典型抗生素对污泥厌氧消化效能的影响及调控策略研究进展
摘要
厌氧消化是实现污泥等废弃物资源化利用和无害化处理的有效手段。近年来，抗生素被广泛滥用，并不可避免地对污泥厌氧消化体系产生潜在影响。综合探讨了不同抗生素在不同环境条件下（温度、浓度、底物、暴露方式、复合存在等）对污泥厌氧消化效能的影响。结果表明，不同抗生素对污泥厌氧消化的影响可归结为抑制、促进和无影响等，其中抑制作用更为普遍。进一步分析发现，抗生素主要通过破坏功能菌群结构、改变代谢途径（如酶活性、胞外聚合物分泌）、影响群体感应机制等方式影响系统效能。然而，通过采用物理处理（如水热、超声等）、化学处理（如高级氧化技术、臭氧、电化学等）、生物处理（如外源添加生物酶、外源添加材料加速电子传递等）、联合处理（碱热、超声/臭氧等）等预处理手段可有效削减系统中抗生素的不利影响，提升厌氧消化效能。最后，从预处理手段的优化、抗生素迁移对生态系统潜在影响等角度进行了展望，可为提升厌氧消化效能提供参考。
研究背景
抗生素自20世纪40年代以来，被广泛用于治疗人类疾病和促进动物的生长发育。人或动物体内部分代谢或非代谢的抗生素（约70%）最终会通过城市排水系统富集至污水处理厂，易诱导污水产生抗生素抗性（图1）。然而，传统的污水处理工艺对于部分抗生素的去除效果不佳。牟霄等发现污水中恩诺沙星经过污水处理厂氧化沟和A2O工艺的二级生物处理后，其去除率不足10%；类似地，张翔宇等进行的好氧活性污泥静态实验中，第14天的四环素与林可霉素的生物降解去除率分别为6.57%和0%。大量未去除的抗生素富集于污泥中，例如污水厂脱水污泥中氧氟沙星、诺氟沙星的平均浓度分别为2982 μg/kg和188.55 μg/kg，对污泥处理产生较大影响，存在潜在的生态环境风险。
图1 抗生素在环境中的传播
厌氧消化技术是我国主要的污泥处理处置技术之一，有助于实现污泥的资源化利用和无害化处理，促进减污降碳。研究表明，抗生素的大量富集将对厌氧消化系统效率产生影响。黄小丁研究发现，中温条件下，随着克拉霉素浓度由0增加至1000 mg/kg VSS，剩余污泥最大产甲烷速率由（20.0±0.4）mL/(g VSS·d)降低至（13.7±0.3）mL/(g VSS·d)，产生了不利影响。因此，系统探究抗生素对污泥厌氧消化的主要影响和作用机制对其安全处置与高效处理具有重要的现实意义。
本文旨在系统分析不同抗生素在不同环境条件下对污泥厌氧消化过程的影响及作用机制并提出削减策略，为其资源化利用提供参考。
01 抗生素对厌氧消化效能的影响
1.抗生素种类对厌氧消化的影响
表1为不同抗生素对厌氧消化效能的影响。可知：大部分抗生素，尤其是β-内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类和酰胺醇类抗生素对厌氧消化效能多呈抑制作用。例如，曾淑婷等发现当克拉霉素浓度由0.1 mg/L增加到10 mg/L时，剩余污泥中沼气的产气率（P<0.01）被显著抑制。这主要归因于细菌与产甲烷菌的诱导竞争，Anaerolineaceae和Microtrichales相对丰度的减少可能损害了氢营养型甲烷生成过程，而乙酰营养型的产甲烷菌Methanosaetaceae则在所有样本中保持优势。类似地，Rani等研究表明，5 mg/L的大观霉素可使间歇嗜温厌氧消化池中的甲烷和沼气产量分别减少了47.1%和38.3%；而在10 mg/L剂量条件下，甲烷和沼气的产量进一步降低了55.1%和54.0%，这说明抗生素的剂量浓度会显著影响厌氧消化效能。此外，向银萍等研究发现，与对照相比，含有20 mg/L和200 mg/L喹诺酮类抗生素氧氟沙星的反应器总挥发性脂肪酸（VFAs）浓度减少了1.8%和10.4%，累积甲烷产量分别下降了8.3%和82.2%，表现出明显剂量相关的抑制作用。这主要是因为氧氟沙星将显著影响消化系统中微生物的群落结构。16S rRNA扩增子测序结果表明，两个反应器的总序列分别为184, 268和170, 106，比对照组减少了5.8%和13.1%，微生物总数下降。同时，在水解和酸化过程中起着重要作用的Bacteroidia, Gammaproteobacteria, Clostridia, Anaerolineae和Aminicenantia的相对丰度在200 mg/L反应器中从58.6%下降到45.3%。
表1 不同抗生素对厌氧消化效能的影响
然而，部分抗生素也被发现会促进厌氧消化系统的产甲烷过程，这类情况在喹诺酮类和磺胺类抗生素中较为多见。例如，Zhu等研究发现，1000 mg/L的林可霉素使得厌氧颗粒污泥反应器中的甲烷产量相较于对照组提高了20.8%。类似地，Zhi等在研究抗生素对高含固污泥厌氧消化系统的影响时发现，加入10, 100 mg/L氧氟沙星的系统甲烷累积产率在第25天时相较于对照组分别提高了12%和60%，500 mg/L氧氟沙星还使总VFAs增加了1731%，反应器中占主导地位的产甲烷古菌Euryarchaeota相对丰度在所有抗生素浓度下均高于其对照组，这表明氧氟沙星能刺激产甲烷古菌的生长。此外，该研究中乙酸营养型产甲烷菌如Methanosarcina和Methanoasaeta，与非氢营养型产甲烷菌占古菌总丰度超过50%。抗生素的这种促进可能归因于微生物的适应性机制，以及其作为微生物生长代谢的碳源被利用，从而增加了厌氧消化体系中的有机物供应，加强了养分循环过程，导致消化效能的正向反馈。
厌氧消化系统能够适应某些抗生素的影响，使甲烷产量恢复。黄小丁等研究发现，在第6天的甲烷产量达到峰值时，添加克拉霉素的剩余污泥甲烷产量(19.4±0.6)~(15.0±0.5) mL/(g VSS·d) 低于对照组( 22.3±0.7 mL/(g VSS·d))，却在第12天时出现了第2次峰值，使得第36天时的甲烷总产量未受到明显影响。马清佳等也得出类似结论，发现含有25 mg/L链霉素反应器的累计产气量在60 h后增速逐渐放缓，但在100h后产气累计速率有所恢复，最终累计产气量（424.5 mL）与对照组（448.5 mL）接近。总的来说，不同种类的抗生素对厌氧消化效能表现出不同影响，普遍以抑制为主。值得注意的是，由于抗生素的剂量效应、微生物的适应性策略和消化系统条件的不同，也会出现促进及适应并恢复的情况。
2. 不同条件下抗生素对厌氧消化效能的影响
消化条件也是影响抗生素发挥作用的关键因素之一。在不同的消化条件下，同一种抗生素对厌氧消化系统的影响可能会表现出不同效果。在不同温度下，同种抗生素对厌氧消化系统的影响可能不同。例如在15 ℃消化条件下，金霉素的存在显著抑制了厌氧消化效率。而在温度条件设置为35 ℃后，反应器中的甲烷产量提升，金霉素的抑制作用得到缓解。这种影响可能归因于温度对微生物群落的定向改变，在15 ℃下，甲基营养型产甲烷菌Methanomethylovorans被金霉素富集，而在改变温度条件时，乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta的相对丰度则开始上升，这有利于累积的乙酸生物代谢为甲烷，提高了厌氧消化效率。
此外，即使是同一种抗生素，其在不同浓度下所产生的影响也不尽相同。在Zhu等的研究中，林可霉素在50~1000 mg/L时促进了甲烷生成，但在同一研究中，2000及5000 mg/L的林可霉素却使得甲烷产量下降了11.4%和18.8%。Lu等则发现1000, 600, 200 mg/L的头孢氨苄促使剩余污泥的甲烷产量提升了63.8%、30.3%和5.7%，而2000, 400, 50 mg/L的头孢氨苄则抑制了甲烷的生产。结果的不同可能与EPS的破碎程度有关，EPS的有效破碎是为厌氧消化提供底物的重要途径；但在抗生素刺激下，微生物会分泌更多EPS作为保护层抵御头孢氨苄影响，进而抑制了水解过程的进行。因而为了在维持微生物稳定性的同时保证底物供应，EPS含量需要保持平衡。在600, 1000 mg/L剂量的头孢氨苄影响下，微生物分泌的EPS含量能够保护微生物并维持较高的水解酶活性，为后续消化提供足够的底物，其产甲烷效果也表现为最佳。
抗生素由于暴露方式的区别也可能会产生明显不同的影响。如在单次投加模式下，磺胺二甲嘧啶使甲烷总产量减少了18.5%，而在半连续投加模式中，这一指标却提高了44.8%。相比于半连续模式，单次投加模式中磺胺二甲嘧啶初始浓度更高，可能是出现抑制现象的原因；而在半连续投加模式下，微生物表现出更迅速的群落变化，其通过稳态机制来抵抗较低浓度磺胺二甲嘧啶的冲击，使其不产生抑制而作为额外底物提高甲烷产量。
另外，不同的底物因其理化性质差别，也可能导致同种抗生素产生相反的结果。如100 mg/L的土霉素使得脱水污泥的甲烷产量提升了33%，而90 mg/L的土霉素则使得奶牛粪便的甲烷产量下降了31%，主要原因是底物的组成及微生物群落的不同。
在实际工程中，各类抗生素污染往往伴随着其他类型的抗生素以及其他污染物出现，因而研究复合污染的状态也显得尤为重要。例如，聚酰胺减轻了氧氟沙星对厌氧消化的抑制作用，在与20 mg/L氧氟沙星共存时，甲烷产量达到了70.47 mL/g VSS，累计甲烷产量比单独的氧氟沙星增加了21.0%，这可能是因为聚酰胺有丰富的孔隙结构和丰富的能与氧氟沙星羰基形成氢键的表面酰胺基团，使其能够吸附并促进氧氟沙星的降解，同时也有利于水解酸化细菌的增殖。又如10 mg/L的四环素与大观霉素的组合，仅使沼气产量下降了12.52%，与单一的大观霉素或四环素相比，抑制效果最低。进一步分析表明，四环素和大观霉素共同暴露的初期，污泥的生物多样性将会下降，但是在后期将持续恢复。这是由于暴露初期对抗生素敏感的微生物被选择性地杀死，但同时提供底物并导致了产甲烷菌的富集，这可能是该条件抑制效果最低的原因。
总而言之，不同种类的抗生素对不同组成的厌氧消化系统表现出不同影响，其规律及机制仍有待进一步研究与总结。
02 抗生素影响厌氧消化的作用机制
抗生素对厌氧消化系统的作用主要是通过影响功能菌群结构、代谢途径（如EPS分泌、酶活性）、群体感应等，其具体作用机制如图2所示。
图2 抗生素影响污泥厌氧消化效能的主要机制
1.菌群结构
在厌氧消化环境中，部分革兰氏阳性菌如消化链球菌属（Peptostreptococcus）和梭菌属（Clostridium）等会参与有机物的分解，在酸化阶段发挥着重要作用。革兰氏阳性菌形成的细胞壁骨架是肽聚糖链通过横向连接形成的一个稳定结构，抗生素可以通过抑制肽聚糖的合成，进而破坏细胞壁的完整性。当厌氧消化菌的细胞壁被破坏后，细菌会更容易受到厌氧条件下产生的压力的影响，从而破裂和死亡。这可能进一步导致细胞溶解和功能丧失，从而干扰细菌在厌氧消化中的产酸能力。如头孢唑啉等β-内酰胺类抗生素可以通过干扰肽聚糖的合成来干扰细菌微生物细胞壁的合成代谢，破坏细胞结构甚至致其死亡，达到抑制厌氧消化的效果。古细菌，尤其是产甲烷菌，是厌氧消化过程中的关键参与者。由于古菌细胞壁结构中不含肽聚糖，对针对肽聚糖的抗生素如β-内酰胺类抗生素等具有天然的抗性。在Czatzkowska等的研究中，在加入阿莫西林或头孢呋辛后，古菌域的细菌家族MSC和MST的基因浓度仍保持在较高且稳定的水平，浓度在105（MSC家族）到106~107（MST家族）。因此，抗生素对厌氧消化系统的影响并非主要通过破坏微生物的细胞结构来实现，而是可能通过干扰其代谢行为、群体反应等综合反应来影响产甲烷过程。
2. 代谢途径
抗生素往往不会直接破坏细胞而是借助酶来对其产生影响，通过调控相关基因来干扰酶的活性。在细菌微生物代谢的过程中，抗生素刺激了大多数水解酸化基因的增加，但降低了与脂肪酸降解和乙酰辅酶A转化相关的功能基因的丰度。向银萍等的研究表明，在四环素和磺胺类抗生素共同胁迫下，糖酵解、蛋白水解和酸化相关功能基因的丰度增加了3%~200%。而与乙酸盐和乙酰辅酶A转化相关的功能基因减少，主要的产甲烷代谢途径从乙酸发酵型甲烷生成转变为甲胺型甲烷生成。由于抗生素改变了此类基因的丰度，对应酶的活性也受到影响，进而影响了厌氧消化菌的性能。蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、丁酸激酶、磷酸转乙酰酶、乙酸激酶和辅酶F420是厌氧消化过程中的关键酶。一些抗生素可以通过和对应底物竞争相同的反应位点来与上述酶结合，以此改变酶的构象抑制其活性，干扰剩余污泥中细菌微生物的代谢过程，限制厌氧消化效率。例如Chen等发现，罗红霉素通过增加乙酸激酶的活性来增强酸化，并通过抑制辅酶F420的活性来降低甲烷的生成。由于罗红霉素能够通过降低α-葡萄糖苷酶的活性来抑制蛋白质和碳水化合物的水解，且水解阶段是厌氧消化过程中的限速阶段，导致产酸阶段和产甲烷阶段都受到抑制。
随着抗生素浓度的逐渐增加，微生物会分泌更多的EPS以保护细胞免受抗生素的影响。Kong等发现，随着投加的氧氟沙星的量的增加，EPS含量从第1天至第25天均有所增加，第50天较第25天所测得的黄腐酸类物质和腐殖酸类有机物含量提高，而氧氟沙星浓度则逐步降低。类似地，叶超等发现随着氧氟沙星的投加质量浓度从0 mg/L提高至25 mg/L，系统中EPS的平均质量比从36.32±2.17 mg/g TSS增加至41.97±2.50 mg/g TSS，为微生物的生长和产甲烷过程创造了适宜的环境。此外，EPS具有强大的生物吸附能力，可以吸附抗生素如磺胺甲嘧啶、磺胺甲噁嗪等，延缓其进入细胞，而厌氧微生物在适应高浓度抗生素后可利用其作为碳源进行生长和代谢，并刺激EPS分泌和WAS发酵。在Zhang等的实验中，由厚壁菌门和拟杆菌门组成的微生物簇消耗了包括四环素-D6、磺胺二甲嘧啶-D4和恩诺沙星-D5在内的多种抗生素，且菌群的相对丰度有所提高。在EPS和抗生素的共同作用下促进了WAS的厌氧消化性能和甲烷产量稳定性。
3. 群体感应
抗生素作用一段时间后厌氧消化系统的甲烷产量恢复也可能与菌群的群体感应现象有关。群体感应是菌群中个体细胞间通讯的普遍机制，与厌氧消化菌对抗生素的适应性联系紧密。微生物通过合成、分泌信号分子（又称自诱导分子）来控制整个菌群的行为，当信号分子浓度随着个体密度达到一定阈值时，即可启动某些特定基因的表达，以调节微生物群体的适应功能。处于群体感应状态的菌群容易聚集并形成生物被膜以抵挡抗生素的不利影响。曾淑婷等研究发现诺氟沙星的浓度从0 mg/g TSS添加至1.7 mg/g TSS的前3天，最大甲烷产率由5.3 mL/d增加至6.7 mL/d，同时测得厌氧消化菌的相对丰度变化幅度很小（仅为2%~4%），相比之下细胞群落-真核生物通路（主要包括核生物黏附、连接和信号转导）的相对丰度增加了1.7倍，这表明暴露于诺氟沙星后真核生物出现聚集，可能有助于产甲烷古菌对诺氟沙星胁迫环境的适应。群体感应在抗生素胁迫条件下产生的部分信号分子可以促进甲烷的产生，酰基高丝氨酸内酯（AHLs）是革兰氏阴性菌群体感应系统主要的信号分子，其特异性结构有助于细菌区分并结合同种菌产生的AHLs，进行种内信息传递，如产甲烷菌的优势信号分子N-酰基高丝氨酸内酯有利于醋酸盐向甲烷的转化。群体感应相关研究的出现为抗生素条件下厌氧消化菌的适应性提供了数据支撑，具有重要的理论意义。
综上所述，抗生素能结合自身结构特性影响关键功能微生物的细胞结构，使厌氧微生物失活，并改变群落菌群结构。同时，厌氧微生物能通过群体感应介导的自适应机制调节代谢活性，进而对厌氧消化系统产生影响。
03 污泥厌氧消化系统中抗生素不利作用的削减策略
大部分抗生素的存在会对污泥厌氧消化体系产生毒害作用，抑制消化效能。有效的预处理技术通过破坏抗生素结构和EPS胞外聚合物，缓解其不利影响和提高厌氧消化效能，为污泥的资源化利用和无害化处置提供了新思路。预处理削减抗生素对厌氧消化的影响，根据机制不同可分为物理、化学、生物以及联合预处理4大类。
1. 物理预处理
物理预处理主要包括水热、超声等方式。其通过热、机械等手段破坏抗生素结构，同时改变污泥絮凝体结构，是提升含抗生素污泥系统厌氧消化效能的有效方式之一。
水热预处理是使抗生素在具有一定温度和压力的饱和蒸汽中发生降解和水解的方法，同时其能够加速污泥中有机物水解和矿化的效率，提升抗生素的消化率和溶解度。大量研究将其高效性归因于抗生素热稳定性的不足，内部某些结构易受破坏；或是通过增强抗生素降解途径与降解产物，从不同路径参与其生物降解。He等利用强化水热预处理（85 ℃，360 min）缓解土霉素（25~200 mg/L）对污泥厌氧消化的影响时发现，水热法维持了与土霉素降解相关菌群的稳定，而土霉素则因结构中酯基和酰胺基的水解导致降解率大大提升。由于抗生素抑制的削减，微生物群落中甲烷杆菌、甲烷菌相比于单独厌氧消化明显增多，关键水解发酵菌和互养菌处于主导地位，甲烷产量获得提升且系统维持稳定。然而也有研究发现，水热法对抗生素的降解效率有限。Li等研究水热预处理对含氟喹诺酮类药物的污水污泥厌氧消化系统的影响时发现，水热处理（160 ℃, 60 min）后，氧氟沙星（2 mg/kg DS）的降解率（88%）相比于未经预处理（85%）增幅较小，而沼气产量则提升了8.5%。实验显示，单独的厌氧消化已能够去除了超过60%的抗生素，水热主要通过进一步促进EPS破坏导致抗生素的释放，辅助减轻了对微生物群落抑制，从而提升系统效能。此研究未发现抗生素的降解，可能是由于氟喹诺酮类抗生素的热稳定性良好。厌氧消化耦合水热预处理因能克服抗生素的不利影响和最大化维持产气水平而被广泛应用，然而，能耗高、条件严苛等仍是其应用时需要考虑的重点，偏高的温度亦会由于美拉德反应、蛋白质变性降低厌氧消化效能，这仍有待进一步研究。
与水热预处理相比，超声因效率高、风险小、无副产物而广受关注，其能够直接破坏抗生素结构或破碎污泥，提高水解速率。随着超声波能量增加，污泥粒径减小，可溶性有机物释放，随之带来液相中空化气泡的产生与剧烈塌陷，产生高剪切力和自由基，导致有机颗粒与菌体的破坏。一方面，水力高剪切力产生的羟基自由基（·OH）降解了抗生素，另一方面污泥絮凝体的破环加速了抗生素溶解和有机物溶出。Zhang等在对含多种抗生素的剩余污泥超声预处理（0.15 W/mL, 30min）后发现，厌氧消化体系中抗生素增溶了0.12~6.09倍，并由吸附状态向液相迁移。类似地，Liu等研究发现，用超声对（40 kHz, 60 min）含磺胺类抗生素的污水污泥厌氧消化体系进行预处理，磺胺甲噁唑在初期即被降解，在100℃条件下可以使得沼气产量提升19%。超声法主要通过最大限度降解抗生素和增加污泥中有机物的溶解来减少抗生素对微生物群落的毒害，维持产甲烷菌和甲烷产量的稳定。然而应用超声提升含抗生素的污泥系统厌氧消化效能仍缺乏系统研究，如何在优化参数的同时确保经济和有效，仍需继续挖掘。
2. 化学预处理
化学预处理利用化学方法破坏抗生素结构，削减其对厌氧消化系统的毒害。目前，常见的化学预处理手段主要包括高级氧化技术、臭氧、电化学等。
高级氧化技术能通过在中间过程中产生活性自由基，引发自由基与目标污染物之间的加成、取代、电子转移、断键等反应，促使高分子污染物降解为简单小分子或实现完全矿化，反应速率较快。黄小丁等在研究克拉霉素影响剩余污泥厌氧消化产甲烷时发现，克拉霉素抑制厌氧消化共分4个阶段，主要通过限制甲烷化抑制产气效能。而在其另一项研究中显示，污泥厌氧消化系统应用CaO2处理2d 后的克拉霉素浓度显著降低[从(1.758±0.068) mg/L降至(0.253±0.038) mg/L]，与直接高温发酵或者直接中温厌氧消化相比，去除率由3%~5%提高到85.6%，同步提升了产甲烷效能。这主要是由于CaO2拥有的高能量过氧化共价键，与液体相遇缓慢释放出Ca(OH)2、H2O2和O2，进一步产生·OH和过氧根自由基（·O2-），有效分解常规方法较难去除的顽固污染物，解除了对厌氧消化效能抑制。此外，过硫酸盐能释放·OH和硫酸根自由基（SO4-·），因此也被认为是有效降低污水污泥中抗生素含量的有效手段。
Zhang等研究了非晶态FeOOH活化过氧单硫酸盐降解磺胺甲噁唑，由于结合了自由基（·OH和SO4-·），非晶态FeOOH在降解磺胺甲噁唑方面表现出比晶态α-FeOOH和β-FeOOH更好的性能。然而过硫酸盐的使用势必导致系统中存在大量SO42-。Li等研究硫酸盐（1404 mg/L）和林可霉素（200 mg/L）同时存在对污泥厌氧消化系统影响时发现，与抗生素单独存在相比，两者联合对甲烷生成的抑制作用更大（降低73.9%）。造成这一现象的原因是林可霉素限制了硫酸盐的还原，严重阻碍乙酰乙酸发酵甲烷的生成。因此将过硫酸盐用以改善含抗生素污泥厌氧消化仍有待商榷。
臭氧也是常用于污泥预处理的方式之一，其能够通过高效的直接氧化以及自由基间接氧化降解抗生素来削弱毒性。Gotvajn等利用臭氧对被太妙菌素（400 mg/L）污染的剩余污泥进行预处理后，进行厌氧消化，发现沼气生产潜力提升了6倍。原因有2方面：一是太妙菌素在臭氧化过程中虽然并未完全矿化，但其结构发生了一定程度的改变，取代太妙菌素结构中的羧基致其活性损失99%；二是臭氧分解污泥导致更多的可溶性有机物作为沼气生产的合适基质。类似地，Boševski等发现经由臭氧预处理（36~70 mg O3 g VSS）后，阿莫西林所在的厌氧消化系统中甲烷产量增加了18%。然而，在实际应用中，臭氧利用效率低、成本高且最佳臭氧含量难以把握，其经济可行性有待分析。
电化学能够强化微生物的代谢功能，使其更高效降解有机底物，与厌氧消化集成有助于提高抗生素降解和甲烷合成效率，提升系统效能和运行稳定性。磺胺甲噁唑对厌氧消化系统效能抑制显著，而Xue等研究闭路上流厌氧生物电化学系统去除磺胺甲噁唑性能时发现，从第80天到第110天磺胺甲噁唑的去除率从48.8%提高到68.6%，这表明在电化学系统的作用下抗生素的生物降解效率得到了显著增强。值得注意的是，生物电化学系统在生物阴极中无需额外使用还原剂和任何外部电源输入，而在生物阳极中，抗生素可以充当电子供体和碳源。微生物附着在阳极上并在细胞外聚合物物质内形成生物膜，加速了抗生素的降解与矿化。另外，持续的电刺激可以向微环境提供更多的电子，并通过直接或间接的电子转移到细菌细胞来刺激微生物代谢。受刺激的微生物通过分泌酶快速代谢抗生素。3-氨基-5-甲基异噁唑（3A5MI）是磺胺甲噁唑的高生物毒性中间体，而在生物电化学系统中却能够得到进一步降解。类似地，Hu等发现闭路上流厌氧生物电化学系统在去除COD和磺胺甲噁唑方面表现出的良好性能，减缓了VFAs积累，使体系更趋于稳定。沼气中甲烷浓度稳定提高，同时避免了产酸阶段VFAs积累造成的不稳定，经由电化学预处理后，厌氧消化效能大幅提升。孔峰等经过电化学预处理的厌氧消化工艺其污泥日产气量最大达到12.19 mL/g，远大于未经预处理的全程厌氧工艺。
3. 生物预处理
生物预处理因自身环境友好性的特点而被大量使用，主要包括外源添加生物酶、外源添加材料加速电子传递等。此法通过利用有助于污泥絮体结构崩解和有机化合物溶解的功能材料或酶来改善厌氧消化的性能。
生物酶预处理通常通过直接添加水解酶（碳氢酶、蛋白酶和脂肪酶等）来改善水解。曹正操用单一酶对污泥进行预处理期，发现在添加了生物酶后，磺胺甲噁唑和磺胺甲嘧啶的去除率处于较高水平，分别为82.71%~89.10%和69.59%~71.75%，甲烷速率相对于对照组提高了5.0%~16.65%。这是由于生物酶的存在使磺胺类抗生素被大量溶解并释放到水相中，更易被生物降解，削减了对厌氧消化效能的抑制。同时，与单一酶处理相比，联合酶处理具备协同作用，对沼气生产表现出更好的性能。纤维素酶（30 mg/g TSS）与木瓜蛋白酶（30 mg/g TSS）的联合作用使磺胺甲噁唑的去除率提高到了87.88%，每日累积甲烷产量则由控制组的280.38 mL/g COD提升至375.18 mL/g COD，体系中反应底物的水解能力得到大幅增强。相比于物理、化学手段，酶技术能耗较低，然而实际应用时需仔细斟酌如何确保微生物的富集、酶活性的保持、降解转化速率的提升等方面。
此外，基于电子传递在厌氧消化中的重要作用，外源添加导电材料强化生物降解在预处理中被广泛研究和应用。其中碳基材料能够通过吸附、刺激生物代谢等去除抗生素。Cheng等发现，添加0.5 g/L的生物炭可以使污水污泥厌氧消化系统中的磺胺二嗪和磺胺二甲嘧啶去除率提高30%以上，这主要归因于生物炭的多孔隙结构对抗生素的吸附去除。然而，此实验中甲烷产量未有显著变化，可能是抗生素占用了生物炭上的活性位点，导致电子传递受阻。Zhang等的研究显示，当生物炭增加到一定量时，甲烷产率和其浓度呈正相关。铁基材料能通过影响某些关键酶、促进甲烷菌生长等提升厌氧消化效能。Zhou等研究发现，通过添加不同浓度的零价铁，可实现污水污泥中磺胺嘧啶去除率相比于对照组提高了21.13%，厌氧消化后甲烷产率由231.15 mL/g COD提升至418.07 mL/g COD。零价铁能通过吸附和生物降解去除抗生素抑制，强化产甲烷途径，因此大幅提升了厌氧消化效能。导电材料的组合可提供更好的性能，有研究利用铁改性生物炭，促进磺胺甲噁唑制药废水的厌氧消化率由75.00%±1.82%提升至86.00%±1.26%，甲烷产量由19.21 mL/g COD提升至100.28 mL/g COD。这是由于铁改性生物炭的加入显著富集了产氢菌、氢化产甲烷菌（Methanosaeta），并使其成为优势菌群。同时，导电材料的加入促进了电子传递过程，加强了氢基产甲烷途径。总的来说，导电材料通过降解厌氧消化系统中抗生素、富集功能性微生物、强化微生物种间电子传递等方式提升厌氧消化产甲烷效能，降低抗生素污染的环境风险。
4.联合预处理
高效的预处理手段对提高厌氧消化效能至关重要，但单一的预处理方式往往由于各种条件限制而较难获得满意效果，大量研究探讨了联合预处理的可能性。联合预处理对含抗生素系统厌氧消化具备强化作用，克服了单个处理方式的局限性，可节约能源和提升效率。
碱热预处理是常见的联合预处理手段，其能够破坏污泥、絮凝体基质和EPS，使有机物溶解而不产生毒害残留；同时改变pH环境，影响体系中抗生素和污泥颗粒电性的变化，导致抗生素溶解的增加。Zhang等对污泥碱热预处理（0.04 g NaOH/g TSS，24 h）后进行中温厌氧消化，发现四环素类等抗生素增溶0.57~16.12倍。原因是当3.3<pH<9.6时，体系中四环素类抗生素的主要以两性离子存在，通过静电吸引和阳离子交换机制与活性污泥（pH>3时带负电）结合；而随pH值进一步提升至9.6以上时，污泥与此时带负电的四环素静电排斥力不断增大，吸附显著降低，微生物群落的毒害减弱，由此可提升系统产甲烷量。
此外，超声/臭氧联合预处理应用也较为广泛。Zhao等研究超声辐射结合臭氧预处理对痕量左氧氟沙星暴露的生物污泥厌氧消化的影响时发现，超声处理可以增强臭氧分解，产生更多的·OH，从而促进顽固左氧氟沙星的分解，还使沼气产量至少增加了30.0%~33.2%。类似地，Chen等研究超声与臭氧相结合预处理对含抗生素种类复杂的乳制品废水厌氧消化效能的影响时发现，超声/臭氧预处理99 min后，在厌氧消化中，20 min的超声/臭氧预处理能够实现甲烷增产>20%。
总而言之，采用不同的预处理策略能够在不同程度上缓解抗生素对厌氧消化系统的影响。然而在实际应用过程中，仍需考虑预处理成本和环境效益，进一步调节优化控制条件，以得到更加绿色经济的预处理控制策略。
04 结论与展望
本文主要概述了典型抗生素在不同条件下对污泥厌氧消化体系效能的影响，这种影响因抗生素种类及反应条件的不同呈现出多样性与复杂性，但总体仍以抑制为主。究其原因，抗生素能通过破坏菌群结构（如细胞壁结构）、改变代谢途径（如酶活性、EPS分泌）、影响群体感应机制等对水解、产酸、产甲烷等阶段施加影响。通过采取适宜的预处理手段可有效促进抗生素溶解或直接破坏其结构等提升其去除水平，同时通过破坏EPS提供更多底物来强化功能微生物群落和活性等方式可有效削减抗生素对厌氧消化体系的不利作用，显著提升厌氧消化效能。
在未来的研究中，以下几方面值得进一步关注：
1）以往研究仅关注单种抗生素对污泥厌氧消化系统影响，而现实环境中存在抗生素共存、外源污染物干扰等现象，关于污泥中复合污染对厌氧消化效能的影响研究仍有限。污染物复合影响（协同或拮抗作用等）及其作用机制有待深入研究。
2）高级氧化技术等化学预处理方法因其反应速率快和去除率高等特点而备受关注，研究较为广泛。然而如何优化反应条件和开发绿色高效的催化剂来消除反应限制和降低高成本等有待研究。
3）抗生素在厌氧消化过程中会发生代谢转化，其中间代谢产物的毒性研究目前仍缺乏。需要进一步关注抗生素在环境中的迁移路径、中间产物毒性，以及它们在食物链中的生物累积和放大效应。了解抗生素迁移转化机制对于预测其对生态系统的潜在影响、制定有效的污染防治措施以及评估抗生素的环境风险具有重要意义。
作者简介
第一作者：金翝启（2003-），男，本科生，主要研究方向为有毒有害污染物控制理论与技术及有机废物的资源化利用。2114040116@hhu.edu.cn∗
通信作者：罗景阳（1989-），男，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向为有毒有害污染物控制理论与技术及有机废物的资源化利用。luojy2016@hhu.edu.cn
