XXI век. Техносферная безопасность. 2021; 6: 387-394
Использование сорбента на основе природного алюмосиликата (вермикулита) для очистки сточных вод от антибиотиков
https://doi.org/10.21285/2500-1582-2021-4-387-394Аннотация
Проблема очистки сточных вод от остаточных количеств антибиотиков в настоящее время имеет особую актуальность, так как данные лекарственные препараты применяются во многих отраслях агропромышленного комплекса как при выращивании скота, так и в рыбохозяйствах. При этом происходит попадание антибиотиков в водоемы, а далее – в организмы животных и человека, где они могут накапливаться, что негативно сказывается на здоровье. Целью работы является исследование возможности применения сорбента на основе природного алюмосиликата вермикулита Кокшаровского месторождения (Приморский край) для очистки сточных вод рыбоперерабатывающих и рыборазводных предприятий от антибиотиков (на примере левомицетина, тетрациклина, цефазолина, цефуроксима, цефтриаксона, цефепима и ципрофлоксацина) в статических и динамических условиях. Исследование проводилось на модельной системе сточной воды с внесенными антибиотиками. Рассмотрена возможность очистки модельной системы в статическом и динамическом режимах с использованием спектрофотометрического детектирования антибиотиков. При исследовании в статических условиях суммарное содержание антибиотиков варьировалось от 0,25 мг до 1,00 мг на 1 г сорбента. В динамических условиях содержание антибиотика составило 0,025 мг на 1 г сорбента. Показано, что высокие значения степени поглощения для всех исследуемых антибиотиков, кроме левомицетина, достигнуты как в статическом, так и в динамическом режиме. Для левомицетина, при исследовании в статических условиях, максимальная степень поглощения составила 45% при минимальной суммарной концентрации антибиотиков. С увеличением нагрузки на сорбент степень поглощения снижалась до 3%. Таким образом, вермикулит, модифицированный 7%-й соляной кислотой, является перспективным сорбентом для очистки водных объектов от остаточных количеств антибиотиков.
Список литературы
1. Jian-Liang Zhao, You-Sheng Liu, Wang-Rong Liu, Yu-Xia Jiang, Hao-Chang Su, Qian-Qian Zhang, et al. Tissue-specific bioaccumulation of human and veterinary antibiotics in bile, plasma, liver and muscle tissues of wild fish from a highly urbanized region // Environmental Pollution. 2015. Vol. 198. P. 15–24. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.12.026.
2. Шульгина Л. В., Якуш Е. В., Шульгин Ю. П., Шендерюк В. В., Чукалова Н. Н., Бахолдина Л. П. Антибиотики в объектах аквакультуры и их экологическая значимость. Обзор // Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра (ТИНРО). 2015. Т. 181. С. 216–230. https://doi.org/10.26428/1606-9919-2015-181-216-230.
3. Hui Chen, Shan Liu, Xiang-Rong Xu, ShuangShuang Liu, Guang-Jie Zhou, Kai-Feng Sun, et al. Antibiotics in typical marine aquaculture farms surrounding Hailing Island, South China: Occurrence, bioaccumulation and human dietary Exposure // Marine Pollution Bulletin. 2015. Vol. 90, no. 1-2. P. 181–187. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2014.10.053.
4. Suli Zhi, Jing Zhou, Fengxia Yang, Liang Tian, Keqiang Zhang. Systematic analysis of occurrence and variation tendency about 58 typical veterinary antibiotics during animal wastewater disposal processes in Tianjin, China // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2018. Vol. 165. P. 376–385. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.08.101.
5. Yizhe Zhang, Bin Wanga, Giovanni Cagnetta, Lei Duan, Jian Yang, Shubo Deng, et al. Typical pharma-ceuticals in major WWTPs in Beijing, China: Occurrence, load pattern and calculation reliability // Water Research. 2018. Vol. 140. P. 291–300. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.04.056.
6. Hamjinda N. C., Chiemchaisri W., Watanabe T., Honda R., Chiemchaisri Ch. Toxicological assessment of hospital wastewater in different treatment processes // Environmental Science and Pollution Research. 2018. Vol. 25. P. 7271–7279. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4812-0.
7. Zhen Li, Tongli Zheng, Miao Li, Xiang Liu. Organic contaminants in the effluent of Chinese wastewater treatment plants // Environmental Science and Pollution Research. 2018. Vol. 25, no. 27. P. 26852–26860. https://doi/org/10.1007/s11356-018-2840-2.
8. Min Zhang, You-Sheng Liu, Jian-Liang Zhao, Wang-Rong Liu, Liang-Ying He, Jin-Na Zhang, et al. Occurrence, fate and mass loadings of antibiotics in two swine wastewater treatment systems // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 639. P. 1421–1431. https://doi/org/10.1016/j.scitotenv.2018.05.230.
9. Jahnavi Kurasam, Pooja Sihag, Prabhat K Mandal, Sudipta Sarkar. Presence of fluoroquinolone resistance with persistent occurrence of gyrA gene mutations in a municipal wastewater treatment plant in India // Chemosphere. 2018. Vol. 211. P. 817–825. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.08.011.
10. Williams M., Kookana R. S., Mehta A., Yadav S. K., Tailor B. L., Maheshwari B. Emerging contaminants in a river receiving untreated wastewater from an Indian urban centre // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 647. P. 1256–1265. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.08.084.
11. Lamba M., Gupta S., Shukla R., Graham D. W., Sreekrishnan T. R., Ahammad S. Z. Carbapenem resistance exposures via wastewaters across New Delhi // Environment International. 2018. Vol. 119. P. 302–308. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.07.004.
12. K'oreje K. O., Kandie F. J., Vergeynst L., Abira M. A., Langenhove H. V., Okoth M., et al. Occurrence, fate and removal of pharmaceuticals, personal care products and pesticides in wastewater stabilization ponds and receiving rivers in the Nzoia Basin, Kenya // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 637-638. P. 336–348. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.331.
13. Yasojima M., Nakada N., Komori K., Suzuki Y., Tanaka H. Occurrence of levofloxacin, clarithromycin and azithromycin in wastewater treatment plant in Japan // Water Science and Technology. 2006. Vol. 53, no. 11. P. 227–233. https://doi.org/10.2166/wst.2006.357.
14. Баренбойм Г. М., Чиганова М. А. Загрязнение поверхностных и сточных вод лекарственными препаратами // Вода: химия и экология. 2012. № 10. С. 40–46.
15. Karthikeyan K. G., Meyer M. T. Occurrence of antibiotics in wastewater treatment facilities in Wisconsin, USA // Science of the Total Environmental. 2006. Vol. 361, no. 1-3. P. 196–207. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.06.030.
16. Brown K. D., Kulis J., Thomson B., Chapman T. H., Mawhinney D. B. Occurrence of antibiotics in hospital, residential, and dairy effluent, municipal wastewater, and the Rio Grande in New Mexico // Science of the Total Environmental. 2006. Vol. 366. P. 772–783. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2005.10.007.
17. Ribeiro A. R., Sures B., Schmidt T. C. Cephalosporin antibiotics in the aquatic environment: A critical review of occurrence, fate, ecotoxicity and removal technologies // Environmental Pollution. 2018. Vol. 241. P. 1153–1166.
18. Прожерина Ю. Фармацевтические отходы как новая экологическая проблема // Ремедиум. 2017. № 11. С. 14–19. https://doi.org/10.21518/1561-5936-2017-11-14-19.
19. Чиганова М. А., Шанин И. А., Еремин С. А., Баренбойм Г. М. Современные подходы в системе выяления лекарственного загрязнения вод, включая применение методов иммунохимического анализа // Вода: химия и экология. 2015. № 12. С. 64–76.
20. Vu Ngan Binh, Nhung Dang, Nguyen Thi Kieu Anh, Le Xuan Ky, Phong K Thai. Antibiotics in the aquatic environment of Vietnam: Sources, concentrations, risk and control strategy // Chemosphere. 2018. Vol. 197. P. 438-450. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.01.061.
21. Русских Я. В., Чернова Е. Н., Никифоров В. А., Жаковская З. А. Лекарственные соединения в водных объектах северо-запада России // Региональная экология. 2014. № 1-2 (35). С. 77–83.
22. Мухутдинова Н. А., Рычкова М. И., Тюмина Е. А., Вихарева Е. В. Фармацевтические соединения на основе азотсодержащих гетероциклов – новый класс загрязнителей окружающей среды (обзор) // Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2015. № 1. С. 65–76.
23. Белюстова К. О., Соколова Л. И Определение содержания левомицетина в пищевых продуктах с различной массовой долей жира // Техника и технология пищевых производств. 2011. № 3 (22). С. 107–111.
24. Кормош Е. В., Алябьева Т. М., Погорелова А. Г. Химико-минералогические аспекты возможности использования глин Белгородской области в разработке сорбентов для очистки сточных вод // Фундаментальные исследования. 2011. № 8-1. С. 131–136.
25. Павлюченко Ю. А., Соколова Л. И., Шапкин Н. П. Исследование возможности применения природных алюмосиликатов для очистки сточных вод рыбозаводов от антибиотиков // Национальная ассоциация ученых. 2015. Т. 7. № 2–2. С. 160–161.
XXI Century. Technosphere Safety. 2021; 6: 387-394
Using natural aluminosilicate (vermiculite) sorbent for purifying waste water from antibiotics
https://doi.org/10.21285/2500-1582-2021-4-387-394Abstract
The problem of wastewater treatment from residual antibiotics is of particular relevance, since these drugs are used in many agricultural sectors. Antibiotics get into water, animal and human bodies, where they can accumulate negatively affecting health. The aim of this article is to study the possibility of using natural aluminosilicate vermiculite sorbent from the Koksharovskoye field (Primorsky Region) for purifying fish processing and fish farming enterprises’ waste water from antibiotics (chloramphenicol, tetracycline, cefazolin, cefuroxime, ceftriaxone, cefepime and and ciprofloxacin) under static and dynamic conditions. The study was carried out on a model wastewater system with injected antibiotics. The purification ability of the model system using the method of spectrophotometric antibiotics detection is analyzed. Under static conditions, the total content of antibiotics varied from 0.25 mg to 1.00 mg per 1 g of sorbent. Under dynamic conditions, the antibiotic content was 0.025 mg per 1 g of sorbent. High values of absorption for all studied antibiotics, except for chloramphenicol, were achieved both in static and dynamic modes. For chloramphenicol, when examined under static conditions, the maximum absorption rate was 45% with the minimum total concentration of antibiotics. With an increase in the load on the sorbent, the degree of absorption decreased to 3%. Thus, vermiculite modified with 7% hydrochloric acid is a promising sorbent for cleaning water bodies from residual antibiotics.
References
1. Jian-Liang Zhao, You-Sheng Liu, Wang-Rong Liu, Yu-Xia Jiang, Hao-Chang Su, Qian-Qian Zhang, et al. Tissue-specific bioaccumulation of human and veterinary antibiotics in bile, plasma, liver and muscle tissues of wild fish from a highly urbanized region // Environmental Pollution. 2015. Vol. 198. P. 15–24. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.12.026.
2. Shul'gina L. V., Yakush E. V., Shul'gin Yu. P., Shenderyuk V. V., Chukalova N. N., Bakholdina L. P. Antibiotiki v ob\"ektakh akvakul'tury i ikh ekologicheskaya znachimost'. Obzor // Izvestiya Tikhookeanskogo nauchno-issledovatel'skogo rybokhozyaistvennogo tsentra (TINRO). 2015. T. 181. S. 216–230. https://doi.org/10.26428/1606-9919-2015-181-216-230.
3. Hui Chen, Shan Liu, Xiang-Rong Xu, ShuangShuang Liu, Guang-Jie Zhou, Kai-Feng Sun, et al. Antibiotics in typical marine aquaculture farms surrounding Hailing Island, South China: Occurrence, bioaccumulation and human dietary Exposure // Marine Pollution Bulletin. 2015. Vol. 90, no. 1-2. P. 181–187. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2014.10.053.
4. Suli Zhi, Jing Zhou, Fengxia Yang, Liang Tian, Keqiang Zhang. Systematic analysis of occurrence and variation tendency about 58 typical veterinary antibiotics during animal wastewater disposal processes in Tianjin, China // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2018. Vol. 165. P. 376–385. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.08.101.
5. Yizhe Zhang, Bin Wanga, Giovanni Cagnetta, Lei Duan, Jian Yang, Shubo Deng, et al. Typical pharma-ceuticals in major WWTPs in Beijing, China: Occurrence, load pattern and calculation reliability // Water Research. 2018. Vol. 140. P. 291–300. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.04.056.
6. Hamjinda N. C., Chiemchaisri W., Watanabe T., Honda R., Chiemchaisri Ch. Toxicological assessment of hospital wastewater in different treatment processes // Environmental Science and Pollution Research. 2018. Vol. 25. P. 7271–7279. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4812-0.
7. Zhen Li, Tongli Zheng, Miao Li, Xiang Liu. Organic contaminants in the effluent of Chinese wastewater treatment plants // Environmental Science and Pollution Research. 2018. Vol. 25, no. 27. P. 26852–26860. https://doi/org/10.1007/s11356-018-2840-2.
8. Min Zhang, You-Sheng Liu, Jian-Liang Zhao, Wang-Rong Liu, Liang-Ying He, Jin-Na Zhang, et al. Occurrence, fate and mass loadings of antibiotics in two swine wastewater treatment systems // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 639. P. 1421–1431. https://doi/org/10.1016/j.scitotenv.2018.05.230.
9. Jahnavi Kurasam, Pooja Sihag, Prabhat K Mandal, Sudipta Sarkar. Presence of fluoroquinolone resistance with persistent occurrence of gyrA gene mutations in a municipal wastewater treatment plant in India // Chemosphere. 2018. Vol. 211. P. 817–825. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.08.011.
10. Williams M., Kookana R. S., Mehta A., Yadav S. K., Tailor B. L., Maheshwari B. Emerging contaminants in a river receiving untreated wastewater from an Indian urban centre // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 647. P. 1256–1265. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.08.084.
11. Lamba M., Gupta S., Shukla R., Graham D. W., Sreekrishnan T. R., Ahammad S. Z. Carbapenem resistance exposures via wastewaters across New Delhi // Environment International. 2018. Vol. 119. P. 302–308. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.07.004.
12. K'oreje K. O., Kandie F. J., Vergeynst L., Abira M. A., Langenhove H. V., Okoth M., et al. Occurrence, fate and removal of pharmaceuticals, personal care products and pesticides in wastewater stabilization ponds and receiving rivers in the Nzoia Basin, Kenya // Science of the Total Environment. 2018. Vol. 637-638. P. 336–348. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.331.
13. Yasojima M., Nakada N., Komori K., Suzuki Y., Tanaka H. Occurrence of levofloxacin, clarithromycin and azithromycin in wastewater treatment plant in Japan // Water Science and Technology. 2006. Vol. 53, no. 11. P. 227–233. https://doi.org/10.2166/wst.2006.357.
14. Barenboim G. M., Chiganova M. A. Zagryaznenie poverkhnostnykh i stochnykh vod lekarstvennymi preparatami // Voda: khimiya i ekologiya. 2012. № 10. S. 40–46.
15. Karthikeyan K. G., Meyer M. T. Occurrence of antibiotics in wastewater treatment facilities in Wisconsin, USA // Science of the Total Environmental. 2006. Vol. 361, no. 1-3. P. 196–207. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.06.030.
16. Brown K. D., Kulis J., Thomson B., Chapman T. H., Mawhinney D. B. Occurrence of antibiotics in hospital, residential, and dairy effluent, municipal wastewater, and the Rio Grande in New Mexico // Science of the Total Environmental. 2006. Vol. 366. P. 772–783. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2005.10.007.
17. Ribeiro A. R., Sures B., Schmidt T. C. Cephalosporin antibiotics in the aquatic environment: A critical review of occurrence, fate, ecotoxicity and removal technologies // Environmental Pollution. 2018. Vol. 241. P. 1153–1166.
18. Prozherina Yu. Farmatsevticheskie otkhody kak novaya ekologicheskaya problema // Remedium. 2017. № 11. S. 14–19. https://doi.org/10.21518/1561-5936-2017-11-14-19.
19. Chiganova M. A., Shanin I. A., Eremin S. A., Barenboim G. M. Sovremennye podkhody v sisteme vyyaleniya lekarstvennogo zagryazneniya vod, vklyuchaya primenenie metodov immunokhimicheskogo analiza // Voda: khimiya i ekologiya. 2015. № 12. S. 64–76.
20. Vu Ngan Binh, Nhung Dang, Nguyen Thi Kieu Anh, Le Xuan Ky, Phong K Thai. Antibiotics in the aquatic environment of Vietnam: Sources, concentrations, risk and control strategy // Chemosphere. 2018. Vol. 197. P. 438-450. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.01.061.
21. Russkikh Ya. V., Chernova E. N., Nikiforov V. A., Zhakovskaya Z. A. Lekarstvennye soedineniya v vodnykh ob\"ektakh severo-zapada Rossii // Regional'naya ekologiya. 2014. № 1-2 (35). S. 77–83.
22. Mukhutdinova N. A., Rychkova M. I., Tyumina E. A., Vikhareva E. V. Farmatsevticheskie soedineniya na osnove azotsoderzhashchikh geterotsiklov – novyi klass zagryaznitelei okruzhayushchei sredy (obzor) // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Biologiya. 2015. № 1. S. 65–76.
23. Belyustova K. O., Sokolova L. I Opredelenie soderzhaniya levomitsetina v pishchevykh produktakh s razlichnoi massovoi dolei zhira // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv. 2011. № 3 (22). S. 107–111.
24. Kormosh E. V., Alyab'eva T. M., Pogorelova A. G. Khimiko-mineralogicheskie aspekty vozmozhnosti ispol'zovaniya glin Belgorodskoi oblasti v razrabotke sorbentov dlya ochistki stochnykh vod // Fundamental'nye issledovaniya. 2011. № 8-1. S. 131–136.
25. Pavlyuchenko Yu. A., Sokolova L. I., Shapkin N. P. Issledovanie vozmozhnosti primeneniya prirodnykh alyumosilikatov dlya ochistki stochnykh vod rybozavodov ot antibiotikov // Natsional'naya assotsiatsiya uchenykh. 2015. T. 7. № 2–2. S. 160–161.
