及氢键、静电作用和孔隙填充等多种方式。

该研究的重要意义在于首次联合化学和生态毒理学方法验证了自然解决方案对药物污染物的去除效果，为污水处理厂四级处理提供了低成本、环境友好的技术选择。研究强调应关注污染物"毒性鸡尾酒"效应，行为了生物标志物作为早期预警指标的价值，为可持续水管理提供了科学依据。未来研究需关注长期处理性能和经济性评估，推动NBS在实际工程中的应用。