生物電化學(xué)系統(tǒng)陰極還原降解典型抗生素研究.pdf

1、由于抗生素的廣泛使用，大量殘留不可避免的進(jìn)入水體和土壤環(huán)境中。在長期毒性壓力下抗生素的抗性基因通過水平轉(zhuǎn)移產(chǎn)生許多抗生素抗性菌，它的頻繁出現(xiàn)可以使許多新型抗生素藥物失效，因此對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，并且已經(jīng)引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的抗生素廢水生物或物化處理技術(shù)具有針對(duì)性不強(qiáng)、效率低或能耗高、副產(chǎn)物多等缺點(diǎn)，因此建立一種新型、快速和高效的抗生素廢水預(yù)處理方法，特別是在此過程中消除抗生素抑菌活性具有重要意義。生物電化學(xué)系

2、統(tǒng)（BES）陰極還原降解污染物研究目前受到廣泛關(guān)注，如硝基苯、氯代有機(jī)物、偶氮染料等都可以在陰極特別是生物陰極實(shí)現(xiàn)還原降解，而對(duì)于抗生素的陰極還原降解目前報(bào)道的較少。因此本研究以五種典型抗生素（呋喃西林、呋喃唑酮、甲硝唑、氯霉素和氟苯尼考）為研究對(duì)象，探討其在陰極電化學(xué)環(huán)境下還原的可行性和路徑以及還原降解產(chǎn)物是否可以解除抗生素抑菌活性；此外還研究了不同的外加電壓（陰極電位）對(duì)于生物陰極還原降解呋喃西林和陰極生物膜群落結(jié)構(gòu)組成的影響；最后

3、通過電極極性反轉(zhuǎn)的方式探討了由生物陽極反轉(zhuǎn)后的生物陰極是否具有高效的微生物催化能力，這些研究為開發(fā)抗生素廢水高效預(yù)處理技術(shù)提供重要的理論依據(jù)。
　　首先對(duì)陰極電化學(xué)還原降解抗生素進(jìn)行可行性分析，循環(huán)伏安（CV）結(jié)果表明五種抗生素在不同的陰極電位下具有不同的還原峰，預(yù)示著可能發(fā)生不同的還原反應(yīng)。序批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：陰極電位不僅顯著影響抗生素的還原速率而且決定了還原產(chǎn)物形成的種類，而緩沖鹽濃度和底物濃度僅能影響抗生素的還原速率。陰極電

4、位越低還原降解速率越快，產(chǎn)物被還原越徹底，陰極電位在-1.25 V下抗生素甚至可以發(fā)生呋喃西林和呋喃唑酮的開環(huán)或氯霉素和氟苯尼考的完全脫鹵反應(yīng)。對(duì)陰極出水進(jìn)行抗生素抑菌活性實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，不同陰極電位下的陰極出水（抗生素還原產(chǎn)物）均不同程度的對(duì)大腸桿菌（Escherichia coli DH5α）和乳酸乳球菌（Lactococcus lactis subsp.）失去抑菌活性。
　　不同外加電壓對(duì)于生物陰極還原降解呋喃西林具有重要影響，

5、外加電壓越高（陰極電位越低），呋喃西林還原降解的速率越快，產(chǎn)物生成和再次被降解的速率越快。0.8 V外加電壓下以葡萄糖為碳源電子供體的生物陰極還原降解的率常數(shù)k分別是非生物陰極和開路對(duì)照的1.46和2.63倍。而以碳酸氫鈉為碳源和電極為電子供體的生物陰極 k值僅比葡萄糖為碳源和電子供體下低8.29％，表明陰極嗜電極微生物可以不主要依賴于外源電子供體而直接從電極得電子催化還原呋喃西林的降解。基于不同外加電壓下陰極生物膜16S rRNA基因

6、Illumina測(cè)序結(jié)果表明：0.2 V和0.5 V外加電壓條件下主要富集克雷伯氏菌屬（Klebsiella），明顯不同于腸球菌屬（Enterococcus）占優(yōu)勢(shì)的0.8 V外加電壓。而三種外加電壓條件下的陰極生物膜又明顯不同于主要富集假單胞菌屬（Pseudomonas）的開路對(duì)照實(shí)驗(yàn)，因此陰極電位環(huán)境能夠選擇性的富集嗜電極微生物。
　　傳統(tǒng)的生物陰極是針對(duì)目標(biāo)污染物預(yù)先富集好具有特定降解能力的微生物，再經(jīng)過電場(chǎng)環(huán)境下的多次陰極

7、掛膜來實(shí)現(xiàn)。而具有產(chǎn)電能力的生物陽極能否反轉(zhuǎn)陰極進(jìn)行生物陰極催化還原降解污染物的研究未見報(bào)道。因此本研究在生物陽極啟動(dòng)成功后對(duì)其進(jìn)行降解氯霉素（5~80 mg/L梯度增加濃度）馴化實(shí)驗(yàn)，經(jīng)馴化后該生物陽極能夠耦合非生物陰極實(shí)現(xiàn)陰陽極同步還原降解氯霉素。將具有產(chǎn)電能力及氯霉素降解能力的生物陽極反轉(zhuǎn)陰極后，其還原降解速率比非生物陰極對(duì)照快1.63倍，表明反轉(zhuǎn)后的生物陰極仍具有高效的催化還原能力，特別是共基質(zhì)用碳酸氫鈉替代乙酸鈉時(shí)，其還原降解