《Process Safety and Environmental Protection》：Reduction of pathogenic bacteria and antibiotic resistance genes in excess sludge using a twin microbial fuel cell powered electro-Fenton system (twin-MFC?EFs) treatment
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摘要剩余污泥是病原体积累和抗生素抗性基因（ARGs）富集的储库，因此在处置或资源回收之前需要进行有效处理。双微生物燃料电池驱动电芬顿系统（twin-MFC&EFs）已被证实可以促进污泥降解。然而，生物膜驱动的自由基氧化与生物膜自身代谢对病原菌和ARGs变化的互补效应尚不明确，
摘要
剩余污泥是病原体积累和抗生素抗性基因（ARGs）富集的储库，因此在处置或资源回收之前需要进行有效处理。双微生物燃料电池驱动电芬顿系统（twin-MFC&EFs）已被证实可以促进污泥降解。然而，生物膜驱动的自由基氧化与生物膜自身代谢对病原菌和ARGs变化的互补效应尚不明确，这制约了后续的安全处置过程。本研究表明，twin-MFC&EFs显著降低了病原菌的相对丰度，其中典型病原菌鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）、大肠杆菌（Escherichia coli）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、屎肠球菌（Enterococcus faecalis）和粪肠球菌（Enterococcus faecium）的降幅分别达到96.49%、93.58%、44.85%、99.99%和69.84%。ARGs的总归一化相对丰度降低了39.05%，而最丰富的九个亚型降幅在15.15%至90.70%之间。处理后的污泥与水平基因转移的遗传潜力降低相关。具体而言，与SOS反应、IV型菌毛和IV型分泌系统相关的关键基因的相对丰度降低，表明跨膜运输和遗传物质获取的遗传能力可能有所减少。在生物膜代谢方面，•OH氧化与微生物群落的重构及其代谢潜力的变化相关。本研究为剩余污泥处理提供了一种综合方法，并为降低相关微生物风险提供了见解。
引言
作为污水处理厂的副产物，剩余污泥是生物能源和营养元素的宝贵来源（Dai等，2022）。然而，污泥是病原体的储存库，形成了有利于抗生素抗性基因（ARGs）增殖和转移的高风险微环境（Wang等，2024）。未经充分处理的污泥释放会将这些污染物传播至土壤、地下水和食物网中，形成持续的污染循环，对生态稳定性和公共健康构成严重威胁（Zhang等，2024）。因此，有效的消毒策略对于缓解污泥处置相关的环境风险至关重要。
从根本上说，ARGs与常规化学污染物（如重金属）截然不同，ARGs是生物活性污染物，具有在不同宿主中复制和扩增的能力。某些ARGs即使在不存在抗生素选择压力的情况下也能作为稳定的环境抗性基因组持续存在（Li等，2024）。鉴于污泥中存在大量病原菌，这些病原体与ARGs共存于同一生态位中。水平基因转移（HGT）促进了多重耐药性的获得，可能导致"超级细菌"的出现（Amarasiri等，2020）。HGT驱动的ARGs传播效率远超垂直遗传，特别是在生物量密度较高的污泥絮体中尤为活跃。通过质粒、转座子和整合子等可移动遗传元件（MGEs）介导，接合和转化等机制在这些系统中尤为活跃（Zheng等，2020）。因此，有效的污泥消毒策略必须同时消除ARGs并阻断其传播途径，以实现环境风险控制。
在化学处理方法中，高级氧化过程因其能够产生高活性氧物种而被广泛用于污泥处理。特别是电芬顿过程可以在原位产生均相•OH（Wang等，2026）。•OH可以破坏微生物细胞包膜和暴露的核酸，同时促进污泥絮体解体和有机物溶解（Sorinolu, Munir, 2022）。然而，•OH的高反应活性和短寿命使其容易被污泥基质中的有机物和细胞组分清除。这种清除作用会限制其到达被包裹在细胞和污泥絮体内部的目标。细胞包膜结构和生理状态的差异也可能导致不同微生物细菌对氧化处理的敏感性各不相同（Zhang等，2025）。亚致死氧化应激可能激活存活微生物中的DNA修复和应激反应途径，也可能影响与遗传物质移动相关的过程（Liu等，2026）。因此，电芬顿氧化可以提供快速的氧化破坏和溶解作用，但在实现彻底消毒和防止风险传播方面仍存在固有局限性。在生物处理方法中，微生物燃料电池（MFC）是一种能够将污泥中的有机物直接转化为电能的生物电化学系统。它可以同时支持污染物削减，并通过改变微生物代谢来减少ARGs的丰度（Liu等，2024）。然而，处理效果取决于基质可用性、污泥特性、微生物群落组成和运行条件。颗粒性和结构复杂有机物的缓慢水解可能限制阳极生物膜可利用的底物。单独的生物处理通常缺乏氧化预处理快速破坏细胞和污泥絮体的能力（Yu等，2018）。为克服这一障碍，污泥预处理技术（如热解、超声、紫外、电芬顿过程）被广泛应用于增强病原体处理（Zhang等，2021，Zhu等，2023）。这些考量表明，氧化预处理和生物后处理可以提供互补功能。然而，大多数预处理方法需要额外的能量输入，且无法将微生物产电与氧化剂的原位生成整合在一起。
此前开发了一种双微生物燃料电池驱动电芬顿系统（twin-MFC&EFs），用于将微生物产电与电芬顿氧化以及后续阳极生物膜处理联系起来。在该系统中，第一个阳极产生的电能支持阴极氧化，随后经过阴极处理的污泥为第二个阳极提供底物。先前的研究聚焦于污泥脱水性、有机物降解和生物电能转换（Lv等，2025）。虽然稳定运行需要定期维护多个反应器组件，但该系统集成于单一串联平台中，实现了多种污泥处理功能。这种集成可以减少对独立处理单元的依赖，并部分抵消额外的运行复杂性和维护需求。然而，其在减少病原菌和ARGs方面的有效性仍不明确。更重要的是，•OH氧化与后续生物膜处理各自的贡献和潜在功能互补性尚未得到明确建立。这些处理阶段与微生物群落重构、遗传物质移动相关基因以及代谢潜力之间的关系也尚不充分理解。
本研究的目标是：（1）评估处理过程中污泥中病原菌和ARGs的活性特征、分布组成和致病潜力；（2）表征与ARGs移动性潜在相关基因相对丰度的变化，并评估其对HGT潜力的影响；（3）揭示生物膜驱动的•OH氧化与生物膜自身代谢对病原菌和ARGs的互补效应。
章节片段
污泥制备与表征
原始污泥（RS）取自中国哈尔滨市文昌污水处理厂的二沉池。该批次污泥与之前研究中使用的不相同。通过沉降5 小时并弃去上清液来模拟重力浓缩。浓缩污泥在4°C冰箱中以厌氧条件储存不超过5天。污泥的含水率、总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量为
twin-MFC&EFs处理过程中污泥病原菌的减少
剩余污泥含有各种有害物质，包括病原微生物。除了直接的致病效应外，这些细菌还是ARGs持续传播的重要储库，对公共健康构成严重威胁（Deshpande, Fahrenfeld, 2022）。因此，有效减少病原菌对于缓解与污泥相关的环境风险至关重要，如图2所示。
结论
本研究证明twin-MFC&EFs实现了病原菌和ARGs的高效减少。twin-MFC&EFs处理将病原菌鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）、大肠杆菌（Escherichia coli）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、屎肠球菌（Enterococcus faecalis）和粪肠球菌（Enterococcus faecium）的相对丰度分别降低了96.49%、93.58%、44.85%、99.99%和69.84%。该系统将污泥中ARGs的归一化相对丰度降低了39.05%，最丰富的九个ARG亚型降幅
CRediT作者贡献声明
丁晶： 监督。吕佳琪： 撰写——初稿，可视化，形式分析。赵庆良： 撰写——审阅与编辑，概念化。魏良良： 资源，数据整理。江俊秋： 撰写——审阅与编辑。王广智： 撰写——审阅与编辑，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：51778176）的资助。
吕佳琪|赵庆良|王广智|魏良良|江俊秋|丁晶
