基于甘蔗渣生物炭的水平潜流人工湿地系统对抗生素耐药菌的去除效能研究

本研究针对抗生素耐药菌(ARB)在废水环境中持续传播的全球性健康威胁，创新性地设计了一种以甘蔗渣生物炭为基质的水平潜流人工湿地(CW)系统。研究人员通过整合Typha latifolia和Phragmites australis植物群落，实现了对化学需氧量(COD)53%、生物需氧量(BOD)57%的去除效率，并显著降低β-内酰胺酶基因blaTEM阳性菌株50%的检出率。该系统对抗生素耐药菌的去除率高达99%，为低成本控制环境耐药性传播提供了可持续解决方案。

　　

随着全球抗生素滥用问题加剧，废水系统已成为抗生素耐药菌(ARB)和耐药基因(ARGs)传播的"热点区域"。传统污水处理工艺对这类新兴污染物的去除效率有限，导致携带bla_TEM、bla_CTX-M等耐药基因的超级细菌持续流入自然环境。更令人担忧的是，世界卫生组织警告称，到2050年抗生素耐药性可能造成每年1000万人死亡。在这一背景下，巴基斯坦国家医学科学大学联合奎德伊阿扎姆大学的研究团队在《BMC Microbiology》发表了一项创新研究，通过改造人工湿地技术来破解这一环境健康难题。

研究团队采用甘蔗渣生物炭(400-800℃热解)作为核心基质，结合水平潜流构造，建立了实验室规模的人工湿地系统。关键技术包括：1)基于K-C模型计算湿地面积；2)三级串联反应区设计(含1英寸砾石底层+2英寸生物炭中间层+2英寸砂滤表层)；3)连续12周监测(3.8加仑/天流量)；4)采用API 20E生化鉴定和PCR检测bla基因；5)通过Kirby-Bauer法分析18株MDR菌的药敏谱。

主要研究结果

1. 污染物去除效能
   系统对BOD₅和COD的去除率分别达81%与57%，总氮(TN)和硫酸盐(SO₄^2-)去除率均超过80%。生物炭的微孔结构(比表面积>500 m²/g)与植物根系协同作用，通过吸附-生物降解双重机制实现高效净化。

2. 微生物群落调控
   

   
   
   
   
   
   对环丙沙星、头孢克肟和利奈唑胺耐药菌的抑制率分别达55%、100%和100%。生物炭表面形成的生物膜富含Escherichia coli和Serratia odorifera等共生菌，通过生态位竞争抑制病原菌增殖。

3. 耐药基因阻断
   在12株MDR菌中，50%检出bla_TEM基因(主要来自Stenotrophomonas maltophilia)，但处理后出水未检出该基因。值得注意的是，所有菌株的bla_CTX-M基因均为阴性，表明系统对特定耐药基因有选择性抑制。

这项研究证实，生物炭改良人工湿地可通过"吸附-降解-生物竞争"三位一体机制，同步实现污染物去除和耐药性控制。其创新价值在于：1)利用农业废弃物甘蔗渣制备低成本生物炭(较活性炭成本降低90%)；2)HRT(水力停留时间)仅6.07小时即可达到传统工艺24小时的去除效果；3)为发展中国家提供了符合SDGs(可持续发展目标)的分散式污水处理方案。研究团队建议未来重点优化生物炭热解温度(600℃表现最佳)与植物组合，以进一步提升系统在真实环境中的稳定性。