《Process Safety and Environmental Protection》：Integrated moving bed membrane bioreactor treating municipal wastewater under stepwise ciprofloxacin exposure: Nutrient removal, biotransformation pathways, and microbial responses
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IMBMBR 在逐步暴露于环丙沙星的情况下保持了较高的COD去除效率。
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IMBMBR 在CIP压力下表现出更好的硝化作用恢复能力和运营稳定性。
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CIP暴露会阻碍氮的转化，浓度为100 μg/L时效果更为显著。
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IMBMBR的膜污染
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IMBMBR 在逐步暴露于环丙沙星的情况下保持了较高的COD去除效率。
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IMBMBR 在CIP压力下表现出更好的硝化作用恢复能力和运营稳定性。
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CIP暴露会阻碍氮的转化，浓度为100 μg/L时效果更为显著。
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IMBMBR的膜污染程度较低，且EPS（细胞外聚合物）的动态与传统的RMBR有所不同。
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在IMBMBR和RMBR中观察到了不同的CIP转化产物谱型，并提出了相应的生物转化途径。
引言
几十年来，抗生素被用于预防和控制各种领域的传染病，包括医学和畜牧业（Muteeb等人，2023年）。然而，人类疾病的多样性不断增加，加上公众对抗生素过度使用的认识不足，导致抗生素的消费量大幅上升（Endale等人，2023年）。此外，为了提高动物生产的产量，也导致了多种抗生素的过度使用。在进入生物体的大量抗生素中，只有小部分能够通过代谢途径被有效分解。大约50-80%的抗生素以活性残留物的形式通过粪便和尿液排出体外，这些化合物随后通过城市废水处理系统进入环境（Li等人，2023年）。
环丙沙星（CIP）是一种氟喹诺酮类抗生素，在人类和兽医医学中广泛使用，并且经常在污水排放物（Coulibaly等人，2025年）和水生环境（Kalugendo等人，2025年；Salma等人，2025年）中被检测到。由于其稳定的喹诺酮核、哌嗪环以及对完全生物降解的抵抗力，CIP在生物处理过程中可以持续存在，并对生态系统、微生物群落和生物处理过程产生负面影响。特别是在废水处理厂（WWTPs）中，CIP的存在可能与重要的生物过程（包括硝化、反硝化和生物磷去除）受到干扰有关（Zhang等人，2024年）。
传统的废水处理技术，如传统的活性污泥法（CASs）（Oharisi等人，2023年）、厌氧-缺氧-好氧（A2O）工艺（Jia等人，2012年；Mirzaei等人，2019年）和膜生物反应器（MBRs）（Do和Stuckey，2019年；Hamjinda等人，2017年），在去除耐药抗生素方面表现有限。物理和化学方法，包括高级氧化工艺（Emamjomeh等人，2024年；Wang等人，2025年）和吸附工艺（Alahabadi等人，2024年；Zhang等人，2025年），提高了抗生素的去除效率。然而，高运行成本、中间产物的产生以及二次污染问题，以及较低的氮去除效率和不稳定的去除效果，阻碍了这些方法的广泛应用（Fabregat和Pagán，2024年）。这些限制凸显了需要开发出能够有效降解污染物、可靠去除营养物质且不产生二次污染的创新处理技术。
最近，混合生物技术的应用受到了关注，以增强废水处理厂中抗生素的去除效果（Casas等人，2024年）。集成移动床膜生物反应器（IMBMBRs）结合了悬浮生长膜生物反应器和附着生长生物膜载体的优点，使悬浮生长的生物量和附着生长的生物量在同一反应器中共存。载体的存在增加了生物膜发展的表面积，有助于保留生长缓慢的微生物，并在抑制条件下提高微生物的稳定性（Sen等人，2026年；Tari等人，2023年）。这延长了污泥停留时间（SRT），增加了微生物多样性，减少了膜污染，并有助于进一步降解难以降解的微污染物（Zhu等人，2023年）。这些特点使IMBMBR特别适合处理含有新兴污染物的复杂废水。例如，（Zhang等人，2023年）发现，在处理含有磺胺嘧啶（SDZ）的废水时，不同C/N比率下的去除效率约为60.6%至82.3%。另一项研究表明，生物载体可以促进生长缓慢的细菌在去除磺胺类抗生素（SAs）中的富集。他们报告称，带有海绵塑料生物载体的集成浸没式膜生物反应器（ISMBR）在去除磺胺甲噁唑（SMZ）和磺胺嘧啶（SDZ）方面的表现优于传统的膜生物反应器（CMBR）（Yu等人，2018年），去除效率分别达到了88%和91%。然而，大多数现有研究主要集中在去除效果上，而对抗生素暴露如何同时影响营养物质去除稳定性、膜污染行为、细胞外聚合物（EPS）和微生物群落变化的研究较少。
环丙沙星因其结构稳定性而闻名，其结构包含喹诺酮核和哌嗪环，这使得它能够抵抗生物降解（Kamal等人，2024年）。先前的研究表明，CIP可以通过羟基化（Tang等人，2022年）、脱羧作用（Zhang等人，2022年）和哌嗪环断裂（Zhou等人，2024a）部分去除和降解。这些转化途径很重要，因为不完全降解可能产生具有残留抗菌活性的中间产物。此外，CIP的存在可能会干扰微生物活动，从而影响硝化、反硝化和磷去除过程（Xu等人，2023年）。混合生物膜-膜系统也被证明可以在抗生素暴露下提高处理稳定性和微生物的韧性。然而，相对于在相似条件下运行的传统MBR，附着生长生物量的存在对CIP的生物转化命运的影响尚不够明确。特别是，CIP转化产物谱型与营养物质转化、EPS特性、膜污染和微生物种群变化之间的关系尚未得到充分研究。
为了填补这一知识空白，本研究考察了IMBMBR和RMBR系统在处理合成城市废水时对逐步暴露于环丙沙星的反应。研究不仅关注整体处理效果或抗生素抗性的差异，还探讨了CIP暴露如何影响两种反应器配置下的营养物质去除稳定性、膜污染行为、EPS组成、微生物群落结构以及CIP的生物转化途径。特别强调了比较IMBMBR和RMBR之间的CIP转化产物和提出的生物转化途径，并结合观察到的生物和运营反应来解释这些差异。通过将反应器性能与微生物和转化层面的反应联系起来，这项工作提供了在抗生素压力下附着生长和悬浮生长膜生物反应器配置中CIP命运和过程韧性的综合比较。
章节片段
IMBMBR/RMBR的描述
图中展示了所使用的生物反应器的示意图。IMBMBR和RMBR生物反应器由聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas）制成。每个生物反应器的有效体积约为5升，尺寸为24厘米长、10厘米宽、22厘米高。生物反应器配备了浸没式平板陶瓷膜模块，该模块使用支撑架固定在每个反应器的底部。这些陶瓷基膜由
如图2a所示，在整个实验过程中，两种生物反应器的平均进水COD浓度为515.29 ± 34.99毫克/升。在运行的前70天内，RMBR系统的平均出水COD浓度为80.23 ± 11.15毫克/升，去除效率为84.86 ± 3.33%（图2b）。相比之下，IMBMBR系统的COD浓度较低，为64.05 ± 13.71毫克/升，去除效率略高，为87.94 ± 3.36%。
感谢哈马丹医科大学的研究与技术副校长提供必要的资源和机构支持，使得这项工作得以完成[资助编号140111119684]。
Kamran Tari|Mohammad Reza Samarghandi|Niloofar Rabeie|Nahid Navidjouy|Solmaz Zabihollahi|Milad Mousazadehgavan
