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展
抗生素作為藥物和個人護理品中的重要成分，被廣泛應用于疾病的預防和傳染病的治療。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境中，造成水土環境污染，最終引起環境抗性基因（ARGs）和抗性細菌（ARBs）的傳播，對生態環境和人類健康構成嚴重威脅。因此，尋求有效的抗生素污染治理措施具有重要的現實意義。
微生物燃料電池耦合人工濕地技術（MFC-CWs）是近年來新發展的一種創新型污水處理技術，具有構造成本低、易于維護和管理等優勢，已被證實可以去除部分種類的抗生素等難降解有機物。然而，如何進一步提高抗生素的去除效率是當前人們關注的熱點，同時，如何協同降低抗生素耐藥基因的累積也是亟待解決的技術瓶頸。
中科院東北地理與農業生態研究所水環境污染與防治學科團隊選擇磺胺甲惡唑（SMX）和四環素（TC）兩種典型抗生素，探究了MFC-CWs對抗生素的去除過程、關鍵影響因素與機理；在前期獲得的科學認知的基礎上，進一步對MFC-CWs的主要功能區進行了優化，研發了基于海綿鐵-陽極區強化的抗生素與ARGs高效協同去除技術。
研究結果表明，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。在陽極區添加海綿鐵能顯著提高MFC-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內的累積量，sul和tet的基因拷貝數分別下降84.10-94.11%和49.61-60.63%（圖1）；海綿鐵添加使系統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%、內電阻降低46.5-78.2%。對海綿鐵進行結構表征、元素分析，以及對系統基質樣品的高通量測序發現，海綿鐵中的零價鐵加快了系統的電子轉移，并提高相關功能微生物的豐度（如Firmicutes、Actinobacteria等），從而促進抗生素的快速降解；此外，零價鐵抑制了ARGs的水平基因轉移和增殖，從而同步實現對ARGs的有效控制。
圖1 海綿鐵強化MFC-CWs技術對抗生素和ARGs的同步去除
本研究實現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支撐。相關成果發表于生態環境領域權威期刊Environmental Pollution、Science of The Total Environment、Chemosphere。該研究由東北地理與農業生態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。相關工作得到國家重點研發計劃子課題（No. 2016YFC0500404-4）、中科院青促會項目（No. 2017274）、中科院創新交叉團隊項目（No. JCTD-2020-14）共同資助。論文相關信息如下：
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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