中试规模同步耦合臭氧氧化与生物降解用于增强污染物去除及削减青霉素中间体废水中的抗生素抗性基因

《Bioresource Technology》：Pilot-scale simultaneous coupling ozonation and biodegradation for enhancing pollutant removal and mitigating antibiotic resistance genes in penicillin intermediate wastewater

　　

摘要

• 开展了中试规模的臭氧氧化与生物降解同步耦合（SCOB）工艺运行研究。
• SCOB工艺将COD和UV₂₅₄去除率分别提高了25.90%和31.34%。
• SCOB工艺增强了微生物活性并引起了微生物群落结构的重构。
• SCOB工艺使总抗性基因（ARGs）减少了10.34%，多重耐药质粒减少了25.40%。

引言

青霉素中间体是半合成β-内酰胺类抗生素生产中的关键前体化合物，其合成、分离和纯化过程中产生的废水与成品抗生素废水有所不同，因为它可能含有残余β-内酰胺中间体、母体抗生素以及溶剂或试剂残留物的复杂混合物（Liu等，2021）。制药过程引入了大量有机物质，残余的β-内酰胺中间体表现出明显的急性毒性（Hu等，2022）。5种具有代表性的β-内酰胺中间体（包括6-氨基青霉烷酸（6-APA））被证明保留了抗菌活性，并能诱导氧化应激和多重耐药性。它们与母体抗生素共存进一步加速了细菌耐药性的发展（Miao等，2024）。

已有研究提供了证据表明，远低于最低抑菌浓度的残余抗生素仍可选择性富集耐药亚群（Martak等，2026；Wu等，2026a；Wu等，2026b），而共存的有机污染物可加剧氧化应激，加速耐药突变的产生和持续（Liu等，2026）。近期研究进一步表明，抗生素生产废水表现出强烈的耐药诱导能力，促进了抗生素耐药菌（ARB）的富集和抗生素抗性基因（ARGs）的传播（Qiao等，2025）。在生物处理单元中，致密的生物量、较长的细胞停留时间与生物膜相关细胞接触相结合，有利于耐药宿主的垂直增殖以及由移动遗传元件（MGEs，如质粒）携带的ARGs的水平转移。因此，制药废水处理在降低常规化学指标的同时，也可能富集ARGs、MGEs和耐药病原体（Wang等，2025a；Wang等，2025b）。

传统生物处理对于有机物去除仍然是不可或缺的，但微生物长时间暴露于残余β-内酰胺中间体中可能会维持选择压力，为耐药宿主增殖和ARGs交换提供生态机会（Sabatino等，2026）。臭氧氧化及其他高级氧化工艺可以氧化生物活性化合物并破坏细菌细胞和核酸，但其效果强烈依赖于投加剂量。足以去除母体抗生素的臭氧剂量可能无法防止ARB的重新生长或使ARGs降至检测限以下，而控制耐药性所需的更高剂量则可能增加运行成本，同时仍难以实现彻底的矿化或产生有限的生物活性转化产物（Iakovides等，2019；Lim等，2022）。无论是传统生物降解还是单独的臭氧氧化，都难以同时解决难降解有机物去除、解毒、生物量保留和抗生素耐药性缓解之间相互耦合的挑战。

臭氧氧化与生物降解同步耦合（SCOB）工艺旨在通过在多孔填料内建立空间上相邻但功能上分区的氧化和生物降解区域来解决这一问题。臭氧优先攻击难降解和生物活性分子中富电子和不饱和结构，将其转化为较小且通常更易于生物降解的中间体，而填料基质内的扩散限制和氧化剂消耗则保护了内部生物膜免受臭氧的直接接触。受保护的微生物随后能迅速矿化氧化产物，防止其积累（Su等，2020）。

臭氧氧化与生物降解之间的这种相互作用不同于简单的顺序处理：臭氧氧化持续改善底物的可及性并降低毒性，而生物降解则持续去除氧化产物并减少对氧化剂的竞争，从而提高臭氧利用率。SCOB已被证明能有效增强 landfill 渗滤液中双环丁基酮和总氮（TN）的去除（Yang等，2024），并将焦化废水的COD去除率保持在80%以上（Cui等，2023）。然而，这些研究主要评估了污染物去除和微生物性能，其在β-内酰胺中间体废水中抑制ARB富集和阻断ARGs传播方面的效能仍有待深入探索。

因此，本研究采用中试规模SCOB反应器处理青霉素中间体废水二级生化出水。本研究的目标为：（1）评估SCOB反应器在中试规模下的可行性和长期运行稳定性；（2）通过关联微生物群落演替、质粒丰度和宿主动态，阐明ARGs衰减的机制。据我们所知，这是首次以ARGs增殖和传播为主要过程终点、针对青霉素中间体废水开展的中试规模SCOB研究。本研究旨在为含抗生素废水的深度处理和ARGs缓解提供可行策略，同时为SCOB技术的工程放大提供科学基础。

章节摘要

反应器构建与运行

实验在中国吉林省榆树市的一座污水处理厂（WWTP）中试规模SCOB反应器中进行，有效体积为800 L（图1a）。废水取自该污水处理厂青霉素中间体废水二级生化出水。进水主要物化特性及出水排放要求见表S1。青霉素中间体废水中典型污染物包括……

长期营养物质去除性能

在90天的运行期间，SCOB系统的处理效果优于生物降解系统。SCOB系统的COD去除率提高了25.90%（图2a）。在初始10天内，去除效率未见明显改善，这归因于微生物对臭氧氧化引起的底物组成变化所需的驯化适应期。此后，SCOB系统表现出……

青霉素中间体废水深度处理的协同机制

中试结果表明，SCOB系统比生物降解系统实现了更高的污染物去除效率，表明臭氧氧化与微生物代谢之间存在协同作用。臭氧及其二次活性氧物种（ROS），特别是羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^?）（图S10），通过羟基加成、夺氢和电子转移反应促进了顽固有机物的转化。这些氧化剂与……

结论

本研究表明，中试规模SCOB反应器处理青霉素中间体废水二级出水，在选定条件下（HRT = 6 h，臭氧投加时间 = 2 h，臭氧投加量 = 5 mg/(L·h)）实现了COD、UV₂₅₄和色度的稳定且显著的提升。SCOB系统还降低了出水毒性和细胞内ROS水平，同时维持了代谢活跃的微生物群落，其中Proteobacteria（变形菌门）、Actinobacteria（放线菌门）和Chloroflexi（绿弯菌门）为主要优势菌门，……

CRediT作者贡献声明

Jiage Li：初稿撰写、可视化、方法学、概念设计。Yansong Liu：数据整理。Jin Zhang：审阅与编辑。Yanan Zhang：可视化、验证。Xiaomei Wang：审阅与编辑。Ximin Han：审阅与编辑。Shousen Zhang：验证、方法学。Zhenhao Zhao：审阅与编辑、方法学。Shuangshi Dong：审阅与编辑、指导、资源、方法学、经费获取、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究产生影响。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52170079、U20A20322、52570079）和吉林省科技发展规划项目（20260602011RC）的资助。

Jiage Li | Yansong Liu | Jin Zhang | Yanan Zhang | Xiaomei Wang | Ximin Han | Shousen Zhang | Zhenhao Zhao | Shuangshi Dong