抗生素作为药物和个人护理品中的重要成分，被广泛应用于疾病的预防和传染病的治疗。然而，大部分抗生素并不能被人体或动物机体完全吸收，而是以原药或者活性体形式随粪便和尿液排泄至环境中，造成水土环境污染，最终引起环境抗性基因（ARGs）和抗性细菌（ARBs）的传播，对生态环境和人类健康构成严重威胁。因此，寻求有效的抗生素污染治理措施具有重要的现实意义。
微生物燃料电池耦合人工湿地技术（MFC-CWs）是近年来新发展的一种创新型污水处理技术，具有构造成本低、易于维护和管理等优势，已被证实可以去除部分种类的抗生素等难降解有机物。然而，如何进一步提高抗生素的去除效率是当前人们关注的热点，同时，如何协同降低抗生素耐药基因的累积也是亟待解决的技术瓶颈。
中科院东北地理与农业生态研究所水环境污染与防治学科团队选择磺胺甲恶唑（SMX）和四环素（TC）两种典型抗生素，探究了MFC-CWs对抗生素的去除过程、关键影响因素与机理；在前期获得的科学认知的基础上，进一步对MFC-CWs的主要功能区进行了优化，研发了基于海绵铁-阳极区强化的抗生素与ARGs高效协同去除技术。
研究结果表明，MFC-CWs对SMX和TC的去除效率分别在96%和80%以上，微生物降解和电极层吸附作用是MFC-CWs去除抗生素的主要过程。在阳极区添加海绵铁能显著提高MFC-CWs对SMX和TC的去除效率；而且，海绵铁能够显著降低sul和tet基因在MFC-CWs内的累积量，sul和tet的基因拷贝数分别下降84.10-94.11%和49.61-60.63%（图1）；海绵铁添加使系统的电压输出和最大功率密度分别提高23.9-24.6%和46.9-47.6%、内电阻降低46.5-78.2%。对海绵铁进行结构表征、元素分析，以及对系统基质样品的高通量测序发现，海绵铁中的零价铁加快了系统的电子转移，并提高相关功能微生物的丰度（如Firmicutes、Actinobacteria等），从而促进抗生素的快速降解；此外，零价铁抑制了ARGs的水平基因转移和增殖，从而同步实现对ARGs的有效控制。
图1 海绵铁强化MFC-CWs技术对抗生素和ARGs的同步去除
本研究实现了抗生素和抗性基因的同步高效去除，为抗生素污染水体治理提供了重要的理论和技术支撑。相关成果发表于生态环境领域权威期刊Environmental Pollution、Science of The Total Environment、Chemosphere。该研究由东北地理与农业生态研究所博士研究生温慧洋、祝惠研究员、阎百兴研究员等共同完成。相关工作得到国家重点研发计划子课题（No. 2016YFC0500404-4）、中科院青促会项目（No. 2017274）、中科院创新交叉团队项目（No. JCTD-2020-14）共同资助。论文相关信息如下：
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
