自腐蚀微电解强化膜曝气电活性生物膜对抗生素及抗性基因的协同削减机制

为解决抗生素及抗生素抗性基因(ARGs)在传统生物处理中的残留问题，哈尔滨工业大学团队开发了铁碳微电解耦合膜曝气电活性生物膜反应器(IC-MAEBR)。研究发现，该系统通过电位调控与微电解协同作用，使阴极生物膜中sul1/sul2丰度分别降低2.6 log2/1.6 log2，并在0.5V电位下实现磺胺甲恶唑(SMX)的快速降解(12h)，速率较传统MABR提升9.7μg/L/h。该研究为电化学-生物耦合系统深度净化抗生素废水提供了新策略。

　　

抗生素污染已成为全球性环境挑战。中国每年消耗抗生素达16.2万吨，其中30-90%通过代谢进入污水系统。传统生物处理虽成本低廉，却可能加速抗生素抗性基因(ARGs)的传播。更棘手的是，现有污水处理标准尚未将抗生素纳入常规监测指标，导致这些"隐形杀手"持续威胁生态系统。生物电化学系统(BES)虽能提升难降解有机物处理效率，但传统二维电极存在电子供给不足的瓶颈，而常规膜曝气生物反应器(MABR)又面临氧-电子竞争的难题。

哈尔滨工业大学的研究团队创新性地将自腐蚀铁碳(IC)微电解与膜曝气电活性生物膜相结合，构建了三维生物电化学系统(IC-MAEBR)。通过120天的连续实验，对比了无电场MABR、二维电场MAEBR和三维电场IC-MAEBR的性能差异。研究发现，IC微电解不仅提供额外电子源，其产生的铁离子还发挥絮凝作用，形成"电子供给-电化学氧化-生物降解"的协同机制。

关键技术包括：(1)构建IC-MAEBR三模块对比系统；(2)采用0.25-0.75V梯度电压调控；(3)结合三维荧光光谱分析生物膜组分变化；(4)运用分子对接解析SMX与抗性蛋白结合特性；(5)通过宏基因组测序追踪ARGs消长规律。

污染物去除性能
在0.5V电位下，IC-MAEBR展现显著优势：SMX去除速率达15.3μg/L/h，较MAEBR(10.8μg/L/h)和MABR(5.6μg/L/h)分别提高41.7%和173.2%。值得注意的是，系统停运后仍保持4.2μg/L/h的残余降解活性，显示持久的"电记忆"效应。

生物膜特性演变
阴极生物膜中芳香族蛋白占比提升至62.8%，α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)比值升高，表明电场诱导了更致密的蛋白质构象。这种结构变化增强了生物膜对SMX的吸附能力。

抗性基因控制
IC-MAEBR使sul1和sul2基因丰度分别降低2.6 log₂和1.6 log₂，显著优于对照组。分子对接显示，微电解产生的活性铁物种能阻断SMX与Sul蛋白催化残基(如Ser)的结合，破坏其活性中心。

能量效率分析
在0.5V工况下，IC-MAEBR的单位SMX去除能耗仅为MAEBR的67%，证实三维电极设计有效提升了电子传递效率。

该研究证实IC-MAEBR通过三重机制协同作用：(1)电化学直接氧化降解SMX；(2)微电解持续供给电子和铁基絮凝剂；(3)生物膜构象优化增强污染物捕获。这种"电-化学-生物"耦合策略不仅解决了传统BES电子供给不足的瓶颈，更突破了抗生素处理过程中ARGs增殖的困境。研究结果为污水处理厂升级改造提供了可扩展的技术方案，尤其适用于制药废水等抗生素污染热点场景。团队提出的三维电极设计思路，也为开发其他难降解污染物的深度处理工艺开辟了新路径。