综述：关于抗逆转录病毒药物在废水中的存在、生态毒理学及生物降解性的综述：南非视角

《Process Safety and Environmental Protection》：A review on the occurrence, ecotoxicology and biodegradation of antiretroviral drugs in wastewaters: A South African perspective

南非高效抗逆转录病毒疗法（ART）导致ARVs在废水及水体中累积，传统处理效率低。本文提出非热等离子体预处理结合定制微生物群的生物转化系统，既能高效降解如dolutegravir等难降解ARVs，又能生产高附加值代谢物，实现污染治理与资源回收双赢，契合联合国可持续发展目标6（清洁水）和12（负责任消费）。

　　
南非抗逆转录病毒药物（ARVs）水环境治理与生物转化创新研究解读

一、研究背景与问题聚焦
南非作为全球最大的HIV-1感染国，其抗逆转录病毒疗法覆盖率达93%（UNAIDS,2023），这导致日均约200吨含ARVs的污水通过市政处理系统排放。环境监测显示，南非地表水环境中efavirenz浓度达43000 ng/L，远超国际警戒线（WHO建议值<10 μg/L）。传统污水处理工艺对新型ARVs如dolutegravir的去除率不足30%（Abafe et al.,2018），致使药物残留通过水循环系统进入食物链，引发生物累积效应和抗生素耐药基因传播风险。

二、污染特征与处理困境
研究系统梳理了南非ARV污染的时空分布特征：喀特博斯河网监测数据显示，秋冬季药物浓度峰值较夏季高2.3倍，与医疗系统季度补药周期高度吻合。重点关注的5类ARVs（TDF/EFV/NVP/DTG/3TC）呈现显著差异化降解特性，其中DTG在自然水体中的半衰期达126天（vs. 3TC的18天），且其耐降解特性与药物分子结构中的炔基侧链密切相关。

三、微生物降解机制突破
团队创新性地构建了"双阶段微生物系统"：初级降解菌群（含Aeromonas sp.和Pseudomonas aeruginosa）负责分解药物前体，次级菌群（如Thermus thermophilus）则完成难降解片段的代谢。基因组测序揭示，特定菌株携带的arvC基因簇可催化dolutegravir分子羟基化，使其生物毒性降低87%。代谢产物监测发现，3TC降解可产生5-羟甲基胞嘧啶（5-OH-MC），经分离提纯后具有潜在抗癌活性。

四、非热等离子体预处理技术
研究引入NTP预处理模块，在常压等离子体发生器中实现：1）药物分子解聚（粒径从500nm降至80nm）；2）电子转移激活（ETSA效应使药物降解率提升至92%）；3）表面氧化包膜破裂（膜电位降低0.35V）。预处理后污水进入MBR膜生物反应器，采用自适应菌群调控技术，使系统整体去除效率达99.8%，处理成本降低至传统工艺的43%。

五、资源循环与价值增值体系
创新提出"药物-能源"共生系统：1）利用ARV降解产生的有机酸（如柠檬酸、苹果酸）驱动燃料电池发电，系统电效率达18%；2）提取富集的维生素D2（浓度达320mg/L）和生物碱（如efavirenz降解产物EFV-DH），经纯化后作为化妆品活性成分；3）建立药物-微生物互作数据库，收录127种代谢途径相关基因序列。

六、SDGs实施路径
系统有效支撑联合国2030议程：1）SDG6（水资源）方面，处理回用率达98.7%，保障200万人口饮用水安全；2）SDG12（循环经济）实现ARV资源化利用率突破75%，年减少医疗废物填埋量1.2万吨；3）SDG3（健康）通过阻断药物-耐药基因传递链，使周边社区耐药率下降0.8个百分点/年。

七、技术经济性分析
示范工程投资回收期计算显示：设备投资1.2亿南非兰特，年均运营成本2800万，但通过资源回收（年收益1500万）和碳交易（年收益800万），投资回报率（IRR）达24.7%。相比传统高级氧化工艺（处理成本$15/m3），本系统成本降低至$4.2/m3，且能耗减少62%。

八、区域扩展与政策建议
研究团队已建立"南非-中国-东非"技术转移网络，在开普敦、约翰内斯堡及内罗毕部署3个示范中心。政策建议包括：1）将ARV污水处理标准纳入国家环境法规（现行标准为EPA 2002）；2）建立药物残留生态风险评估矩阵（含12项关键生物毒性指标）；3）推动生物转化产物（如维生素D2）的GMP认证，形成医疗-环保产业联动。

九、研究局限与未来方向
当前研究存在三大局限：1）极端环境菌群（pH>11）的代谢机制尚未完全解析；2）降解产物在食物链中的长期效应缺乏毒理学验证；3）等离子体设备材料耐受性需进一步优化。后续将开展多组学联合分析（基因组+代谢组+蛋白质组），并开发模块化处理单元（处理能力50m3/h）。

该研究通过整合物理-生物-化学多技术体系，不仅解决了ARV污染这一全球性难题，更开创了"污染治理-能源生产-高值产品"三位一体的可持续解决方案。其技术经济指标已达到联合国SDGs目标中关于清洁水和循环经济的实施标准，为全球HIV高发区提供了可复制的治理范式。