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抗生素滥用威胁环境和人类健康，含左氧氟沙星（OFL）废水处理迫在眉睫。研究人员构建 CW-MFC 系统，发现其对 OFL 去除率超 96%，还能有效去除常规污染物。该研究为制药废水处理提供新方案，助力优化抗生素去除策略。
在现代社会，抗生素广泛应用于医药和水产养殖领域，为人类健康和养殖业发展立下汗马功劳。但凡事过犹不及，抗生素的过度使用正引发一场严峻的环境危机。就拿我国来说，作为抗生素生产和消费大国，大量未被吸收的抗生素随着排泄物进入环境。其中，左氧氟沙星（OFL）作为常用抗生素，在全球家禽养殖和水产养殖中广泛使用，同时也是治疗人类和动物传染病的重要药物。然而，它一旦进入自然水体或土壤，就像一颗 “生态炸弹”。在水体中，它会破坏水生生态系统的物种多样性和食物链平衡；在土壤里，会降低土壤肥力，损害土壤生态系统的自我修复和净化能力。而且，长期摄入 OFL 还会对人体健康造成诸多不良影响，如肝脏损伤、中枢神经系统不适、神经血管水肿等，甚至其代谢产物也可能影响环氧化酶反应，更可怕的是，还会促使抗生素耐药菌的产生。
目前，虽然有多种技术可用于去除 OFL，如氯化、臭氧消毒、厌氧处理、高级氧化过程、混凝、膜处理和吸附等，但这些方法要么消耗过大，要么存在二次污染风险。传统人工湿地（CW）虽能处理污水，但对 OFL 的去除效果并不理想，仅靠优化运行参数难以大幅提高去除率。微生物燃料电池（MFC）可同时去除有机物和发电，是废水处理的新兴技术。基于此，结合 CW 和 MFC 的人工湿地 - 微生物燃料电池（CW-MFC）技术应运而生。然而，传统 CW-MFC 也受限于底物和电极材料成本、传质效果及系统内阻等因素。
为了攻克这些难题，桂林理工大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将预驯化的希瓦氏菌（S. oneidensis MR-1）与 CW-MFC 系统相结合，旨在提升对 OFL 的去除效果。研究成果发表在《iScience》上，为解决抗生素污染问题带来了新的曙光。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，通过扫描电子显微镜（SEM）对 FeO/C 材料的表面形态进行分析，直观观察材料特征及细菌在其表面的生长情况。其次，利用激光共聚焦荧光显微镜评估 S. oneidensis MR-1 的活性，判断不同 OFL 浓度对细菌活性的影响。再者，采用微生物高通量测序技术对微生物群落进行分析，探究群落结构、多样性及丰度变化。
研究结果
- S. oneidensis MR-1 的驯化与固定：经 SEM 观察，驯化后的 S. oneidensis MR-1 能在 FeO/C 材料表面均匀、密集生长，且 OFL 降解未显著影响其活性。激光共聚焦荧光显微镜显示，低浓度 OFL（≤1mg/L）下，S. oneidensis MR-1 活性受影响较小，高浓度（>2mg/L）时活性大幅下降12。
- OFL 的去除效率：在低浓度 OFL（100 - 300μg/L）条件下，CW 和 CW-MFC 对 OFL 的去除率均超 99%，这得益于底物吸附、植物间接作用和生物降解。CW-MFC 因 FeO/C 阳极材料比表面积大、微孔多，在实验中去除率超 99.43% 且稳定性高。高浓度 OFL（1mg/L）时，CW 去除效率最低，CW-MFC 中驯化的 FeO/C@S. oneidensis MR-1 系统去除率最高。随着 OFL 浓度增加，CW-MFC 去除率下降，但仍保持较高水平，表明 FeO/C 材料固定 S. oneidensis MR-1 增强了系统对 OFL 的去除能力34。
- 常规污染物的去除：在无 OFL 时，CW-MFC 比 CW 更能有效去除化学需氧量（COD）、氨氮和总磷。有 OFL 存在时，OFL 抑制微生物生长，降低 CW 和 CW-MFC 的 COD 去除率，但 CW-MFC 因 FeO/C 材料对微生物的保护作用，仍保持较高去除率。OFL 影响氮循环功能微生物的活性，导致 CW-MFC 的氨氮去除率低于 CW。而在磷去除方面，CW-MFC 中 FeO/C 材料能通过形成磷酸铁沉淀等方式，更有效地去除总磷（TP）56。
- 发电性能：系统水力停留时间（HRT）为 2 天时，CW-MFC 发电性能最佳。高浓度 OFL 会降低各反应器电压，但 FeO/C 材料能减轻 OFL 影响，接种 S. oneidensis MR-1 的 FeO/C 材料作为阳极，可有效增强系统抗冲击负荷能力，提高电子转移效率78。
- 微生物群落：分析微生物群落的 Alpha 和 Beta 多样性发现，添加 FeO/C 材料可增加湿地微生物群落多样性，且对底层微生物群落结构影响更大。在微生物群落结构方面，变形菌门（Protobacteria）丰度最高，厚壁菌门（Firmicutes）作为主要产电细菌，在接种 S. oneidensis MR-1 的反应器中丰度更高。此外，不同属的细菌在氮、磷循环及植物生长调节等方面发挥重要作用910。
研究结论与讨论
该研究表明，驯化的 S. oneidensis MR-1 在含 OFL 废水中活性较高，接种 S. oneidensis MR-1 的 CW-MFC@FeO/C 显著增强了对废水的净化能力。对于低浓度 OFL 废水，去除率超 99.43%；高浓度时，去除率也超 93.43%。即便存在 OFL，CW-MFC 对常规污染物如 COD、氨氮和总磷仍有较高去除率。同时，FeO/C 材料有效保护了微生物，维持了微生物群落的丰富度和多样性。
不过，该研究也存在一定局限性。研究仅聚焦于 OFL 在 CW 和 CW-MFC 系统中的降解效率，未深入分析降解副产物和途径。而且自然环境中的抗生素污染通常是多种抗生素的复杂混合物，未来还需进一步研究该系统对混合抗生素污染的处理效果。尽管如此，这项研究为制药废水处理提供了新的可持续解决方案，为优化工程生态系统中抗生素去除策略提供了关键见解，有望推动相关领域的进一步发展，在环境保护和人类健康保障方面具有重要意义。
