0 引言
抗生素的广泛应用是人类寿命得以显著延长的重要原因之一。抗生素由于使用简单、见效快,使得感染类疾病的治疗难度大幅下降。据统计,2017年全球消耗的抗生素总量为93 309 t,而这一数据预计将在2030年达到104 079 t,其中用于人类疾病治疗领域的抗生素消耗量预计将比2017年增加15%[1]。尽管抗生素在治疗感染类疾病方面做出了巨大贡献,但是含有抗生素的废水如果未得到妥善处理,会造成严重的环境污染问题。抗生素可以在环境中传递并积累,并能够通过食物链等方式将抗性基因传递到人体或动物体内,最终孕育出抗性极强的耐药菌,增加了细菌感染的风险,给临床治疗带来了更大的难度[2,3]。同时,随着污水的排放,进入自然环境中的抗生素会破坏自然环境中的微生物群落结构,使得原生态系统脆弱不堪,难以维持健康运转。
医疗废水作为含抗生素废水的主要来源,其成分复杂,主要含有多种重金属、抗生素、消毒剂、病原微生物等[4]。目前对医疗废水的处理仍以接入市政污水管道的方式进行并网直排。直排前医疗废水中的悬浮物会采用滤网进行隔离收集后物理降容,如紫外、高温焚烧等方式进行降容。病原菌等则会在额外增加的消毒工序中进行杀灭,如投放次氯酸钠等。但是由于前期的处理工艺缺乏对抗生素这类成分的针对性处理,医疗废水向市政管道的并网处理会导致抗性基因在环境中的积累,影响自然生态结构。用于处理含抗生素类药物废水的方法包括曝气生物滤池（biological aerated filter, BAF）工艺、周期循环活性污泥法（cyclic activated sludge system, CASS）工艺以及高级氧化技术（包括光-芬顿法和电化学氧化法）[5,6]。在降解抗生素和清除抗性基因的诸多方法中,基于电化学手段构建的微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）是一种可高效处理底物同时回收能量的新型技术[7]。MFC的工作原理是利用附着于阳极上的微生物,代谢处理底物有机质,将呼吸链末端的电子传递到电极上,通过外电路转移到阴极,最终与受体结合,生成水和二氧化碳[8,9]。与化学燃料电池相比,MFC不需要外源添加底物;而相比于紫外/强氧化剂,则不需要额外的电能输出,是一种简单高效且清洁环保的技术。
MFC已经应用于处理多种有害的有机物,如垃圾渗滤液、石油废水、染料废水、含盐废水等[10]。以偶氮染料为例,偶氮染料是纺织工业中最常用的染料,其结构复杂,含有芳香环（苯和萘）并含有一个或多个偶氮基团,导致这类化合物具备很强的水溶性和固色性[11]。这类化合物容易在生物中蓄积,具备较强的持久性,容易深入生物大分子作为污染物作用的靶位点且在进行废水处理的矿化时具有较强的抗性。许多研究已经报道了MFC在发电的同时降解偶氮染料的案例,在近10年的报道中MFC模型染料脱色效率达96%以上[12]。抗生素作为一种微生物次级代谢产物,本质上也是一类有机质,由于抗菌机制的不同而具有多种结构。MFC可利用的底物来源范围广,抗生素在MFC中的降解具有可行性。
1 MFC工作原理及电子传递机制
有机质的降解发生在微生物的细胞内部,如图1 所示,而电子最终会传递到阴极上与氧气结合,因此电子如何进行高效的跨膜传递决定着阳极的性能表现[22]。根据微生物与电极的接触方式,电子传递机制分为直接接触及间接接触机制。生物膜是直接接触的结构基础,微生物附着于电极表面形成致密的生物膜,底物被氧化所释放的电子被膜上的细胞色素C（cytochrome C, Cyt-C）所捕获,在传递到细胞膜表面时直接转移到电极,最终形成回路实现能量的转化[23]。由于电极表面积有限,部分无法直接与电极接触的微生物则会进行间接接触以传递电子。其中部分微生物,如腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）、硫还原地杆菌（G. sulfurreducens PCA）可将导电性鞭毛结构作为纳米导线进行长距离电子传递[24,25]。而不通过纳米导线导电的产电微生物,如绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）则可不借助外源电子介体,通过自分泌绿脓菌素介导电子传递[26]。
2 MFC对不同作用机理抗生素的降解
随着全球人口的增加,城市化和工业化快速发展,废水的产生量和对可再生能源的需求日益增加。因此,为了解决这两个问题,必须设计不仅可以处理废物,还可以从废物中获取能量的综合废物管理技术。利用MFC降解抗生素既能处理抗生素又能进行产电输出。抗生素是指微生物或高等动植物在代谢过程中所产生的具有抗病原体活性的一类次级代谢产物,其杀菌机制为针对“病原体有而人没有”的代谢过程或结构进行杀伤[27]。根据抗生素的作用对象不同,可将抗生素分为几大类别,包括抑制细胞壁合成、增强细菌细胞膜通透性、干扰蛋白质合成以及抑制核酸复制。
细菌的细胞壁主要由多糖、蛋白及脂类构成,具有维持细胞形态和抵抗渗透压变化的作用。由于哺乳动物的细胞不具有该结构,因此作用于细胞壁的抗生素特异性强,几乎无副作用,是应用最为广泛的类别[28]。细胞膜的通透性影响着细菌膜内外的物质交换,作用于细胞膜的抗生素包括多黏菌素及短杆菌素,可以使胞内离子及生物大分子外漏从而影响细菌的正常代谢达到杀菌的效果。但由于生物膜系统在成分上相似,因而此类抗生素对人体具有一定的毒性[29]。蛋白质承担着微生物的绝大多数代谢过程,对其正常合成及作用的干扰可达成菌体的杀灭,此类作用机制的抗生素包括抑制核糖体50S亚基工作的氯霉素、大环内酯类、林可霉素类、30S亚基的氨基糖苷类、四环素类、抑制核酸转录及复制的喹诺酮[30]。
2.1 对作用于细菌壁及细胞膜的抗生素降解
头孢和青霉素都属于β-内酰胺类抗生素,其作用机制为破坏细菌细胞壁结构从而达成裂解细菌的效果。青霉素作为最早及最广泛使用的抗生素,在感染类疾病的治疗中具有非常广泛的应用。同时,随着畜牧业的发展,兽用抗生素的比例逐年升高。据统计,每年畜牧业排放的抗生素总量达到总排放量的84%以上[31]。WEN等[32]研究了青霉素模拟废水在MFC中降解的可行性,结果表明,青霉素作为辅料添加时,MFC的最大输出功率大幅度提高。在添加50 mg/L青霉素和1 g/L葡萄糖的模拟废水中,青霉素的降解率达到了98%,最大功率密度为101.2 W/m3。青霉素的抗菌谱一般针对革兰氏阳性菌,头孢则属于广谱抗生素且不易过敏,因此当前临床上头孢的用量要大于青霉素。WEN等[33]进一步研究了头孢曲松钠在MFC中的降解效果,发现头孢曲松钠的添加大幅度提高了MFC的输出功率,达到了对照组的6倍,且头孢曲松钠经过完整产电周期的降解后,去除率达到了91%,此时的最大功率密度为11 W/m3。丁予涵等[34]利用MFC去除水中的低含量头孢他啶时发现,当头孢他啶的投加量为0.2 mg/L时,微生物具有最强的生物活性且优势菌种从球状菌变成了短杆菌。β-内酰胺类抗生素,包括氨苄西林、头孢唑啉钠,在MFC中均达成了90%以上的降解率,且相比于无抗生素添加组,电池的最大输出功率密度均大幅提高[35,36]。以上结果表明,β-内酰胺类抗生素不仅可以作为MFC的底物被微生物代谢分解,实现抗生素废水的减容减害处理,还可以从抗菌机制上出发,通过作用于MFC阳极产电菌的细胞壁,降低电子跨膜传递的表观内阻,实现产电输出的大幅提高。
与β-内酰胺类抗生素作用机理类似的还有多黏菌素,作为一种多肽类抗生素,多黏菌素主要作用于细菌细胞膜,通过聚阳离子环与膜上的磷酸基结合,导致细胞膜通透性增加,膜内小分子外漏,使细菌裂解死亡[37]。CHENG等[38]观察了添加多黏菌素前后的MFC阳极生物膜,在产电菌嗜吡啶红球菌（Rhodococcus pyridinivorans）的表面发现了溃孔。实验结果表明,10 mg/L的多黏菌素会使MFC阳极生物量降低,但电池的表观内阻也会随之降低,该变化使最大输出功率提升了13%,达到了127 W/m3。以上结果表明,作用于细胞壁及细胞膜的抗生素可被有效降解,如图2 所示多黏菌素B会破坏生物膜结构,由于此类抗生素对生物膜系统的破坏,在一定程度上降低了电子在跨膜运输中受到的阻碍,在实现抗生素降解的同时增强了MFC的输出性能。
2.2 对作用于蛋白质合成及核酸复制转录的抗生素降解
病原菌与人体在结构上的区别,使得作用于细菌细胞壁的β-内酰胺类抗生素成了当前消耗量最大的抗生素。但由于环境微生物耐药性的增强,导致此类抗生素的治疗用量大幅提升,这会导致环境中的抗性基因进一步增加,形成恶性循环。近年来针对病菌蛋白质合成途径阻断的抗生素因其极高的杀菌效率及广谱性而逐步被推广,但由于杀菌机制作用于蛋白质合成及核酸复制转录,以喹诺酮类为代表的抗生素在一定浓度时会对人体造成损伤[39]。若此类耐药菌逐步占据环境中的优势地位,出于高浓度对人体潜在的损伤,会导致此类抗生素直接被弃用,极大影响抗生素的应用前景。
诺氟沙星是第三代喹诺酮类抗生素,对治疗肠道感染类疾病具有良好的效果,其杀菌机制为阻断细菌脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）的解旋过程从而实现病原菌的杀灭,但由于其延缓骨骼生长的副作用,因此禁止未成年人使用。ONDON等[40]研究了诺氟沙星在MFC中的降解及抗性基因的同步清除效果,结果表明在128 mg/L抗生素的添加量下,电池的最大输出功率达到700 mW/cm2,此时诺氟沙星的去除率达到65.5%。实验还分析了MFC阳极菌落中抗性基因的演变过程,发现添加抗生素的MFC出水中,MDTK和MDTM等抗性基因也被同步清除。环丙沙星的杀菌效果及抗菌谱均比诺氟沙星强2 ~ 4倍,在养猪场废水驯化的MFC中探究环丙沙星的降解效果时,最适浓度仅为10 mg/L,但电池的最大输出电压达到了600 mV,环丙沙星的降解率达到了99%,说明喹诺酮类常见抗生素在MFC中实现降解及能量回收具有可行性[41]。
抗生素在畜牧业中被大量使用。CHENG等[42]选择最为常见的兽用抗生素盐霉素调配模拟废水进行了研究。实验结果表明,在MFC中基于5 mg/L盐霉素进行产电运行,抗生素的最大降解效率达到90%,且功率密度大幅提高。兽用抗生素的要求是见效快且排泄快,因此氨基糖苷类和磺胺类抗生素吸收差、毒性小、无残留等特点十分契合畜牧业的需求。新霉素是一种氨基糖苷类抗生素,CATAL等[43]基于市政污水驯化的MFC实验中可达成新霉素61%的降解率,最大输出功率密度为140 mW/m2。磺胺类抗生素在MFC中普遍能达成较高的降解率,如JIANG等[44]在基于MFC技术处理养猪废水时,磺胺的降解率达到了99.53%。但磺胺类抗生素的最适降解浓度比喹诺酮类及β-内酰胺类抗生素低,这可能跟磺胺类抗生素耐药菌的抗性不高相关[45,46]。一方面,耐药菌作为感染类疾病的重大威胁,需要得到及时妥善地处理,另一方面,耐药菌抗性越强,在MFC中能耐受的底物浓度也越高,因此从几大类抗生素在MFC中的综合表现来看,直接基于医疗废水作为底物驯化阳极生物膜,会是行之有效的手段。阳极菌经过医疗废水及电池运行环境的选择,MFC可有效筛选出阳极菌中具有耐药性的产电菌。同时,在电池运行周期结束后,直接将阳极回收处理,可起到滤网的作用,在一定程度上实现了废水与菌体的物理隔绝。
选用生物炭作为基质对人工湿地进行填充是提高污染物去除效果的有效方法。利用生物炭比表面积大有利于吸附更多的污染物同时为微生物提供更多的附着场所的特点,将生物炭与MFC结合可以显著提高MFC的性能。李峰等[47]搭建MFC型人工湿地系统,该模式对含有盐酸环丙沙星和磺胺甲恶唑这两种抗生素的废水的去除效果均达到了99%。四环素类抗生素可以通过阻止氨酰转运核糖核酸（transfer ribonucleic acid, tRNA）同核蛋白结合来抑制微生物的生理活动。该类抗生素已经被广泛地应用在医疗、畜牧、水产等行业。但是由于其组成结构为四苯结构的母核而难以在动物体内降解。杨可昀[48]利用人工湿地耦合MFC的方法,解决了单一人工湿地系统出水抗生素浓度波动大、抗冲击负荷能力差的问题,在进水抗生素浓度不改变的情况下改变碳源浓度可将输出电压稳定在630 mV左右。
2.3 采用MFC对抗生素降解效率小结
在MFC降解作用于细菌壁和细菌膜的抗生素的过程中通常可以通过减小内阻或者增强电子传递的方式来增强MFC的性能。作用于蛋白质合成及核酸复制转录的抗生素对人体危害更大,所诱导细菌产生的耐药基因是主要的污染物。MFC在降解抗生素的同时也能对耐药基因进行清除。MFC的性能是根据发电量和污染物去除率来衡量。采用常规生物工艺处理抗生素时,如四环素类的大多数广谱抗生素不能被完全去除,且容易产生有毒中间体。尤其是结构中含有氯和硝基的抗生素具有生物毒性,对常规生物处理工艺具有抗性[49]。在MFC中电池的阴极可以促进氯的还原和硝基向氨基的转化。据不完全统计,已有8大类抗生素可以通过MFC进行降解,且降解率均达到60%以上（如表1所示）。其中作为广谱抗生素的四环素类抗生素在适宜的条件下去除率也达到了99%[50]。适当的电压刺激会加速耐药菌的表达,有助于保持最佳细菌种群,这是MFC比常规生物处理更容易去除抗生素的一大原因[51]。
Table 1 The effect of MFC on antibiotics表1 MFC处理抗生素的效果 |
| 抗生素种类 | 名称 | 阳极微生物源 | 适宜浓度 / (mg/L) | 最大功率密度 / (mW/m2) | 去除率 / % | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 喹诺酮类 | 环丙沙星 | 猪的排泄物 | 10 | 600 mV* | 99 | [41] |
| 恩诺沙星 | 城市污水 | 10 | 244.2 ± 20.3 | 67.6 ± 7.1 | [49] | |
| 诺氟沙星 | 废水处理厂 | 128 | 700 | 65.5 | [40] | |
| β-内酰胺类 | 氨苄西林 | 腐败希瓦氏菌 | 10 | 1.956 ± 0.015 | 95.9 ± 3.00 | [36] |
| 头孢唑林钠 | 好氧活性污泥 | 200 | 30.4 ± 2.1 | 90 | [35] | |
| 头孢曲松钠 | 另一MFC的流出物 | 50 | 113 | 91 | [33] | |
| 青霉素 | 另一MFC的流出物 | 50 | 101.2 | 98 | [32] | |
| 氨基糖苷类 | 新霉素 | 废水处理厂 | 75 | 140 ± 19 | 61 ± 7 | [43] |
| 四环素类 | 土霉素 | 猪粪和废水混合物 | 10 | / | 99 | [50] |
| 磺胺类 | 磺胺嘧啶 | 厌氧消化池废水 | 0.35 | 128 mV* | 97.3 ± 2.7 | [44] |
| 磺胺甲恶唑 | 污水处理厂 | 20 | 1 186.2 ± 9.2 | 87.52 ± 1.97 | [45] | |
| 磺酰胺 | 厌氧污泥 | 0.3 | 583.6 mV* | 99.53 | [46] | |
| 多肽类 | 硫酸多黏菌素B | 吡啶红球菌 | 10 | 68.8 | / | [38] |
| 聚醚类 | 盐霉素 | 吡啶红球菌 | 5 | 336 | 90 | [42] |
| 硝基咪唑类 | 甲硝唑 | 乙酸盐进料MFC的流出物 | 10 | 251 | 94.5 ± 1.4 | [52] |
注：表中*表示文献中未找到功率密度,采用电压代替。 |
3 展望
MFC技术被引入废水处理领域后,基于其清洁化处理及能源回收的优势一直是环境领域的研究热点。其阳极的微生物催化特性使MFC具有较高的能量转化效率及清洁产物,但由于微生物的结构障碍导致电流密度及功率输出一直未达到工业应用要求。同时,在扩大化生产中,电极材料和阴极催化剂等成本也较高,需要进一步深入研究寻找廉价高效且稳定抗冲击的电极材料和催化剂,以提高废水中有机质的清除效率。
在当前的主流污水处理流程中,加入MFC作为一种辅助生化处理设备是具有潜在应用前景的。以医疗废水处理全流程为例,医院日常门诊及生活产生的废水首先会进入医院的沉积池,随后在生化池中进行微生物的降解,最终出水及底泥均会定量添加次氯酸钠进行灭菌,全流程中注意控制了病原菌外泄的问题,但抗生素的降解程度并非出水标准中的重要指标。在沉积池与生化池的连接处增加MFC设施,经过长期驯化可在阳极膜上附着大量具有电化学活性的抗性菌,在连续运行模式下,适当的电池尺寸及水力停留时间可实现污水处理系统用电的自给自足,具有良好的示范效应。因此,关于MFC中抗生素的降解研究,如何在复杂环境中驯化出具有广谱抗性的阳极生物膜以适应不同出水的冲击来实现连续稳定化运行将会是未来研究的热点。
