生物电化学系统去除抗生素研究进展

王 舒，刘兴翔，张宸僖，徐弘炜，杨 泽，陈 斌，张 帅,2,3,*

(1.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；
2.江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室(AEMPC)，江苏 南京 210044；
3.大气环境与装备技术协同创新中心(CIC-AEET)，江苏 南京 210044)

抗生素被广泛应用于人类医药、畜牧业、农业和水产养殖业[1]，但由于其在人和动物肠道中不能被完全代谢，导致大量抗生素排放至城市污水中。污水处理厂(WWTP)、畜牧养殖场、水产养殖场和地表径流排出的抗生素会通过不同途径进入到自然水体中[2]。即使低浓度的抗生素也会对人类和环境健康产生重大影响[3]。不仅如此，水环境中的抗生素也可以诱导微生物产生耐药基因，进而产生耐药细菌(Antibiotic Resistant Bacteria,ARB)[4]。近年来，世界卫生组织将ARB及抗生素耐药性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)的出现和传播列为公众健康的三大威胁之一[5]。因此，亟需开展污水中抗生素及耐药性的去除研究。然而，现有研究证明污水处理厂是ARGs的污染源[6]。不仅如此，污水中残留的抗生素持续施加选择压力可能有利于活性污泥中微生物间ARGs的水平基因转移(Horizontal Gene Transfer,HGT)[7]。此外，由于抗生素对微生物群落具有致命的杀伤力，所以传统的生物处理很难有效地去除污水中的抗生素[8]。

近年来，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)和微生物电解电池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)等生物电化学系统(Bioelectrochemical System,BES)作为一类新型生物技术[9]，被广泛应用于抗生素等难降解有机物的去除。MFC是利用微生物进行氧化还原反应将有机物的化学能转换为电能的装置，其基本运行原理为：阳极室保持厌氧的状态下，微生物利用有机物进行催化氧化反应产生电子、质子和二氧化碳；
电子通过外电路传到阴极并形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极；
阴极一般维持在好氧状态，氧气与质子结合被还原成水。MEC是在MFC的基础上外接电源，使阴极处于较低电位，以微生物作为反应主体，而阳极产生的电子在阴极参与还原反应产生氢气。研究人员表明，BES可以通过氧化还原反应提高抗生素的去除率[3]。MFC在降解头孢曲松钠(Ceftriaxone sodium)的同时产生电能[10]。Zhang等人[11]发现，在三维生物膜电极反应器中，200 μg/L磺胺甲恶唑(SMX)的降解率可达90%[12]。

一些传统的污水处理技术，如人工湿地(CW)、膜生物反应器(MBR)等与MFC相结合，分别发挥了各自的优势。人工湿地型微生物燃料电池(CW-MFC)是一项利用人工湿地底层厌氧环境构建阳极，并用人工湿地表层好氧环境作为阴极，用以处理抗生素等难降解废水并产生能量的新技术[13]。MBR是同时具有膜分离和生物处理单元的新型污水处理技术。MFC和MBR系统的耦合具有抗生素处理效果好、污泥产量低和节能效果显著等优点[14]。本文通过综述前人的研究成果，分析了BES及联用技术对抗生素的去除性能，探究了在抗生素去除的过程中对MFC产电及MEC性能的影响，讨论了ARB和ARGs在BES中的归趋。

图1 生物电化学系统装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the bioelectrochemical system

1.1 去除抗生素的性能

近年来，MEC在去除抗生素方面的性能受到广泛关注(表1)。自从Harnisch等人[15]利用MEC降解磺胺类药物并得出显著成效，对使用MEC去除氯霉素(CAP)(92.5%～99%)、磺胺类抗生素(69%～88%)和四环素类抗生素(TC)(>72%)的研究也得到进一步加强(表1)。使用如石墨纤维刷、活性碳纤维和金属泡沫电极等电极在MEC上的作用(表1)同样也受到普遍关注。此外，MEC的运行温度也会对CAP的去除效果有一定的影响，温度从25 ℃降至10 ℃时，CAP的降解效率显著降低[16]，这可能是温度降低导致阴极电流减少所致。在低温下除了电极上的胞外电子对CAP的降解会受到抑制外，嗜阴微生物代谢葡萄糖也同样会受到抑制[16]。

表1 MEC对抗生素去除的性能总结

1.2 影响抗生素去除效果的因素

外加电压是决定抗生素在MEC中降解效率的重要因素之一。当MEC的电压从0增加到0.9 V时，磺胺嘧啶(SDZ)的去除效率明显提高[25]。这可能归因于电压刺激细菌活性并且加速了生物膜的形成。由于阴极电位可以提供足够电子来改变微生物群落[21]，当阴极电位为-1.25 V时，CAP的去除效率有提高的趋势。Wu等人研究发现，当电压从0.3 V增加到0.5 V时，CAP的去除效率有显著提高，这是因为在较高的外加电压下，阴极电位较低，电流密度较大[22]。

1.3 生物阴极在去除抗生素中的作用

生物阴极是决定抗生素去除效果的重要因素。在MEC中，24 h内生物阴极比非生物阴极对CAP的去除效率更高[18]。断开生物阴极后，CAP去除率降至62.0%[17]。尽管两个阴极的阴极电位相似，但生物阴极的初始电流是非生物阴极的3.2倍[17]。生物阴极显示出较高的CAP去除率，可能是因为生物阴极微生物可以直接从阴极获得电子并参与CAP降解[17]。阴极上的生物膜有助于电极和电解质之间的传质[18]。除此之外，与典型的金属电极相比，泡沫金属具有更大的比表面积和多孔壁，使得电极可以通过电化学沉积作用降解抗生素。Wu等人以碳棒、泡沫镍和泡沫铜为阴极，对MEC中的CAP降解性能进行研究发现，泡沫铜对CAP具有完全降解的性能[22]，表明在MEC中，泡沫金属是一种很有前途的去除抗生素的阴极材料。

2.1 MFC去除抗生素的性能

表2总结了MFC处理抗生素的性能。双室MFCs和单室MFC经常用于抗生素的去除。研究报道，单室MFC对β-内酰胺抗生素的去除率高达98%，而双室MFCs对硝基咪唑、磺胺类、氯霉素、喹诺酮和四环素的去除率分别为85%、90%、84%、99%和80%[11,28-32](表2)，由此可见，MFC去除抗生素的效率较高。然而也有研究指出，MFC运行几个月后，磺胺类抗生素的浓度变化趋于平缓。基于以上分析表明，微生物活性的提升是导致MFC中抗生素去除的主要原因[3]。

表2 MFC对抗生素去除的性能总结

2.2 MFC阳极在去除抗生素中的作用

在传统的MFC中，阳极可以通过氧化降解抗生素，而空气阴极很难降解抗生素。然而，传统的厌氧法很难高效降解抗生素。因此，MFC对抗生素降解性能的提高可能是由于阳极发生氧化反应产生电子进而形成电流[10]。Zhang等人研究表明，电能的产生使得微生物降解头孢唑林钠(CFZS)的效率显著提高[37]。阳极室中持续的电子转移使其成为厌氧末端电子受体，提高了功能性厌氧微生物的新陈代谢活动[28]。一般来说，MFC中微生物的ATP水平高于开路系统，这表明MFC中的微生物比对照系统中的微生物更活跃，这可能是通过MFC中抗生素的快速降解来实现的[3]。

2.3 抗生素浓度和共存有机物的影响

MFC进水中抗生素浓度也会影响其去除效果。Song等人发现初始浓度为50 mg/L的甲硝唑初始去除率极低，24 h后的去除率提升到44%[29]。Wang等人研究发现当MFC中SMX的浓度从20 mg/L增加到200 mg/L时，去除50%的SMX的天数从1 d增加到3 d[34]。这些结果表明，较高的初始抗生素浓度会降低MFC对其的去除能力，可能是由于抗生素抑制了装置中微生物的活性[3]。

微生物极易利用如葡萄糖和乙酸这类极易代谢的碳源，为MFC提供电能。然而抗生素并不是微生物必需的碳源，它的存在甚至可以抑制或杀死菌群[32]。MFC中经常要添加额外的碳源，以平衡微生物群落的共生和竞争关系。此前的研究主要集中在添加有机物和不添加有机物时抗生素的去除性能。例如，MFC中头孢曲松钠的去除率为91%，而在含有50 mg/L头孢曲松钠和1 000 mg/L葡萄糖的厌氧反应器中，头孢曲松钠去除率为51%[10]。Miran等人研究发现，MFC中加入浓度为0.08 mmol乳酸钠(COD500 mg/L)时，SMX的去除效率高于90%。更有研究指出MFC中，以醋酸为电子供体，CAP的去除率得到显著提高[11]。这些结果表明，抗生素的加速去除主要归因于以生物催化为基础的共代谢降解过程中氧化速度的提高[36]。

未投加额外碳源的MFC在去除硝基芳香族抗生素氯霉素方面表现出极差的性能[28]。以SMX为唯一有机物的MFC运行10个月后，20 mg/L SMX在12 h内去除率约为85%[3]。这表明基于微生物催化的抗生素厌氧降解过程可能是阳极室内抗生素作为唯一电子供体直接氧化所致[3]。

2.4 抗生素对MFC产电性能的影响

有研究发现，在13 A/m2的电流密度下，使用50 mg/L头孢曲松钠和1 000 mg/L葡萄糖的混合物，最大功率密度可达113 W/m3，比只加100 mg/L葡萄糖的MFC的功率密度高6倍[10]。青霉素浓度从0增加到50 mg/L时，由葡萄糖作为有机物的MFC的最大功率密度也会相应增加[31]。微生物可代谢如青霉素、罗红霉素、磺胺嘧啶和诺氟沙星等抗生素，从而维持MFC的性能[31]。当抗生素降解产物为氮源和碳源时，MFC可能会对其进一步消耗[3]。这些结果表明，产电量取决于抗生素的种类、浓度以及共代谢底物。

青霉素会增加细胞膜通透性，提高酶的释放量和活性[38]，从而提高膜外电子转移效率，进而提高MFC的性能[31]。Zhang等人[37]研究表明，当CFZS浓度增加到100 mg/L时，电压下降到0.1 V，而当CFZS浓度增加到300 mg/L时，并不会降低以CFZS浓度为100 mg/L的MFC长期运行的电压[37]，这表明抗生素可能驯化了更多种抗药性的微生物，从而提高MFC的抗生素耐药性。Sun等人研究发现，在MFC的运行过程中，土霉素(OTC)的降解产物可有效促进电子从外源传递到阳极[39]。除此之外，抗生素还能刺激阳极生物膜的生物电催化活性[40]。有研究发现，MFC在50 mg/L TC存在条件下运行40 h后，最大电压可达157 mV，表明TC可以作为MFC唯一的发电底物[30]。

CW和MBR系统等传统的废水处理技术作为独立运行单元去改善日益恶化的水环境是不够的。近年来，已经开发了许多用于去除抗生素的耦合BES系统：MFC吸附系统、MFC中的耦合光/电化学催化系统(MFC-PEC,MFC-EC)、MBR-MFC、CW-MFC和CW-MFC-MEC，各系统性能详见表3。

表3 抗生素去除耦合系统的性能总结

Yang等人开发了一种新型的连续流MFC吸附系统来去除TC，发现高TC浓度、高电解质浓度和低pH值可以提高TC的去除率。这项研究还表明，由于电流较大，增加串联的MFC数量可以加快TC的去除[41]。在另一项研究中，构建了MFC-PEC和MFC-EC来降解阴极室中的TC[45]。与以FeO/TiO2为阴极的MFC-EC相比，生物电有助于氧的还原，FeO/TiO2会形成活性氧物种(ROS)，从而有效地促进TC的降解[45]。此外，有研究还发现一种新型的FeOOH/TiO2颗粒活性炭(FeOOH/TiO2/GAC)，填充颗粒活性炭的MBR-MFC耦合系统可以减轻膜污染，盐酸去除率可达90%以上[14]。

CW-MFC作为一种新兴的抗生素去除技术，近年来引起了人们的广泛关注。最近的一项研究中，TC和SMX去除率十分可观，与SMX相比，TC在CW-MFC中显示出更高的去除率[42]。在闭路模式的CW-MFC中，出水SDZ浓度低于开路模式[46]。该结果与基质吸收、电极吸附、微生物降解、所需的脱氢酶活性、植物吸收和水解等一系列生物和物理化学过程相一致，可以推断这些过程可能与CW-MFC中抗生素的去除有关[42]。单一的CW-MFC和MEC可以有效地去除抗生素，但使用这项技术时ARGs释放的风险几乎没有受到关注。在CW-MFC-MEC系统中，抗生素的降解是通过利用CW-MFC产生的生物电实现的，不需要外接电源。MEC用于抗生素的预处理，其出水可作为CW-MFC的进水从而使抗生素被进一步降解。已有研究证明该耦合系统能降解高浓度的SMX[47]。这是由于CW-MFC提供相对稳定的电能，可以支持MEC进行有效的SMX预处理(>85.73%)，随后CW-MFC可进一步降解SMX[47]。这些耦合系统在没有外接电源的情况下去除抗生素表现出节能高效的特点。

厌氧BES产生的污泥相比污水处理厂较少，降低了ARGs在污泥处理过程中的增殖[21]。虽然BES中抗生素的去除率极高，但很少有研究关注使用这项技术时释放ARB和ARGs的风险。因此，探究BES中ARB和ARGs的去向具有重要意义。阴极电位、阳极、抗生素及其浓度和溶解氧等操作参数都有可能影响ARGs和ARB的释放及其丰度[20-21,48-49]。

4.1 ARB在BES中的归趋

Yuan等人研究结果表明，BES对耐磺胺及四环素类大肠杆菌的平均去除率较高，当BES从大电流切换到开路模式时，大肠菌群含量显著增加[49]。此外，在BES中，10 V直流电压下48 h的菌浓度是对照组(电压为0)的1.48倍[48]。抗氯霉素耐药菌(CRB)在-1.25 V时的浓度是-1 V时的6倍甚至18倍以上，说明CRB的丰度随着负阴极电位的增加而增加，这是因为在阳极电极中外源电子排出后，ARGs与宿主菌仍存在[49]。在微量营养培养基中施加25 mA的电流，ARB的去除率为84.5%，这是由于BES在大电流下菌群发生应激反应产生大量ROS所致[50]。这些结果表明，BES处理残留抗生素的过程中施加适当的电流可以抑制ARB的产生。

BES中ARB含量的增加或减少可能是由电刺激下的氧化应激作用和三磷酸腺苷(ATP)的变化引起的。随着电流密度的增加，ARB中ROS的产生量增加，表明ROS与电流呈正相关。与开路模式相比，当电流从7 mA增加28 mA时，乳酸脱氢酶(LDH)含量随之增加，表明电流增强了细胞膜的通透性[48]。在强电压作用下，由于细胞膜性质的改变，抗生素可能进入细胞，导致没有ARGs的细菌死亡，从而选择性地增加ARB的丰度[21]。此外，ATP浓度随电流的增加而增加，因此ARB的丰度也相应增加[48]。由此可得，适当的电刺激可提高ARB中ROS的生成、影响膜通透性和ATP水平。然而，当电流增加一个特定范围(>28 mA)时，过量的ROS产生导致ARB下降[48]。

4.2 ARGs在BES中的归趋

与ARB相比，BES中ARGs的去向相当复杂。在MEC中，氯霉素抗性基因的表达随着负阴极电位的增加而降低[21]。当电流从0增加到25 mA时，ARGs的丰度降低约90%[50]。因此，将电流应用于BES处理抗生素污染废水是有益的。此前的研究结果表明电刺激会增加ARGs的丰度[46]。当MFC断路运行时，intI1、sulI和tet(E)的平均去除率提高了约0.3倍[49]。同样，在LB培养基中，随着电压从4 V增加到10 V，sulⅡ基因的表达水平呈现先上升后下降的趋势[48]。因此，有研究推测低电流可以促进ARGs的丰度增加，高电流可能会消除BES中的ARGs。Yuan等人研究表明，ARGs与宿主ARB同时存在，宿主ARB可通过利用BES中的电子受体和电子传递体而存活[49]。

本文就BES在去除抗生素的性能和杀灭ARGs和ARB方面的潜在作用进行了综述。在MEC中，外加电压的大小影响降解抗生素的效率，阴极提供电子以还原抗生素。有效去除抗生素主要是依靠BES中的共代谢降解或者阳极直接氧化，其中在MFC中抗生素可以充当唯一电子供体并且作为MFC发电的唯一碳源。一些耦合系统在没有外接电源的情况下去除抗生素具有节能高效的特点。此外，降解抗生素的过程中，低电流可以促进ARGs通过垂直基因转移(Vertical Gene Transfer，VGT)和水平基因转移(HGT)，高电流则有望消除ARB和ARGs。BES处理抗生素废水具有广阔的前景，其处理效率受多种因素影响，未来可从多种因素影响下对BES的应用进行研究，以进一步推动BES在控制抗生素和抗性基因污染方面的应用与发展。