水及其沉降物中多环芳烃及抗生素污染可通过原位电化学法同时去除

  对环境构成风险的难溶有机污染物通常具有生物毒性，并且在水及其沉积物中很常见。多环芳烃 (PAHs)是具有两个或两个以上稠化苯环的芳香族化合物，具有毒性、致突变和致癌性。PAHs可以通过各种方式进入水中，例如大气沉降和降水冲刷。由于其亲水性，PAHs在沉积物中积累，一些地区沉积物中的PAHs浓度可以达到每千克数百毫克。同时，抗生素用于医药和水产养殖以治疗细菌感染，导致其排放到地表水中。抗生素不仅抑制微生物生长，而且在环境中持续存在，这诱导了其抗药性，并降低了抑制病原体的能力。因此去除有机污染物至关重要。用于去除有机污染物的物理和化学方法受到低效率、高成本和二次污染的阻碍。微生物电化学系统 (MES) 具有去除有机污染的潜力。使用MES去除沉积物中的PAHs的独特优势在于，选择性地富集电活性微生物，这些微生物可以同时生物降解PAHs并将电子传递到阳极，从而解决了用于PAHs的厌氧生物降解的电子受体不足的问题。现有研究仅侧重于在单一阶段 (水或沉积物) 中去除污染物。

  通过构建活性电极-微生物电化学系统 (AEMES) 可同时实现沉积物和上覆水中污染物的去除。在该系统中，在阳极和阴极之间的水中嵌入了活性电极。沉积物中的有机物(包括多环芳烃)被降解产生电子，其中一些电子通过外部电路转移到活性电极，以增强水中的抗生素去除，而剩余的电子通过外部电路转移到阴极，与氧气结合。电子可以有效地就地利用，并且可以同时从沉积物和水相中去除污染物。然而，目前尚不清楚污染物是通过在细菌细胞外接收电子而被降解，还是通过细菌细胞内的生物降解而失去电子。为了明确这一目标，该研究设计了三种系统: 空白控制，开路和闭路组。PAH芘和抗生素磺胺甲恶唑 (SMX) 被用作沉积物和水中的目标污染物，并评价了该系统的去除效率，及其降解途径。利用宏基因组测序以期鉴定参与SMX降解的微生物以及参与细胞外电子运输的基因。

  结果显示，在闭路组中，沉积物中的芘浓度在96天内从9.94降至2.08 mg/L，水中的磺胺甲恶唑浓度在168小时内从5.12降至1.12 mg/L。这些值分别比开路组高18.71%和31.21%。芘降解途径可能是通过苯环的连续分解从多环芳香物质到低环芳香烃。通过还原产生的多种代谢物证实了SMX或其中间体在水中被还原降解。在活性电极上，促进了与SMX降解相关的醋杆菌属和双歧杆菌属的相对丰度，而抑制了产电的假单胞菌属。与细胞外电子传输相关的ccdA、pksS、torC和acsE基因可能加速电子传输。电子可以在参与细胞外电子传输的蛋白质的影响下转移到SMX，而SMX可以被微生物还原性降解为电子受体。电子的产生和同时去除固液两相污染物的原位利用，将提供对微生物电化学对污染物生物降解的机理性认识，并促进地表水可持续生物修复战略的发展。

  论文链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130172