外加电场强化生物处理工艺降解水中典型抗生素的机理研究

抗生素在环境中存在的直接后果是很可能诱导环境中动物体内产生抗生素抗性基因，因此细菌耐药已成为21 世纪日益严重的公共卫生问题。本项目拟以四环素及头孢类抗生素为目标污染物，采用电场强化生物处理工艺对其进行降解研究。拟采用碳纳米管为电极，并对其进行修饰，同时结合电化学性能测试及电极表面结构的分析，优化电极的制备工艺条件，获得性能优良的碳纳米管电极；考察外加电场和运行条件对电极上及反应器中微生物菌群的影响，优化操作条件，实现对微生物菌群的合理调控和电化学氧化、微生物降解及吸附作用耦合，提高四环素和头孢类抗生素的去除效率，并有效控制有毒中间产物的生成；检测分析水样及污泥中抗生素抗性基因，评价处理后系统的潜在风险；通过对降解过程中四环素和头孢类抗生素及中间产物浓度的分析，研究四环素和头孢类抗生素的降解动力学，并揭示其降解机理。本项目研究可为抗生素处理工艺的选择及无害化降解提供理论依据。

抗生素是一类典型的PPCPs物质，进入环境后可导致自然界中微生物产生耐药性，对环境及人类健康存在潜在威胁，但目前还没有对其进行有效控制经济高效的方法。项目以头孢类及四环素类抗生素为目标污染物，采用吸附、电化学和生物电化学法对其进行降解。制备了改性碳材料并对其进行了分析表征，发现碳材料表面变得粗糙，比表面积有一定程度减小，但碳碳双键和芳香环类官能团含量增加；考察了改性碳材料对抗生素的吸附性能，研究结果表明头孢他啶在改性碳材料上的吸附符合准二级动力学模型，头孢他啶的最大吸附量可达 200.0 mg•g-1(298 K)，该吸附反应为自发的、放热的过程，主要受颗粒内扩散和液膜扩散两个过程控制，符合Freundlich和Tempkin等温方程。选用稀土元素铈，通过电沉积的方法制备了碳纳米管电极,该电极具有电化学活性高、性能稳定、电流效率高等优点。SEM、FTIR、XRD、XPS、塔菲尔曲线、循环伏安等电极的分析测试表明修饰后电极表面上的铈以二氧化铈形态存在，具有较强的催化活性。采用所制备的铈修饰电极电催化降解水中低浓度头孢他啶，在优化条件下反应1 h后，头孢他啶的去除率几乎高达100%；通过LC-MS分析可能的降解路径为首先断裂氨基和羧基，进而断裂碳碳键和碳氮键，然后生成酰胺类物质，转化为有机酸和酮，最终被氧化为水和二氧化碳。采用新型生物电化学系统处理含低浓度抗生素的模拟城市污水，实验数据表明:与常规生物系统相比，该系统对难降解抗生素的去除可以提高60%以上，低电流有利于提高生物系统的处理效率；循环伏安分析发现电场能促进难降解抗生素转变为易被微生物分解的中间产物，外加的低电场有利于电子转移，部分电子又可以参与微生物的新陈代谢，增强生物活性；抗生素在该系统中的降解过程符合一级反应动力学规律。通过Illumina高通量测序考察生物处理系统中微生物种群分布情况，发现生物电化学系统中微生物丰度和多样性减少，Xanthomonadaceae成为优势种群。生物处理系统的抗性基因检测分析发现各处理系统均存在OXA-1、OXA-2和OXA-10三种抗性基因。 生物电化学系统可实现对抗性基因的有效控制，污泥中三种抗性基因的浓度可分别由2365.4, 8719.1和37008.7降低到17.4, 19.2和52.9。研究结果可为PPCPs特别是低浓度抗生素的高效经济降解提供理论依据与技术参考。