天津大学环境与生态研究院系列成果：高浓度氨氮对微生物电解系统处理高浓度有机废水的影响

微生物电解池（MEC）由于其可同步实现污染物去除与原位能量转化的特点，在各种高强度废水的处理中引起了广泛的关注，如养猪废水等。养猪废水不仅具有高有机、高氨氮的特点，其污染物成分也十分复杂，其中以兽用抗生素的污染最为典型。弱碱性环境中，较低浓度的游离氨即可对生物电化学系统产生明显抑制作用。但生物电化学功能生物膜有较宽泛的pH适应范围。双室微生物电解池阳极室会积累氢离子形成弱酸化，单室微生物电解池也不会导致污水pH明显升高。然而，MEC及电活性生物膜对高浓度离子态氨氮的耐受性尚不明确，这在一定程度上限制了MEC在高氨氮废水处理中的应用探索。同时，兽用抗生素是禽畜养殖废水中的典型复合污染因素。抗生素通常在细胞内具有多重作用位点，例如，四环素能够与原核生物细胞内16S rRNA结合，从而阻碍蛋白质的合成，也会抑制DNA的复制过程。高浓度的离子铵对微生物细胞膜通透性的改变则可能增加抗生素进入细胞并发挥其抑菌作用的几率，从而使功能生物膜对其复合污染更加敏感。

基于以上考虑，本研究首先在不同底物（可发酵底物与不可发酵底物）下探究了氨氮负荷对电活性生物膜的影响，随后，在MEC综合性能最佳的中高氨浓度下，进一步分析了氨氮与四环素对MEC的协同作用机制。此外，养猪废水中广泛存在的微塑料颗粒是另一种可能与抗生素发生交互作用的污染物因子。因具有微小的粒径和较大的比表面积，其存在可能为抗生素抗性基因的传播带来不可忽视的风险。因此，本文分别对MEC的阳极生物膜、出水悬浊液和微塑料颗粒表面的抗性基因丰度进行了定量分析，以了解抗性基因在微生物电化学技术中的产生与释放规律。这些发现为理解微生物电化学系统中抗生素、氨氮和微塑料的共存作用与风险提供了较为全面的理论参考。

在中性或弱酸性条件下，氨负荷的升高带来的溶液电导率的升高使MEC的产电性能得以大幅地提升，而氨负荷> 1000 mg L–1则会对其COD去除能力造成强烈的抑制作用。在弱碱性条件下，氨氮的存在形式由离子态氨氮向游离氨过渡，并造成MEC电流的迅速下降。因此，当面对高氨氮废水时，同步调控进水pH与氨负荷对于MEC的稳定运行至关重要。此外，MEC可在高氨氮负荷下可基本实现能量正向回收。

随氨负荷的升高，阳极的电化学性能先增后降，并在1000 mg L–1处达到峰值。氨氮可以改变细胞膜的通透性和选择性，在一定程度上起到促进新陈代谢的作用。微生物在氨氮的刺 激下分泌大量胞外分泌物，如蛋白质等，这也可能会促进电活性细胞膜的电子传递过程。同时，铵盐的加入也会造成溶液电导率提高，加速阳极的氧化还原反应。氨氮对阳极电化学活性的负面影响出现于> 1000 mg L–1，此时，阳极内阻升高，催化活性下降。

提高氨负荷至> 1000 mg L–1会造成MEC阳极生物膜活性和生物量的同步下降，同时，氨刺 激也会促使微生物分泌大量的胞外分泌物（EPS）以自我防卫。但当底物为可发酵有机物时，因其降解依赖于如发酵菌、水解菌、产电菌等多类菌群的协同作用，在高氨负荷下阳极仍可保持有较大的生物量和EPS分泌量，但生物膜活性也呈下降趋势。

高浓度氨氮使电活性微生物对四环素的敏感度增强

在80 mg L-1的氨负荷下，MEC在TC浓度0~2 mg L-1范围内可保持稳定高效的产电和COD去除能力，但在> 2 mg L–1时，产电菌的代谢开始受到抑制。在1000 mg L-1的氨负荷下，提高TC的初始浓度，MEC的多方面性能，如产电能力、COD去除效率与TC降解能力等均受到不同程度的抑制。相较于传统的生物处理技术，MEC可以从高氨氮抗生素废水中快速的将有机物所含化学能转化为电能，并产生能源性气体（H2与CH4）。增大TC浓度，电子回收效率随之升高，且可获得正向的能量回收效率。高浓度氨氮也影响MEC阳极电化学性质对TC的响应。在80 mg L–1氨氮下，MEC阳极的电化学性能在TC浓度在0~4 mg L–1范围内稳定。但在1000 mg L–1氨氮负荷下，当TC浓度> 0.5 mg L–1时，阳极的电化学活性急剧下降，且在1mg L–1时，CV最大催化电流低于其在80 mg L–1氨氮下的最大电流，高氨氮的负面影响开始出现。

利用CLSM对不同TC浓度下的阳极生物膜活性进行表征。在80 mg L–1氨氮下，TC浓度从0增加到2 mg L–1不会显著影响生物膜活性，但随着TC浓度进一步升高至4 mg L–1，生物膜活性逐渐下降。然而，在1000 mg L–1氨氮负荷下，TC浓度≥ 1 mg L–1即对阳极生物膜造成严重的损伤，同时伴有生物量的大幅减少。生物膜的稳定生长与微生物在抑菌剂作用下的存活能力息息相关，高氨氮负荷下阳极生物量的衰减势必会削弱其对抗生素的耐受性。同时，氨氮对细胞膜渗透性的改变也加剧了TC对细胞的破坏，在CLSM图像中，生物膜随着TC浓度的升高逐渐从表面到内部由绿色（高活性）变为红色（低活性或致死）。

在阳极细菌群落中共发现了8个相对丰度大于1%的产电菌属。在80 mg L–1氨氮下，将TC浓度从0增加到2 mg L–1，Geobacter的相对丰度从38.59%大幅提高到68.78%。在此区间内，产电菌对底物的代谢速率和产电能力均相对稳定，产电菌总丰度也从60.24%提高到74.89%。然而，当TC浓度进一步增加至4 mg L–1时，产电菌丰度大幅下降，进一步证明超过2 mg L–1的TC会对产电微生物活性产生抑制。

而在1000 mg L–1氨氮下，随着TC浓度从0逐渐增加到6 mg L–1，Geobacter的相对丰度从3.05%显著增加到68.12%，产电菌总丰度也从44.27%增加到71.05%，这主要归因于阳极生物量的急剧下降。TC浓度的增加对阳极菌群有一定的筛选作用，使产电菌在群落中逐渐占据优势。

在长期处理含有抗生素的废水后，MEC的生物膜会产生抗生素耐药性，耐药菌和抗性基因（ARGs）也势必会随着生物膜的老化和脱落而释放到环境中。阳极生物膜中ARGs和intI1基因的相对丰度范围为1.05×10-5~1.53×10-2，而在出水悬浊液中的相对丰富度为1.06×10-6~2.53×1-3（绝对浓度102.20~105.18copies mL–1）。虽然与传统生物反应器相比，MES的极低的剩余污泥产量有助于降低抗性基因传播的风险，但在出水样品中ARGs与微生物群落间仍有着密切的联系，其潜在风险不容忽视。

此外，微塑料颗粒因其具有较大的比表面积且可随水流动的特点而成为抗性菌和抗性基因的载体，增加了抗性基因扩散的风险，且因其表面具有较高丰度的intI1基因使其在不同物种间、不同环境介质间抗性基因的转移与扩散中扮演了重要的角色。