综述：关于微生物燃料电池降解四环素类抗生素的系统性研究：性能、机制、微生物群落及耦合系统

《Process Safety and Environmental Protection》：A systematic review for degradation of tetracycline antibiotics by microbial fuel cells: Performance, mechanisms, microbial community and coupled system

四环素类抗生素（TCs）在微生物燃料电池（MFCs）中可通过阳极矿化与阴极生物共代谢实现高效降解，其机制涉及复杂微生物群落的协同作用及耦合增强系统，但系统规模化与稳定性仍需优化。

　　微生物燃料电池（MFCs）作为一种新兴的水处理技术，因其能够将有机物的化学能转化为电能，并在降解污染物的同时实现能量回收，而受到广泛关注。特别是在抗生素残留的去除方面，MFCs展现出独特的优势。四环素类抗生素（TCs）因其广泛应用于人类和动物医疗、水产养殖以及畜牧业，成为环境中常见的污染物。这些抗生素在自然水体中残留，对生态系统安全构成严重威胁。因此，研究如何高效、环保地去除TCs成为环境科学领域的重要课题。

MFCs通过利用微生物的代谢活动，将有机物质的化学能转化为电能，同时实现有机污染物的降解。其工作原理基于微生物在电极表面的代谢过程中产生的电子转移。在MFCs中，TCs的去除主要发生在阳极和阴极两个部分。在阳极区域，由于厌氧条件的存在，微生物能够通过代谢和共代谢作用逐步降解TCs，将其分解为二氧化碳和水，实现彻底的矿化。而在阴极区域，由于有氧条件的存在，TCs可以通过微生物的共代谢和酶促反应被高效降解。这种双路径的降解机制使得MFCs在处理TCs方面具有更高的效率和灵活性。

此外，MFCs在降解过程中还能够产生能量，这使其在废水处理中具备独特的优势。传统的抗生素去除方法，如物理吸附、膜分离、电芬顿、高级氧化和光催化等，虽然在某些情况下能够有效去除污染物，但往往存在处理效率低、成本高或难以实现完全降解等问题。相比之下，MFCs不仅能够高效去除TCs，还能够实现能源回收，因此被认为是具有前景的抗生素废水处理技术。

然而，尽管MFCs在TCs去除方面表现出色，其实际应用仍面临一些挑战。例如，MFCs的系统规模有限，难以满足大规模废水处理的需求；同时，其对环境条件的适应性也有待提高。此外，TCs的残留可能对MFCs的性能产生抑制作用，影响微生物的活性和系统的稳定性。因此，深入研究TCs的降解机制、优化微生物群落结构、提高系统的环境适应性和稳定性，是推动MFCs技术在实际应用中的关键。

在MFCs系统中，阳极和阴极的微生物群落对于TCs的降解起着至关重要的作用。阳极微生物主要负责TCs的氧化降解，通过代谢活动产生电子并传递至阴极。阴极微生物则通过共代谢和酶促反应进一步降解TCs，通常涉及强氧化性物质的参与。研究表明，阳极和阴极微生物之间的协同作用能够显著提高TCs的降解效率，同时增强整个系统的性能。因此，对微生物群落的分析和调控对于优化MFCs系统的运行至关重要。

为了提高MFCs的降解效率和适用性，研究人员探索了多种耦合系统。例如，生物电芬顿系统结合了MFCs的电化学特性与芬顿反应的高效氧化能力，能够有效降解难降解的污染物，包括TCs及其他新兴污染物。这种耦合系统不仅提高了TCs的去除率，还降低了处理成本，为实际应用提供了新的思路。此外，其他耦合技术，如MFCs与生物膜反应器、光催化反应器等的结合，也在不断被研究和优化，以期在不同环境条件下实现更高效的TCs去除。

TCs的降解不仅需要考虑其在MFCs中的去除路径，还需要关注其对系统性能的潜在影响。研究表明，TCs在MFCs中可能表现出双面效应：一方面，它们可以被有效去除；另一方面，它们可能对系统的运行产生抑制作用。这种抑制作用主要体现在电极-生物膜界面，可能影响微生物的活性和电子传递效率。因此，理解TCs对MFCs系统的抑制机制，对于设计和优化MFCs处理系统具有重要意义。

综上所述，MFCs作为一种具有潜力的抗生素废水处理技术，正在逐步被应用于TCs的去除。然而，要实现其在实际应用中的广泛应用，还需要解决一系列科学和技术问题。这包括深入理解TCs的降解机制、优化微生物群落结构、提高系统的环境适应性和稳定性，以及开发更高效的耦合系统。通过不断的研究和技术创新，MFCs有望成为未来抗生素废水处理的重要手段，为环境保护和人类健康提供有力支持。