双室微生物电化学系统中阳极和阴极对含抗生素和微塑料复合污染废水的不同响应

《Journal of Cleaner Production》：Differential response of anode and cathode in dual chamber microbial electrochemical system for treatment of antibiotic and microplastic composite polluted wastewater

本研究比较双室MES与厌氧消化处理含微塑料和抗生素的污水，发现阳极代谢增强（ATPase/SOD升高），阴极严重抑制（甲烷生成抑制、COD去除率低、VFA积累）。微生物群落中阴极放线菌增多，阳极产甲烷菌增加。抗生素抗性基因（ARGs）在阴极显著升高，与多药耐药相关。代谢途径分析表明阳极糖酵解增强，阴极上调SOS应答和膜完整性基因，揭示电极极性对系统性能的关键影响，为清洁生产技术优化提供依据。

　　在当今快速发展的工业化和城市化背景下，水污染问题日益严重，特别是微塑料（MPs）和抗生素等新兴污染物的排放量持续上升，给传统的污水处理技术带来了前所未有的挑战。这些污染物不仅在环境中具有高度的持久性，还通过物理和化学作用干扰微生物的代谢活动，导致污水处理系统的效率下降甚至失效。为了解决这些问题，研究者们开始关注一种新兴的污水处理技术——微生物电化学系统（MES），该技术通过电活性微生物与电极之间的相互作用，为处理难降解污染物提供了新的思路。MES不仅能够加速污染物的矿化过程，还能实现能量转化和微生物代谢调控的协同效应，因此被认为是推动清洁生产的重要技术之一。

在实际应用中，MES通常采用双室结构，将电极分为阳极和阴极两个部分。阳极主要用于有机污染物或还原性污染物（如抗生素）的氧化反应，而阴极则负责污染物的还原反应或资源回收。这种结构使得MES能够在不同的电化学环境中进行污染物的降解，从而提高整体的处理效率。然而，当处理含有微塑料和抗生素的复杂混合污染时，阳极和阴极的表现却存在显著差异。研究表明，阴极在处理这类污染物时表现出严重的甲烷生成抑制现象，与传统的厌氧消化（AD）相比，阴极的化学需氧量（COD）去除率下降，同时挥发性脂肪酸（VFA）和氨氮（NH??-N）的积累量增加。这表明，在复杂污染条件下，阴极的代谢能力受到了较大影响，而阳极则表现出更强的代谢活性。

为了进一步理解这种差异，研究者们对阳极和阴极的生物膜进行了分析。结果表明，阴极生物膜中活性氧物种（ROS）的生成量显著增加，同时乳酸脱氢酶（LDH）的活性下降，这说明阴极生物膜受到了更强的氧化应激和膜损伤。而阳极生物膜在电刺激作用下，ATP酶和超氧化物歧化酶（SOD）的活性增强，表明阳极的代谢能力和抗氧化系统得到了提升。这种现象可能与电极接触引起的微生物适应性变化有关。此外，研究还发现，阴极生物膜中胞外聚合物（EPS）的分泌量增加，EPS主要由蛋白质和多糖组成，能够起到保护生物膜的作用，减少污染物对微生物的直接损害。

微生物群落的结构变化也是影响MES性能的重要因素。在处理微塑料和抗生素混合污染的过程中，阳极和阴极的微生物群落发生了显著的调整。例如，放线菌门（Actinomycetota）在两个电极中均占主导地位，这表明该类微生物在应对污染压力时具有较强的适应能力。而在阴极中，发酵菌（如Proteiniphilum和Petrimonas）取代了电活性菌（electricigens），这可能与阴极的还原环境和污染物的毒性有关。同时，甲烷菌（如Methanothrix）在阳极中增加，而在阴极中减少，这表明在不同电极环境下，甲烷菌的代谢活动受到不同的影响。

抗生素对MES的影响同样复杂。在电活性生物膜中，抗生素可以通过螯合细胞色素c或阻断纳米线的导电性，导致阳极电位下降，从而降低系统输出功率。此外，抗生素的浓度在某些情况下可能影响微生物的代谢网络，甚至促进抗生素抗性基因（ARGs）的水平转移，增加环境中的抗性基因丰度。这种现象在处理微塑料和抗生素混合污染时尤为明显，因为微塑料可能作为抗生素的载体，延长其在环境中的停留时间，同时抗生素抗性细菌的增殖可能促进微塑料表面的生物膜形成，进一步削弱污水处理系统的性能。

微塑料和抗生素的协同作用也对MES的运行产生了重要影响。微塑料由于其小尺寸和表面特性，能够作为重金属、有机污染物和病原体的载体，这不仅增加了污染物的迁移能力，还可能改变电极表面的双电层结构，影响阳极的电化学反应效率。此外，微塑料表面的还原中间产物（如氨基化的微塑料）可能抑制阳极微生物的活性，导致系统整体效率下降。这种协同效应表明，在处理复杂污染时，微塑料和抗生素的相互作用可能加剧污水处理的难度。

为了应对这些挑战，研究者们需要更深入地理解微塑料和抗生素对MES的影响机制，特别是阳极和阴极在处理复合污染时的功能差异、电子竞争和抑制抵抗能力。通过系统地比较MES与传统AD的运行性能，分析电极特异性微生物适应机制，并基于电极极性优化MES的运行，可以为清洁生产技术的发展提供重要支持。研究还发现，MES在处理微塑料和抗生素复合污染时表现出更强的代谢能力和更低的环境风险，这不仅提高了难降解污染物的去除效率，还减少了ARGs的扩散，增强了污水处理系统的可持续性。

在污水处理领域，清洁生产是一种重要的策略，旨在减少环境污染并提高资源利用效率。清洁生产强调开发低影响、可持续的技术，以最小化污染物的生成并优化处理效果。然而，传统的污水处理过程（如活性污泥法和传统AD）往往难以应对微塑料和抗生素等新兴污染物带来的复杂挑战，导致污染物去除不彻底、二次污染（如ARGs的扩散）和资源回收效率低下，这与清洁生产的目标相悖。相比之下，MES通过整合污染物降解、能量转化和微生物代谢调控，为清洁生产提供了新的可能性。MES不仅能够提高难降解污染物的去除效率，还能减少环境风险，提高污水处理系统的可持续性。

研究还指出，MES在处理微塑料和抗生素复合污染时，阳极和阴极的微生物群落发生了显著变化。例如，阳极中的电活性菌（如Geobacter和Shewanella）能够通过胞外电子传递（EET）将有机污染物或还原性污染物（如抗生素）转化为电能，同时促进污染物的矿化。这种过程能够显著提高污染物的去除效率，例如，磺胺甲噁唑（SMX）在阳极生物膜的作用下，可以通过羟基化和环打开等途径被降解，去除效率可达85%–92%。而阴极中的微生物则主要参与还原反应，如硝酸盐的还原或重金属的还原，这些过程能够促进污染物的去除或资源回收，但同时也受到污染物的影响，导致其代谢能力下降。

在实际运行中，MES的性能受到多种因素的影响，包括电极的极性、污染物的浓度、微生物的适应能力以及系统的运行条件。例如，当处理含有微塑料和抗生素的混合污染时，阴极的甲烷生成受到显著抑制，而阳极则表现出一定的代谢活性。这种差异可能与阴极的还原环境和污染物的毒性有关，而阳极的氧化环境则有利于微生物的代谢活动。此外，电极表面的双电层结构也可能受到微塑料和抗生素的影响，改变阳极和阴极的电化学反应效率。

为了进一步优化MES的运行，研究者们需要系统地分析阳极和阴极在处理复合污染时的功能差异，以及它们之间的电子竞争和抑制抵抗能力。例如，微塑料对阳极电极表面的吸附可能改变其双电层结构，从而影响阳极的电化学反应效率。同时，阴极的还原中间产物（如氨基化的微塑料）可能抑制阳极微生物的活性，导致系统整体效率下降。这些现象表明，在处理复杂污染时，阳极和阴极的相互作用可能对MES的运行产生重要影响。

综上所述，本研究通过比较双室MES和AD在处理微塑料和抗生素混合污染时的表现，揭示了电极特异性反应在提升微生物代谢活性和能量回收中的关键作用。研究发现，阴极在处理这类污染物时表现出明显的甲烷生成抑制，而阳极则表现出更强的代谢活性。这种差异可能与阴极的还原环境和污染物的毒性有关，而阳极的氧化环境则有利于微生物的代谢活动。此外，微塑料和抗生素的协同作用可能加剧污水处理的难度，影响MES的运行效率。通过深入理解这些机制，可以为优化MES的运行、提高其处理复杂污染的能力提供重要支持，同时推动清洁生产技术的发展，减少环境污染并提高资源利用效率。