向经典看齐
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。
德国污水处理厂和河流中药物的赋存特征
解读人：古振澳
论文背景：药物的发明对于提升人类健康水平起到了十分重要的作用，由于在人体中通常不能完全代谢，药物分子及其代谢产物会通过尿液和粪便排出。随着人口增多与社会发展，药物的使用量也越来越高，产生了不容忽视的环境污染问题，在污水、地表水、地下水甚至饮用水中均检测到了药物分子及其代谢产物。污水处理厂作为污染物降解的关键环节，明确其在药物污染去除中的作用，分析药物在水环境中的赋存规律，对于控制药物污染风险具有十分重要的意义。
主要发现与结论：论文作者通过对49个德国污水处理厂和30多条河流进行采样，全面分析了32种常见药物及其代谢产物浓度分布，包括抗炎药、脂质调节剂、精神药物、抗癫痫药物、β受体阻滞剂和β2-拟交感神经药以及5种代谢物。
针对药物在污水处理厂中降解规律，作者重点分析了法兰克福附近一个市政污水处理厂（服务人口31.2万人）进出水中药物浓度，发现虽然进水中水杨酸浓度最高（54 μg/L），但是污水厂对其可实现超过99%去除率。与之相比，卡马西平去除率仅为7%，导致其在出水中浓度最高（2 μg/L）。整体而言，污水厂可去除约60%的药物（图1）。
图1.市政污水处理厂药物进出水负荷及去除率
值得注意的是，在经历降雨天气后，药物分子降解效果显著变差，其中部分药物降解率由60%降低至5%以内，并且该削弱效果可持续数天（图2）。这可能是降雨期间污水厂工艺受到冲击，导致微生物组成及活性改变，某些难降解药物的去除被大幅削弱。
图2.市政污水处理厂中药物去除率随时间及水量变化情况（第4天出现降雨，流量显著增加）
针对数十个污水厂和河流的分析结果表明，药物污染在水环境中广泛分布。污水厂出水中可同时检测到多种药物，其中有污水厂检测到了80%以上的待测药物种类。河流中也普遍存在药物污染，其浓度一般为污水厂出水浓度的5%~20%。
研究者进一步比较了大型和小型河流中药物污染情况，发现小型河流中污染物浓度远高于大型河流（图3），这是由于污水厂受纳水体大多为小型河流。虽然工业排放也可能会导致部分类型药物污染，但应该不是造成地表水被广泛污染的原因。
图3.不同河流中污染物浓度分布情况（其中Rhine和Main为大型河流，其余为小型河流）
根据以上分析，可得出结论：生活污水作为药物污染主要来源，虽然在污水厂中得到部分去除，但出水中依然存在较高浓度残留。污水厂出水进入受纳水体后，药物污染浓度得到降低，但是依然广泛存在，对于水环境安全可能带来较大威胁。
意义与反响：该论文发表于1998年，对于污水厂及水环境中药物污染进行了系统性分析，揭露了药物污染在水体中的广泛分布特征。研究明确了污水处理厂在药物污染防控中的重要作用，也指出了污水处理工艺的局限，为药物污染的管理与防控提供了非常重要的启示。
受当年技术限制，该研究对药物浓度的检测精度有限，但作者通过全面检测与分析，有力地证实了药物污染的严峻性，并指出可能的防控路径。论文发表后，引起了全球范围内对于水体中药物污染的关注，并得到3000余次SCI引用。