生物電化學(xué)系統(tǒng)去除抗生素研究進(jìn)展

王 舒，劉興翔，張宸僖，徐弘煒，楊 澤，陳 斌，張 帥,2,3,*

(1.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(AEMPC)，江蘇 南京 210044；3.大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心(CIC-AEET)，江蘇 南京 210044)

0 引 言

抗生素被廣泛應(yīng)用于人類(lèi)醫(yī)藥、畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)[1]，但由于其在人和動(dòng)物腸道中不能被完全代謝，導(dǎo)致大量抗生素排放至城市污水中。污水處理廠(WWTP)、畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)和地表徑流排出的抗生素會(huì)通過(guò)不同途徑進(jìn)入到自然水體中[2]。即使低濃度的抗生素也會(huì)對(duì)人類(lèi)和環(huán)境健康產(chǎn)生重大影響[3]。不僅如此，水環(huán)境中的抗生素也可以誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生耐藥基因，進(jìn)而產(chǎn)生耐藥細(xì)菌(Antibiotic Resistant Bacteria,ARB)[4]。近年來(lái)，世界衛(wèi)生組織將ARB及抗生素耐藥性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)的出現(xiàn)和傳播列為公眾健康的三大威脅之一[5]。因此，亟需開(kāi)展污水中抗生素及耐藥性的去除研究。然而，現(xiàn)有研究證明污水處理廠是ARGs的污染源[6]。不僅如此，污水中殘留的抗生素持續(xù)施加選擇壓力可能有利于活性污泥中微生物間ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移(Horizontal Gene Transfer,HGT)[7]。此外，由于抗生素對(duì)微生物群落具有致命的殺傷力，所以傳統(tǒng)的生物處理很難有效地去除污水中的抗生素[8]。

近年來(lái)，微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFCs)和微生物電解電池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)等生物電化學(xué)系統(tǒng)(Bioelectrochemical System,BES)作為一類(lèi)新型生物技術(shù)[9]，被廣泛應(yīng)用于抗生素等難降解有機(jī)物的去除。MFC是利用微生物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其基本運(yùn)行原理為：陽(yáng)極室保持厭氧的狀態(tài)下，微生物利用有機(jī)物進(jìn)行催化氧化反應(yīng)產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳；電子通過(guò)外電路傳到陰極并形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極；陰極一般維持在好氧狀態(tài)，氧氣與質(zhì)子結(jié)合被還原成水。MEC是在MFC的基礎(chǔ)上外接電源，使陰極處于較低電位，以微生物作為反應(yīng)主體，而陽(yáng)極產(chǎn)生的電子在陰極參與還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。研究人員表明，BES可以通過(guò)氧化還原反應(yīng)提高抗生素的去除率[3]。MFC在降解頭孢曲松鈉(Ceftriaxone sodium)的同時(shí)產(chǎn)生電能[10]。Zhang等人[11]發(fā)現(xiàn)，在三維生物膜電極反應(yīng)器中，200 μg/L磺胺甲惡唑(SMX)的降解率可達(dá)90%[12]。

一些傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)，如人工濕地(CW)、膜生物反應(yīng)器(MBR)等與MFC相結(jié)合，分別發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)。人工濕地型微生物燃料電池(CW-MFC)是一項(xiàng)利用人工濕地底層厭氧環(huán)境構(gòu)建陽(yáng)極，并用人工濕地表層好氧環(huán)境作為陰極，用以處理抗生素等難降解廢水并產(chǎn)生能量的新技術(shù)[13]。MBR是同時(shí)具有膜分離和生物處理單元的新型污水處理技術(shù)。MFC和MBR系統(tǒng)的耦合具有抗生素處理效果好、污泥產(chǎn)量低和節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)[14]。本文通過(guò)綜述前人的研究成果，分析了BES及聯(lián)用技術(shù)對(duì)抗生素的去除性能，探究了在抗生素去除的過(guò)程中對(duì)MFC產(chǎn)電及MEC性能的影響，討論了ARB和ARGs在BES中的歸趨。

圖1 生物電化學(xué)系統(tǒng)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the bioelectrochemical system

1 MEC去除抗生素

1.1 去除抗生素的性能

近年來(lái)，MEC在去除抗生素方面的性能受到廣泛關(guān)注(表1)。自從Harnisch等人[15]利用MEC降解磺胺類(lèi)藥物并得出顯著成效，對(duì)使用MEC去除氯霉素(CAP)(92.5%～99%)、磺胺類(lèi)抗生素(69%～88%)和四環(huán)素類(lèi)抗生素(TC)(>72%)的研究也得到進(jìn)一步加強(qiáng)(表1)。使用如石墨纖維刷、活性碳纖維和金屬泡沫電極等電極在MEC上的作用(表1)同樣也受到普遍關(guān)注。此外，MEC的運(yùn)行溫度也會(huì)對(duì)CAP的去除效果有一定的影響，溫度從25 ℃降至10 ℃時(shí)，CAP的降解效率顯著降低[16]，這可能是溫度降低導(dǎo)致陰極電流減少所致。在低溫下除了電極上的胞外電子對(duì)CAP的降解會(huì)受到抑制外，嗜陰微生物代謝葡萄糖也同樣會(huì)受到抑制[16]。

表1 MEC對(duì)抗生素去除的性能總結(jié)

1.2 影響抗生素去除效果的因素

外加電壓是決定抗生素在MEC中降解效率的重要因素之一。當(dāng)MEC的電壓從0增加到0.9 V時(shí)，磺胺嘧啶(SDZ)的去除效率明顯提高[25]。這可能歸因于電壓刺激細(xì)菌活性并且加速了生物膜的形成。由于陰極電位可以提供足夠電子來(lái)改變微生物群落[21]，當(dāng)陰極電位為-1.25 V時(shí)，CAP的去除效率有提高的趨勢(shì)。Wu等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓從0.3 V增加到0.5 V時(shí)，CAP的去除效率有顯著提高，這是因?yàn)樵谳^高的外加電壓下，陰極電位較低，電流密度較大[22]。

1.3 生物陰極在去除抗生素中的作用

生物陰極是決定抗生素去除效果的重要因素。在MEC中，24 h內(nèi)生物陰極比非生物陰極對(duì)CAP的去除效率更高[18]。斷開(kāi)生物陰極后，CAP去除率降至62.0%[17]。盡管兩個(gè)陰極的陰極電位相似，但生物陰極的初始電流是非生物陰極的3.2倍[17]。生物陰極顯示出較高的CAP去除率，可能是因?yàn)樯镪帢O微生物可以直接從陰極獲得電子并參與CAP降解[17]。陰極上的生物膜有助于電極和電解質(zhì)之間的傳質(zhì)[18]。除此之外，與典型的金屬電極相比，泡沫金屬具有更大的比表面積和多孔壁，使得電極可以通過(guò)電化學(xué)沉積作用降解抗生素。Wu等人以碳棒、泡沫鎳和泡沫銅為陰極，對(duì)MEC中的CAP降解性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，泡沫銅對(duì)CAP具有完全降解的性能[22]，表明在MEC中，泡沫金屬是一種很有前途的去除抗生素的陰極材料。

2 MFC去除抗生素

2.1 MFC去除抗生素的性能

表2總結(jié)了MFC處理抗生素的性能。雙室MFCs和單室MFC經(jīng)常用于抗生素的去除。研究報(bào)道，單室MFC對(duì)β-內(nèi)酰胺抗生素的去除率高達(dá)98%，而雙室MFCs對(duì)硝基咪唑、磺胺類(lèi)、氯霉素、喹諾酮和四環(huán)素的去除率分別為85%、90%、84%、99%和80%[11,28-32](表2)，由此可見(jiàn)，MFC去除抗生素的效率較高。然而也有研究指出，MFC運(yùn)行幾個(gè)月后，磺胺類(lèi)抗生素的濃度變化趨于平緩?；谝陨戏治霰砻?，微生物活性的提升是導(dǎo)致MFC中抗生素去除的主要原因[3]。

表2 MFC對(duì)抗生素去除的性能總結(jié)

2.2 MFC陽(yáng)極在去除抗生素中的作用

在傳統(tǒng)的MFC中，陽(yáng)極可以通過(guò)氧化降解抗生素，而空氣陰極很難降解抗生素。然而，傳統(tǒng)的厭氧法很難高效降解抗生素。因此，MFC對(duì)抗生素降解性能的提高可能是由于陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生電子進(jìn)而形成電流[10]。Zhang等人研究表明，電能的產(chǎn)生使得微生物降解頭孢唑林鈉(CFZS)的效率顯著提高[37]。陽(yáng)極室中持續(xù)的電子轉(zhuǎn)移使其成為厭氧末端電子受體，提高了功能性厭氧微生物的新陳代謝活動(dòng)[28]。一般來(lái)說(shuō)，MFC中微生物的ATP水平高于開(kāi)路系統(tǒng)，這表明MFC中的微生物比對(duì)照系統(tǒng)中的微生物更活躍，這可能是通過(guò)MFC中抗生素的快速降解來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。

2.3 抗生素濃度和共存有機(jī)物的影響

MFC進(jìn)水中抗生素濃度也會(huì)影響其去除效果。Song等人發(fā)現(xiàn)初始濃度為50 mg/L的甲硝唑初始去除率極低，24 h后的去除率提升到44%[29]。Wang等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)MFC中SMX的濃度從20 mg/L增加到200 mg/L時(shí)，去除50%的SMX的天數(shù)從1 d增加到3 d[34]。這些結(jié)果表明，較高的初始抗生素濃度會(huì)降低MFC對(duì)其的去除能力，可能是由于抗生素抑制了裝置中微生物的活性[3]。

微生物極易利用如葡萄糖和乙酸這類(lèi)極易代謝的碳源，為MFC提供電能。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殺死菌群[32]。MFC中經(jīng)常要添加額外的碳源，以平衡微生物群落的共生和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。此前的研究主要集中在添加有機(jī)物和不添加有機(jī)物時(shí)抗生素的去除性能。例如，MFC中頭孢曲松鈉的去除率為91%，而在含有50 mg/L頭孢曲松鈉和1 000 mg/L葡萄糖的厭氧反應(yīng)器中，頭孢曲松鈉去除率為51%[10]。Miran等人研究發(fā)現(xiàn)，MFC中加入濃度為0.08 mmol乳酸鈉(COD500 mg/L)時(shí)，SMX的去除效率高于90%。更有研究指出MFC中，以醋酸為電子供體，CAP的去除率得到顯著提高[11]。這些結(jié)果表明，抗生素的加速去除主要?dú)w因于以生物催化為基礎(chǔ)的共代謝降解過(guò)程中氧化速度的提高[36]。

未投加額外碳源的MFC在去除硝基芳香族抗生素氯霉素方面表現(xiàn)出極差的性能[28]。以SMX為唯一有機(jī)物的MFC運(yùn)行10個(gè)月后，20 mg/L SMX在12 h內(nèi)去除率約為85%[3]。這表明基于微生物催化的抗生素厭氧降解過(guò)程可能是陽(yáng)極室內(nèi)抗生素作為唯一電子供體直接氧化所致[3]。

2.4 抗生素對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響

有研究發(fā)現(xiàn)，在13 A/m2的電流密度下，使用50 mg/L頭孢曲松鈉和1 000 mg/L葡萄糖的混合物，最大功率密度可達(dá)113 W/m3，比只加100 mg/L葡萄糖的MFC的功率密度高6倍[10]。青霉素濃度從0增加到50 mg/L時(shí)，由葡萄糖作為有機(jī)物的MFC的最大功率密度也會(huì)相應(yīng)增加[31]。微生物可代謝如青霉素、羅紅霉素、磺胺嘧啶和諾氟沙星等抗生素，從而維持MFC的性能[31]。當(dāng)抗生素降解產(chǎn)物為氮源和碳源時(shí)，MFC可能會(huì)對(duì)其進(jìn)一步消耗[3]。這些結(jié)果表明，產(chǎn)電量取決于抗生素的種類(lèi)、濃度以及共代謝底物。

青霉素會(huì)增加細(xì)胞膜通透性，提高酶的釋放量和活性[38]，從而提高膜外電子轉(zhuǎn)移效率，進(jìn)而提高M(jìn)FC的性能[31]。Zhang等人[37]研究表明，當(dāng)CFZS濃度增加到100 mg/L時(shí)，電壓下降到0.1 V，而當(dāng)CFZS濃度增加到300 mg/L時(shí)，并不會(huì)降低以CFZS濃度為100 mg/L的MFC長(zhǎng)期運(yùn)行的電壓[37]，這表明抗生素可能馴化了更多種抗藥性的微生物，從而提高M(jìn)FC的抗生素耐藥性。Sun等人研究發(fā)現(xiàn)，在MFC的運(yùn)行過(guò)程中，土霉素(OTC)的降解產(chǎn)物可有效促進(jìn)電子從外源傳遞到陽(yáng)極[39]。除此之外，抗生素還能刺激陽(yáng)極生物膜的生物電催化活性[40]。有研究發(fā)現(xiàn)，MFC在50 mg/L TC存在條件下運(yùn)行40 h后，最大電壓可達(dá)157 mV，表明TC可以作為MFC唯一的發(fā)電底物[30]。

3 BES耦合系統(tǒng)去除抗生素

CW和MBR系統(tǒng)等傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)作為獨(dú)立運(yùn)行單元去改善日益惡化的水環(huán)境是不夠的。近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多用于去除抗生素的耦合BES系統(tǒng)：MFC吸附系統(tǒng)、MFC中的耦合光/電化學(xué)催化系統(tǒng)(MFC-PEC,MFC-EC)、MBR-MFC、CW-MFC和CW-MFC-MEC，各系統(tǒng)性能詳見(jiàn)表3。

表3 抗生素去除耦合系統(tǒng)的性能總結(jié)

Yang等人開(kāi)發(fā)了一種新型的連續(xù)流MFC吸附系統(tǒng)來(lái)去除TC，發(fā)現(xiàn)高TC濃度、高電解質(zhì)濃度和低pH值可以提高TC的去除率。這項(xiàng)研究還表明，由于電流較大，增加串聯(lián)的MFC數(shù)量可以加快TC的去除[41]。在另一項(xiàng)研究中，構(gòu)建了MFC-PEC和MFC-EC來(lái)降解陰極室中的TC[45]。與以FeO/TiO2為陰極的MFC-EC相比，生物電有助于氧的還原，F(xiàn)eO/TiO2會(huì)形成活性氧物種(ROS)，從而有效地促進(jìn)TC的降解[45]。此外，有研究還發(fā)現(xiàn)一種新型的FeOOH/TiO2顆?；钚蕴?FeOOH/TiO2/GAC)，填充顆?；钚蕴康腗BR-MFC耦合系統(tǒng)可以減輕膜污染，鹽酸去除率可達(dá)90%以上[14]。

CW-MFC作為一種新興的抗生素去除技術(shù)，近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注。最近的一項(xiàng)研究中，TC和SMX去除率十分可觀，與SMX相比，TC在CW-MFC中顯示出更高的去除率[42]。在閉路模式的CW-MFC中，出水SDZ濃度低于開(kāi)路模式[46]。該結(jié)果與基質(zhì)吸收、電極吸附、微生物降解、所需的脫氫酶活性、植物吸收和水解等一系列生物和物理化學(xué)過(guò)程相一致，可以推斷這些過(guò)程可能與CW-MFC中抗生素的去除有關(guān)[42]。單一的CW-MFC和MEC可以有效地去除抗生素，但使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)ARGs釋放的風(fēng)險(xiǎn)幾乎沒(méi)有受到關(guān)注。在CW-MFC-MEC系統(tǒng)中，抗生素的降解是通過(guò)利用CW-MFC產(chǎn)生的生物電實(shí)現(xiàn)的，不需要外接電源。MEC用于抗生素的預(yù)處理，其出水可作為CW-MFC的進(jìn)水從而使抗生素被進(jìn)一步降解。已有研究證明該耦合系統(tǒng)能降解高濃度的SMX[47]。這是由于CW-MFC提供相對(duì)穩(wěn)定的電能，可以支持MEC進(jìn)行有效的SMX預(yù)處理(>85.73%)，隨后CW-MFC可進(jìn)一步降解SMX[47]。這些耦合系統(tǒng)在沒(méi)有外接電源的情況下去除抗生素表現(xiàn)出節(jié)能高效的特點(diǎn)。

4 BES中ARB和ARGs的歸趨

厭氧BES產(chǎn)生的污泥相比污水處理廠較少，降低了ARGs在污泥處理過(guò)程中的增殖[21]。雖然BES中抗生素的去除率極高，但很少有研究關(guān)注使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)釋放ARB和ARGs的風(fēng)險(xiǎn)。因此，探究BES中ARB和ARGs的去向具有重要意義。陰極電位、陽(yáng)極、抗生素及其濃度和溶解氧等操作參數(shù)都有可能影響ARGs和ARB的釋放及其豐度[20-21,48-49]。

4.1 ARB在BES中的歸趨

Yuan等人研究結(jié)果表明，BES對(duì)耐磺胺及四環(huán)素類(lèi)大腸桿菌的平均去除率較高，當(dāng)BES從大電流切換到開(kāi)路模式時(shí)，大腸菌群含量顯著增加[49]。此外，在BES中，10 V直流電壓下48 h的菌濃度是對(duì)照組(電壓為0)的1.48倍[48]?？孤让顾啬退幘?CRB)在-1.25 V時(shí)的濃度是-1 V時(shí)的6倍甚至18倍以上，說(shuō)明CRB的豐度隨著負(fù)陰極電位的增加而增加，這是因?yàn)樵陉?yáng)極電極中外源電子排出后，ARGs與宿主菌仍存在[49]。在微量營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中施加25 mA的電流，ARB的去除率為84.5%，這是由于BES在大電流下菌群發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生大量ROS所致[50]。這些結(jié)果表明，BES處理殘留抗生素的過(guò)程中施加適當(dāng)?shù)碾娏骺梢砸种艫RB的產(chǎn)生。

BES中ARB含量的增加或減少可能是由電刺激下的氧化應(yīng)激作用和三磷酸腺苷(ATP)的變化引起的。隨著電流密度的增加，ARB中ROS的產(chǎn)生量增加，表明ROS與電流呈正相關(guān)。與開(kāi)路模式相比，當(dāng)電流從7 mA增加28 mA時(shí)，乳酸脫氫酶(LDH)含量隨之增加，表明電流增強(qiáng)了細(xì)胞膜的通透性[48]。在強(qiáng)電壓作用下，由于細(xì)胞膜性質(zhì)的改變，抗生素可能進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致沒(méi)有ARGs的細(xì)菌死亡，從而選擇性地增加ARB的豐度[21]。此外，ATP濃度隨電流的增加而增加，因此ARB的豐度也相應(yīng)增加[48]。由此可得，適當(dāng)?shù)碾姶碳た商岣逜RB中ROS的生成、影響膜通透性和ATP水平。然而，當(dāng)電流增加一個(gè)特定范圍(>28 mA)時(shí)，過(guò)量的ROS產(chǎn)生導(dǎo)致ARB下降[48]。

4.2 ARGs在BES中的歸趨

與ARB相比，BES中ARGs的去向相當(dāng)復(fù)雜。在MEC中，氯霉素抗性基因的表達(dá)隨著負(fù)陰極電位的增加而降低[21]。當(dāng)電流從0增加到25 mA時(shí)，ARGs的豐度降低約90%[50]。因此，將電流應(yīng)用于BES處理抗生素污染廢水是有益的。此前的研究結(jié)果表明電刺激會(huì)增加ARGs的豐度[46]。當(dāng)MFC斷路運(yùn)行時(shí)，intI1、sulI和tet(E)的平均去除率提高了約0.3倍[49]。同樣，在LB培養(yǎng)基中，隨著電壓從4 V增加到10 V，sulⅡ基因的表達(dá)水平呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)[48]。因此，有研究推測(cè)低電流可以促進(jìn)ARGs的豐度增加，高電流可能會(huì)消除BES中的ARGs。Yuan等人研究表明，ARGs與宿主ARB同時(shí)存在，宿主ARB可通過(guò)利用BES中的電子受體和電子傳遞體而存活[49]。

5 結(jié) 論

本文就BES在去除抗生素的性能和殺滅ARGs和ARB方面的潛在作用進(jìn)行了綜述。在MEC中，外加電壓的大小影響降解抗生素的效率，陰極提供電子以還原抗生素。有效去除抗生素主要是依靠BES中的共代謝降解或者陽(yáng)極直接氧化，其中在MFC中抗生素可以充當(dāng)唯一電子供體并且作為MFC發(fā)電的唯一碳源。一些耦合系統(tǒng)在沒(méi)有外接電源的情況下去除抗生素具有節(jié)能高效的特點(diǎn)。此外，降解抗生素的過(guò)程中，低電流可以促進(jìn)ARGs通過(guò)垂直基因轉(zhuǎn)移(Vertical Gene Transfer，VGT)和水平基因轉(zhuǎn)移(HGT)，高電流則有望消除ARB和ARGs。BES處理抗生素廢水具有廣闊的前景，其處理效率受多種因素影響，未來(lái)可從多種因素影響下對(duì)BES的應(yīng)用進(jìn)行研究，以進(jìn)一步推動(dòng)BES在控制抗生素和抗性基因污染方面的應(yīng)用與發(fā)展。