微生物电化学技术（METs）可以去除水中污染物，同时产生电能或氢能，具有适用范围广、无污染等优点^〔1〕。根据不同的应用目的，可将METs分为微生物燃料电池（MFC）、微生物电解池、微生物脱盐池以及用来还原阴极氧化物质的微生物修复池^〔2〕。目前，利用METs处理难降解有机废水成为研究的热点。其中，MFC可利用阳极厌氧电活性菌将废水中的化学能转化为电能。影响MFC性能的因素有很多，包括电极间的距离、电极材料、反应器构型以及外接电阻^〔3〕。相较于传统的双室MFC，单室空气阴极MFC可直接利用空气中的氧气作为电子受体，容易得到更高的体积功率密度^〔4〕。

水体中抗生素的污染已在全球范围内引起关注^〔5〕。由于传统的污水处理工艺忽略了对抗生素的控制，使得抗生素在水环境中未得到有效去除^〔6〕。抗生素种类很多，其中红霉素（ERY）是一种大环内酯类抗生素，其可以通过和细菌核糖体中物质的结合来阻断蛋白质的产生，从而抑制细菌微生物的生长与繁殖。因ERY结构比较稳定，较难被微生物降解，在污水中经常被检测到。李侃竹等^〔7〕分析发现，上海某污水处理厂污水中的ERY在47.5~49.2 ng/L。抗生素处于ng/L水平，虽对人体健康风险较低，但其在环境中长期存在所带来的潜在威胁不能忽视^〔8〕。因此，加强水环境中抗生素的去除尤为关键。

研究表明，MFC对于抗生素类污染物具有较好的去除效果^〔9〕。然而，目前针对单室空气阴极MFC降解ERY的研究较少。本研究以ERY为目标污染物，利用单室空气阴极MFC对其进行降解，研究了MFC系统对ERY的降解效果、产电能力及降解机制。此外，还对MFC阳极膜上微生物群落结构和多样性进行了检测和分析。

本研究所用反应器为单室空气阴极MFC。其分为阳极和阴极，阳极一侧为厌氧环境，需保证在全封闭状态下；阴极则与空气直接接触。MFC由长4 cm、横断面直径3 cm的有机玻璃柱体组成，有效体积28 mL。MFC的阴极为碳布，将4层PTFE涂在其与空气接触的一侧，并将0.5 mg/cm² Pt/C催化剂涂在另一侧。MFC的阳极为3K碳布，碳布使用前需经丙酮浸泡12 h，然后依次用蒸馏水和乙醇冲洗，以去除表面杂质，使微生物富集能力加强。将阴阳极碳布（有效面积均为7 cm²）分别置于MFC两侧，并用橡胶圈进行密封固定。将有机玻璃盖盖在阴阳两极上，其中阴极一侧的盖子是中空的，阳极一侧的盖子则为密封的。利用钛丝将阴阳两极连接。MFC外接1 000 Ω的电阻。组装完成的MFC结构如图1所示。

将反应器与PISO-813数据采集系统连接，然后将反应器置于30 ℃恒温生化培养箱内。每隔30 min采集一次数据，采样精度0.001 V。MFC反应器采用序批式培养，通过定期更换接种液完成启动。接种液来自实验室稳定运行的MFC出水。以乙酸钠为唯一碳源，50 mmol/L的磷酸盐缓冲液（氯化铵0.31 g、氯化钾0.13 g、磷酸二氢钾2.88 g、磷酸二氢钠4.09 g）为基底溶液。直到反应器可以产生平稳的输出电压（即最高电压达500 mV以上），可认为MFC启动成功。MFC启动成功后进入正式运行期，当监测到的输出电压<50 mV时，需更换培养液，此过程记为1个周期。

CV曲线和交流阻抗曲线（EIS）均由电化学工作站（CHI660E，辰华，中国）进行测量。本研究测试采用三电极体系，以MFC的阳极作为工作电极，阴极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，参比电极放在靠近阳极一侧。CV曲线电压范围-0.8~1.3 V，扫描速率50 mV/s。EIS曲线频率范围100 000~1 Hz，振幅0.005 V。功率密度曲线和极化曲线采用改变外接电阻的方法，记录电池两端电压，通过计算得到相应数值。阳极半径为0.015 m；阴影面积为0.000 7 m²。

ERY检测：从反应器中取2 mL水样，在12 000 r/min下离心10 min，取1 mL上清液并过0.22 μm滤膜后，采用高效液质联用色谱仪（ACQUITY UPLC I-CLASS/Xevo TQ-S，Waters，Ireland）进行检测。液相色谱检测条件：波长215 nm，C18柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm），流动相为乙腈（A）和0.1%甲酸水溶液（B），柱温40 ℃，进样量10 μL，流速0.3 mL/min。梯度洗脱程序如表1所示。COD检测：参照参考文献〔10〕。

利用激光共聚焦显微镜（LSM880 with Airyscan，Zeiss）分析MFC阴极、阳极生物膜结构和代谢活性。将MFC阴极、阳极生物膜剪成适当形状，放入50 mmol/L的PBS溶液中浸泡，以洗去膜表面浮菌。然后用死活染色试剂盒（LIVE DEAD FIXABLE AQUA DEAD CE 1 KIT，Invitrogen）避光染色20 min，再利用PBS缓冲液冲洗掉表面多余染料。激发谱线分别为488、543 nm。每个实验重复3次，每个切片选取4个视野观察。利用生物显微图像分析软件Image-Pro Plus 6.0分析生物膜中活菌比例，为绿色荧光面积/总荧光面积。

采用16S rDNA扩增子测序技术比较MFC阳极微生物群落在添加红霉素前后的变化。将取下的MFC阳极生物膜〔分别记为MFC_0（未添加红霉素）和MFC_E（添加红霉素）〕送至北京诺禾致源公司进行检测。根据所扩增区域特点，基于Ion S5TMXL测序平台，利用单端测序方法，构建小片段文库进行单端测序。通过对Reads剪切过滤，OTUs聚类（97%的一致性），并进行物种注释及丰度分析，揭示样品物种构成；进一步通过α多样性分析、β多样性分析挖掘样品之间的差异。

将启动成功的MFC分别用ERY以10、15、20、25、30 mg/L的质量浓度梯度进行驯化。每个浓度运行5个周期。在MFC产电达到最高峰时，以MFC阳极为工作电极进行循环伏安扫描。实验结果表明，不同浓度下的CV曲线都有明显的氧化还原峰，表明MFC中的阳极生物膜具有电化学活性。当ERY质量浓度为10 mg/L时，氧化峰电位为-0.25 V，还原峰电流为-50 mA。随着ERY浓度的升高，MFC的峰电流减小，峰电位不变，峰电流与ERY浓度呈负相关。此外，CV曲线围成的积分面积即电极的活性面积随着ERY浓度的升高而减小，说明电极上的电量减小。推测造成该现象的原因是由于ERY的加入，使得MFC阳极上的产电菌活性受到抑制，且ERY浓度（10~30 mg/L范围内）越大，对产电菌抑制性越强。

MFC的交流阻抗曲线（ERY初始质量浓度为30 mg/L）如图2所示。

由图2可知，阻抗值为9 Ω，阻抗值较小，表明该MFC系统产生的阻抗损失较小，有利于该系统功率输出。MFC中影响欧姆电阻的主要因素包括阳极底物、阳极产电菌群、电极材料、反应器构型和操作条件等。总的来说，单室MFC内阻低于双室构型MFC内阻，底物为纯物质的内阻低于混合底物内阻，混菌构建的反应器内阻低于纯菌构建的反应器内阻。

MFC的功率密度曲线和极化曲线（ERY初始质量浓度为30 mg/L）如图3所示。

由图3可知，当电流密度为1.4 A/m²时，可以获得最大功率密度，为400 mW/m²，此时电压为297 mV。开放电路电压（OCV）是MFC系统中得到的最大电压，其受到微生物种群与MFC阴极电势的影响。由图3可以看出，当电流密度为0时，系统的OCV为0.54 V。当电流密度在0~0.1 A/m²时，随着电流密度的增加，输出电压剧烈减小，此时影响MFC的内阻为活化内阻。

对于本研究的MFC，获得最大的功率输出是最佳情况，即在最高电位下得到最大电流密度。此外，OCV是在外电阻无限大时得到的，本实验OCV接近550 mV。值得注意的是，输出电压随着外阻的降低而降低。因此，为了在一定范围内得到最大的功率输出，就需要在电流密度增大的过程中寻找最小的电压降。

在1个运行周期（48 h）下，考察了MFC对30 mg/L ERY的去除效果。结果表明，ERY降解率为（83.21±1.4）%，COD去除率为（84.91±2.1）%，COD去除率略高于ERY降解率。同Ying Zhou等^〔11〕利用MFC降解磺胺二甲嘧啶的去除率为99%相比，本研究抗生素降解率不是很高。根据A. Y. Lin等^〔12〕利用臭氧氧化技术降解抗生素的研究推测，含有饱和C—C键的红霉素比含有不饱和芳环的磺胺类抗生素的降解速率要慢。同T. T. Nguyen等^〔13〕用膜反应器降解医用废水时67%~78%的红霉素降解率相比，本研究采用的MFC反应器显得优势大一些。MFC能够降解ERY，结合下文的高通量检测分析，推测是由于耐药菌的作用，如已经报道过的假单胞杆菌等^〔14〕。

根据MFC阴极、阳极生物膜激光共聚焦结果可知，未添加ERY的MFC阳极生物量要比添加了ERY的多，推测是ERY抑制了部分菌群。对激光共聚焦显微镜生成图片采用IPP软件分析表明，生物膜相对代谢活性：未添加ERY的阳极为0.574 9±0.002 5，添加ERY的阳极为0.575 4±0.000 5，未添加ERY的阴极为0.914 1±0.000 5，添加ERY的阴极为0.729 4±0.000 3。未添加ERY的阳极生物膜代谢活性与添加ERY的很接近，但是未添加ERY的阴极生物膜代谢活性明显大于添加ERY的。

根据物种丰富度指数Chao1分析得到：在Ion S5TMXL测序平台得到MFC_0、MFC_E样本对应的原始数据分别为83 145条、82 129条；进行嵌合体过滤，得到可用于后续分析的有效数据分别为80 284条、80 100条。物种丰度指数估计的最大OTUs数：MFC_0为315，MFC_E为302，MFC_0比MFC_E群落物种丰富度高。MFC_0的群落具有较高的多样性（Shannon=4.949，Chao1=311.9），而MFC_E群落的多样性相对较低（Shannon=4.482，Chao1=299.463）。综合分析Chao1和Shannon多样性指数可知，ERY的加入对MFC阳极微生物群落的丰富度及多样性都有影响，加入ERY的阳极生物膜物种丰富度和多样性均有所降低。稀释曲线如图4所示。

稀释曲线可直接反映测序数据量的合理性，并间接反映样品中物种的丰富程度。由图4可知，曲线趋向平坦，说明测序数据量渐进合理，更多的数据量只会产生少量新的物种（OTUs）。另外，从图4还可以看出，MFC_E的物种丰富度比MFC_0要低，物种数目较少。

实验结果表明，MFC_E和MFC_0中总的OTUs数有325个，其中276个OTUs为两者共同含有。两者共有的OTUs中，微生物大多属于变形菌门（Proteobacteria）。总的来说，2个样品的微生物群落有差异，但相同物种的数量较为稳定；两者共有的OTUs中，产电菌丰富，这类菌的存在使得MFC得以高效运行。

在门水平上，MFC_E和MFC_0中的微生物群落存在差异，但优势物种都为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）。MFC_E与MFC_0相比，变形菌门（Proteobacteria）的菌种相对丰度增加（MFC_E: 75.8%，MFC_0: 67.4%）。推测是ERY的加入对阳极生物膜的群落结构造成较大影响，具有抗药性的菌种富集在MFC的阳极膜上，而没有抗药性的菌种得到抑制，使得优势物种丰度减小。优势菌种类变化，可能是具有抗性基因的菌种存活，没有相关抗性基因的菌种则受到抑制。

MFC_E和MFC_0中，变形菌门（Proteobacteria）、螺旋体门（Spirochaetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）4门表现出明显差异，厚壁菌门（Firmicutes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、互养菌门（Synergistetes）、黏胶球形菌门（Lentisphaerae）4门所占比例较为接近。其中厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）是现有研究中产电菌、抗生素抗性菌中出现较多的菌种，这3类细菌门的总和占总序列数的比：MFC_0为71.72%，MFC_E为83.53%，此结果和上述2组样品共有的OTUs结果相同。

属水平上的OTUs序列数如表2所示。

由表2可知，目前已报道的产电菌占每个总序列的相对丰度：MFC_0为60.45%，MFC_E为69.46%，即加ERY后的产电菌增加了1.15倍。目前已报道的抗生素抗性菌占每个总序列的相对丰度：MFC_0为17.79%，MFC_E为32.26%，加有ERY后驯化得到的阳极膜上的微生物群落抗性菌增加了1.81倍。其中地杆菌（Geobacter）为2个样品产电菌中的优势菌。

综上所述，报道中经常见到的产电菌、抗生素抗性菌在2个样品中都有检出，如产电菌：地杆菌（Geo-bacter）、假单胞菌（Pseudomonas）、梭菌属（Clostri-dium）^〔15〕；抗生素抗性菌：假单胞菌（Pseudomonas）、分支杆菌（Mycobacterium）。可见，样品中的产电菌种类相对丰富，抗生素抗性菌在ERY的驯化过程中得到了富集。在长期的驯化后，ERY不仅减弱了对微生物的抑制作用，抗性菌的相对丰度反而稍有所增加。所以，通过MFC处理抗生素时，一旦MFC驯化启动成功，基本上不需考虑ERY加入后对电池性能产生的影响。

（1）随着ERY浓度的升高，MFC的峰电流减小，峰电位不变，峰电流与ERY浓度呈负相关。CV曲线的面积随着ERY浓度的升高而减小。由于ERY的加入，MFC阳极上的产电菌活性受到抑制，ERY浓度越大，对产电菌活性抑制性越强。

（2）采用MFC降解质量浓度为30 mg/L的ERY，最大功率密度为400 mW/m²，开路电压为0.54 V，ERY降解率为（83.21±1.4）%，COD去除率为（84.91± 2.1）%。

（3）ERY的加入使MFC中微生物的群落结构发生改变，但ERY加入前后的主要物种仍相同且数量较大，共有的OTUs中，71.72%的菌种为厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria），这3类为主要的产电菌门，为微生物燃料电池的性能发挥了重要作用。