增强介导和直接电子传递改善磺胺甲恶唑胁迫下微生物燃料电池-膜生物反应器的净化性能并减轻膜污染

《Journal of Water Process Engineering》：Enhancing mediated and direct electron transfer improves purification performance and fouling mitigation in microbial fuel cell–membrane bioreactors under sulfamethoxazole stress

　　

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  MET和DET增强均能强化SMX胁迫下的MFC-MBR系统。
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  EET增强维持了电力输出，并提高了COD、NH₄⁺-N和SMX的去除效率。
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  增强的EET通过电场和污泥性质优化缓解了膜污染。
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  植物源介体产生的大分子不利于膜污染缓解。
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  EET增强富集了污泥中的ARGs，而MET增强则减少了出水中的ARGs。

引言

随着抗生素在医疗、畜牧和农业领域的广泛使用，其持续释放到环境中已成为全球性的水污染问题[1]。磺胺甲噁唑（SMX）是一种广泛使用的磺胺类抗生素，具有高稳定性和难生物降解性，因此难以通过常规生物处理去除，并经常在废水出水和自然水体中被检出[2]。其持久性会产生慢性生态毒性效应，并促进抗生素耐药菌的选择和抗生素抗性基因（ARGs）的传播[3]。因此，开发能够同时去除抗生素并限制ARGs传播的高效净化技术变得越来越重要。

膜生物反应器（MBRs）将生物降解与膜基固液分离相结合，能够实现高生物量截留、延长污泥停留时间并改善出水水质。因此，MBRs已被广泛应用于含抗生素废水的处理[4]。然而，膜污染仍然是限制长期分离性能与运行稳定性的主要障碍。抗生素胁迫通过刺激微生物产生溶解性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS），进一步加剧膜污染，从而加速滤饼层形成和膜孔堵塞[5]。目前已探索了多种策略来缓解膜污染，包括膜改性、清洗优化和电场调控等[6]，[7]。其中，将微生物燃料电池（MFCs）与MBRs耦合形成MFC-MBR耦合系统是一种有前景的方法。在这些系统中，电活性细菌（EAB）通过胞外电子传递（EET）将电子转移至电极，产生生物电场。该电场可调节带电污染物在膜表面的迁移和沉积，并可能通过电化学刺激增强微生物代谢和污染物去除[8]。然而，抗生素胁迫会扰乱电活性生物膜并损害EET相关活性，从而可能削弱MFC-MBR耦合系统中的污染物净化和膜污染控制能力[9]，[10]。因此，在抗生素暴露下维持EET可能为改善MFC-MBR耦合系统的运行稳定性提供一条途径。

微生物EET主要通过介体电子传递（MET）和直接电子传递（DET）进行[11]。MET依赖于可逆的氧化还原化合物，这些化合物在微生物和电极之间穿梭电子；而DET则涉及通过外膜细胞色素、导电菌毛或相互连接的生物膜结构形成的导电接触。因此，外源氧化还原介体（RMs）和导电载体（CCs）可分别用于优先促进介体辅助型和导电型电子传递过程。大黄和茜草是已知的蒽醌衍生物植物来源，其提取物可能提供可逆的氧化还原活性化合物，以促进电子穿梭[12]。相反，功能化多壁碳纳米管（MWCNTs）具有高导电性和表面官能团，可能有利于其掺入阳极生物膜，并在微生物细胞之间以及细胞与电极之间形成导电连接[13]。尽管RMs和导电碳材料在改善MFC产电方面已被广泛研究，但它们在MFC-MBR中的系统性比较影响仍未得到充分了解。特别地，基于RM和基于CC的EET增强可能在抗生素暴露下产生不同的性能特征和操作权衡，涉及污染物去除、ARG分布、污泥性质和膜污染发展等方面。

在本研究中，采用植物源富集蒽醌的提取物，包括大黄提取物（Rheum palmatum L.）和茜草提取物（Rubia cordifolia L.），以及功能化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH和MWCNT-OH），作为代表性的EET调控策略，分别用于增强MET和DET。在SMX胁迫下，系统比较了它们对电化学性能、污染物净化、膜污染、ARG分布、污泥特性和微生物群落的影响。本研究旨在阐明MET和DET在调控膜净化性能及生物电化学过程中的不同作用，为开发具有改善净化效率和抗污染性能的MFC-MBR耦合系统用于含抗生素废水处理提供新的见解。

章节片段

大黄和茜草提取物的制备

大黄饮片（中国成都）和茜草根（中国杭州）用蒸馏水冲洗以去除表面杂质，风干后使用机械研磨机粉碎成粉末。精确称取50克粉末（过200目筛）悬浮于1000毫升去离子水中，使用旋转蒸发仪在水浴中于65°C提取75分钟。冷却后，将提取液离心（14500转/分钟，30分钟）并通过0.22微米滤膜过滤。滤液定容至

生物电化学性能

不同MFC-MBR耦合系统在不同阶段的电化学性能如图2a–d所示。在阶段I，四个EM组的平均输出电压（0.21–0.26 V）高于MFC-MBR5（0.14 V）（图2a），表明四种EM增强了EET和生物产电。添加SMX后，所有MFC-MBR耦合系统的输出电压均下降，表明SMX胁迫扰乱了系统的生物电化学活性。随着

结论

本研究评估了MET和DET增强对抗生素胁迫下MFC-MBR性能的影响，采用植物源RMs和基于MWCNT的CCs作为代表性策略。两种途径均改善了电化学性能，维持了COD和NH₄⁺-N去除，并显著增强了SMX去除。茜草提取物和两种CCs缓解了膜污染，其中MWCNT-COOH效果最强。这些改善可能部分反映了生物电场效应以及

CRediT作者贡献声明

Zi-Jie Wang: 撰写 – 初稿，可视化，软件，方法学，正式分析，数据管理。 Xin-Yi Xiang: 验证，监督，调查，概念化。 Xiao-Li Yang: 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，调查，资金获取。 Yu-Jia Deng: 撰写 – 初稿，调查，正式分析，数据管理。 Yang-Guang Xia: 软件，调查。 Jia-Ying Xu: 调查，资金获取。 Ming-Rui Shao:

利益冲突声明

作者声明，他们已知的没有可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（51978148，42477014）和江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX21_0120）的资助。

Zi-Jie Wang|Xin-Yi Xiang|Xiao-Li Yang|Yu-Jia Deng|Yang-Guang Xia|Jia-Ying Xu|Ming-Rui Shao