東北地理所在微生物燃料電池耦合人工濕地高效去除抗生素和抗性基因方面取得進(jìn)展
抗生素作為藥物和個人護(hù)理品中的重要成分，被廣泛應(yīng)用于疾病的預(yù)防和傳染病的治療。然而，大部分抗生素并不能被人體或動物機(jī)體完全吸收，而是以原藥或者活性體形式隨糞便和尿液排泄至環(huán)境中，造成水土環(huán)境污染，最終引起環(huán)境抗性基因（ARGs）和抗性細(xì)菌（ARBs）的傳播，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，尋求有效的抗生素污染治理措施具有重要的現(xiàn)實意義。
微生物燃料電池耦合人工濕地技術(shù)（MFC-CWs）是近年來新發(fā)展的一種創(chuàng)新型污水處理技術(shù)，具有構(gòu)造成本低、易于維護(hù)和管理等優(yōu)勢，已被證實可以去除部分種類的抗生素等難降解有機(jī)物。然而，如何進(jìn)一步提高抗生素的去除效率是當(dāng)前人們關(guān)注的熱點，同時，如何協(xié)同降低抗生素耐藥基因的累積也是亟待解決的技術(shù)瓶頸。
中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所水環(huán)境污染與防治學(xué)科團(tuán)隊選擇磺胺甲惡唑（SMX）和四環(huán)素（TC）兩種典型抗生素，探究了MFC-CWs對抗生素的去除過程、關(guān)鍵影響因素與機(jī)理；在前期獲得的科學(xué)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對MFC-CWs的主要功能區(qū)進(jìn)行了優(yōu)化，研發(fā)了基于海綿鐵-陽極區(qū)強(qiáng)化的抗生素與ARGs高效協(xié)同去除技術(shù)。
研究結(jié)果表明，MFC-CWs對SMX和TC的去除效率分別在96%和80%以上，微生物降解和電極層吸附作用是MFC-CWs去除抗生素的主要過程。在陽極區(qū)添加海綿鐵能顯著提高M(jìn)FC-CWs對SMX和TC的去除效率；而且，海綿鐵能夠顯著降低sul和tet基因在MFC-CWs內(nèi)的累積量，sul和tet的基因拷貝數(shù)分別下降84.10-94.11%和49.61-60.63%（圖1）；海綿鐵添加使系統(tǒng)的電壓輸出和最大功率密度分別提高23.9-24.6%和46.9-47.6%、內(nèi)電阻降低46.5-78.2%。對海綿鐵進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征、元素分析，以及對系統(tǒng)基質(zhì)樣品的高通量測序發(fā)現(xiàn)，海綿鐵中的零價鐵加快了系統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)移，并提高相關(guān)功能微生物的豐度（如Firmicutes、Actinobacteria等），從而促進(jìn)抗生素的快速降解；此外，零價鐵抑制了ARGs的水平基因轉(zhuǎn)移和增殖，從而同步實現(xiàn)對ARGs的有效控制。
圖1 海綿鐵強(qiáng)化MFC-CWs技術(shù)對抗生素和ARGs的同步去除
本研究實現(xiàn)了抗生素和抗性基因的同步高效去除，為抗生素污染水體治理提供了重要的理論和技術(shù)支撐。相關(guān)成果發(fā)表于生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Environmental Pollution、Science of The Total Environment、Chemosphere。該研究由東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所博士研究生溫慧洋、祝惠研究員、閻百興研究員等共同完成。相關(guān)工作得到國家重點研發(fā)計劃子課題（No. 2016YFC0500404-4）、中科院青促會項目（No. 2017274）、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊項目（No. JCTD-2020-14）共同資助。論文相關(guān)信息如下：
Huiyang Wen, Hui Zhu*, Baixing Yan*, Yingying Xu, Brian Shutes. Treatment of typical antibiotics in constructed wetlands integrated with microbial fuel cells: roles of plant and circuit operation mode. Chemosphere, 2020, 250: 126252. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126252
Huiyang Wen, Hui Zhu*, Yingying Xu, Baixing Yan, Brian Shutes, Gary Ba？uelos, Xinyi Wang. Removal of sulfamethoxazole and tetracycline in constructed wetlands integrated with microbial fuel cells influenced by influent and operational conditions. Environmental Pollution, 2021, 272: 115988. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115988
Huiyang Wen, Hui Zhu*, Baixing Yan, Gary Ba？uelos, Brian Shutes, Xinyi Wang, Shujing Cao, Rui Cheng, Liping Cao. Removal of sulfamethoxazole and tetracycline in constructed wetlands integrated with microbial fuel cells influenced by influent and operational conditions. Science of The Total Environment, 2022, 150220. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150220
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